DE2065931C3

DE2065931C3 - Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten, insbesondere in flüssigen Metallen

Info

Publication number: DE2065931C3
Application number: DE19702065931
Authority: DE
Inventors: Ulf 6780 Pirmasens Andrae; Heinz Dr. 7500 Karlsruhe Sundermann
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1970-12-15
Filing date: 1970-12-15
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE2065931B2; DE2065931A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten, insbesondere in flüssigen Metallen, mit einer mit einem Festelektrolyten, dessen Außenseite mit dem zu messenden Medium in Berührung sieht, versehenen Meßsonde, wobei die jedem Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Medium zugehörige Elektromotorische Kraft (EMK), abhängig von der in der Meßsonde jeweils verwendeten thermodynamischen Meßkette, gemessen und registriert wird und anschließend aufgrund einer Kurve von Vergleichswerten bekannter Sauerstoffkonzentrationen auf den zugehörigen Sauerstoffgehalt umgerechnet wird.

Die bisher verwendeten Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten mit einer derartigen Meßsonde auf dem Wege über die Messung der EMK sind zeitraubend und bedürfen eines erfahrenen und geschickten Operateurs. Dieser muß hierbei, um die Polarisation der Sonde auszuschalten, den Meßstrom mittels einer Poggendorfschaltung von Hand immer wieder kompensieren. Die Umrechnung der so erhaltenen EM K-Werte in die zugehörigen Sauerstoffgehalte müssen sodann durch einen Fachmann mit Hilfe einer zuvor mittels einer Reihe von Eichmessungen aufgestellten Eichkurve vorgenommen werden und sind ebenfalls sehr zeitraubend.

Diese, insbesondere bei der Sauerstoffbestimmung in flüssigen Metallen, beispielsweise in einem Flüssigmetall-Kühlkreislauf eines Kernreaktors, bedeutenden Nachteile der bekannten Bestimmungsverfahren zu vermeiden, ist die Aufgabe der Erfindung.

Die Lösung der Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch erreicht, daß mit Hilfe elektronischer Mittel die Polarisation der Meßsonde durch den Meßstrom durch eine potentiostatische Kompensation ausgeschaltet, daß die Messung nur einer Sauerstoffkonzentration als Grundlage der Vergieichskurve durchgeführt wird und daß mit Hilfe elektronischer Mittel die Vergleichskurve aus dieser einen Messung über die Bestimmung der totalen Ableitung der Elektromotorischen Kraft (EMK), sowie über die

ίο Bestimmung des Richtungsfeldes der partiellen Ableitungen der EMK nach der Temperatur berechnet wird. Die Polarisation der Meßsonde wird vorteilhafterweise bereits beim Entstehen in weniger als einer Sekunde ausgeschaltet.

is Das Verfahren umschließt also die Erfassung der Werte für die EMK und der Werte der Temperatur im Medium, die Registrierung dieser Werte und die Auswertung bzw. Umrechnung in die entsprechenden Sauerstoffgehalte, sowie die Registrierung der Sauerstoffgehalte in einem Eruchteil einer Sekunde. Dabei wird mit Hilfe elektronischer Mittel durch die Messung nur einer Sauerstoff-Sättigungskonzentration in Abhängigkeit von der Art des Mediums und in Abhängigkeit von der Art der thermodynamischen Meßkette eine Umrechnungs-Schablone, bestehend aus zwei Diagrammen, erstellt, die die Sättigungskonzentration-Vergleichskurve als Funktion der Temperatur enthält, sowie die dazugehörige Kurve der EMK als Funktion der Temperatur und eine Kurvenschar im Feld der Untersättigung.

Anhand einer Prinzipskizze in der F i g. 3 wird eine Umrechnungs-Schablone als Beispiel erläutert. Die Kurve B (oberes Diagramm) ist die Sauerstoff-Sättigungskonzentrationskurve, bezogen auf ein bestimmtes

Y> Medium, z. B. flüssiges Natrium, und auf eine bestimmte Meßkette. Punkt A auf dieser Kurve ist der Wert der einen Messung, aus der elektronisch die Vergleichskurve B errechnet wird. Die Kurve E₁ (unteres Diagramm) ist die der Kurve B entsprechende Kurve der EMK als

ίο Funktion der Temperatur und ihr Anstiegswinkel D zur Temperaturachse die totale Ableitung. Das Feld über der Kurve E_s ist das Untersättigungsfeld E₁₁. In diesem Feld Eu ist eine Kurvenschar unendlich vieler schwach divergierender Kurven vorstellbar, von denen nur vier in die Prinzip-Skizze eingezeichnet sind (Ci bis C 4). Jede Einzel-Kurve dieser Kurvenschar besteht aus Punkten gleicher Sauerstoff-Konzentration, jedoch unterschiedlichen Abstandes zur Sättigungs-EMK in Abhängigkeit von der Temperatur.

Wird nun ein im Eu-FeId liegender EMK-Wert F von der Sonde gemessen, so wird automatisch von der Elektronik nach der Umrechnungs-Schablone verfahren und auf einer zu F gehörigen C-Kurve den entsprechenden Sättigungspunkt G, der der gleichen Sauerstoffkonzentration wie F zugehört, abgegriffen und danach der zu G gehörige Sauerstoffgehalt H auf der Kurve B ermittelt Dieser Wert ist der gesuchte und wird registriert. Wie die Skizze zeigt, kann G als eine Art Umkehrpunkt für den Gang der EMK-Werte gelten, wenn man aus dem Feld der Untersättigung auf die Sättigungskonzentration stößt; bei sinkender Temperatur und gleicher Sauerstoffkonzentration im Medium erniedrigt sich zunächst die EMK bis die Sättigungstemperatur erreicht ist; bei weiter absinkender Temperatur

μ steigen die EMK-Werte wieder an, wobei die Sättigungs-Sauerstoffkonzentration ebenfalls absinkt.

Bei den bisherigen Bestimmungs-Verfahren mußte der konzentrationsunabhängige Term in der Nernst-

sehen Gleichung (die Systemkonstante), meist mit E₀ bezeichnet, erst noch vor der Umrechnung ermittelt werden, da er zur Umrechnung benötigt wurde. Nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren jedoch ist die Ermittlung des E₀ überflüssig. Die Umrechnung der Meßwerte in die entsprechenden Sauerstoffgehalte beruht auf der Bestimmung der totalen Ableitung der EMK, sowie des Feldes der partiellen Ableitungen der EM K nach der Temperatur und ist damit nicht mehr von E₀ abhängig. Aus diesem Grunde kann eine Umrechnungs-Schablone, wie sie als Prinzip-Skizze in der Figur gezeigt wird, benutzt werden und somit eine schnelle Umrechnung mit elektronischen Mitteln durchgeführt werden.

Ein ■ jnderer Vorteil des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens liegt darin, daß damit die Sättigungslöslichkeit von Sauerstoff bestimmt werden kann, ohne daß im zu bestimmenden System Sättigung vorliegt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten, insbesondere in flüssigen Metallen, mit einer mit einem Festelektrolyten, dessen Außenseite mit dem zu messenden Medium in Berührung steht, versehenen Meßsonde, wobei die jedem Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Medium zugehörige Elektromotorische Kraft (EMK), abhängig von der in der Meßsonde jeweils verwendeten thermodynamischen Meßkette, gemessen und registriert wird und anschließend aufgrund einer Kurve von Vergleichswerten bekannter Sauerstoffkonzentrationcn auf den zugehörigen Sauerstoffgehalt umgerechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe elektronischer Mittel die Polarisation der Meßsonde durch den Meßstrom durch eine potentiostatische Kompensation ausgeschaltet wird, daß die Messung nur einer Sauerstoffkonzentration als Grundlage der Vergleichskurve durchgeführt wird und daß mit Hilfe elektronischer Mittel die Vergleichskurve aus dieser einen Messung über die Bestimmung der totalen Ableitung der EMK, sowie über die Bestimmung des Richtungsfeldes der partiellen Ableitungen der EMK nach der Temperatur berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisation der Meßsonde bereits beim Entstehen in weniger als einer Sekunde ausgeschaltet wird.