-
Anordnung zum Feststellen von Chlorgas in Raumluft Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zum Feststellen von Chlorgas in der Zuluft von zu überwachenden Räumen,
bei der die Raumluft durch ein Gebläse ständig durch eine einen Meß-und Alarmstromkreis
beeinflussende Detektorzelle hindurchgeblasen wird, so daß die einströmende Raumluft
auf die in ihrer Spiegelhöhe unveränderliche Oberfläche eines Elektrolyten zwischen
beabstandete, aus diesem herausragende und an eine Gleichstromquelle angeschlossene
Elektroden innerhalb der Detektorzelle trifft, wobei die Elektroden samt Elektrolyt
in einer Elektrolytkammer sowie einer darüber anschließenden Luftkammer im Unterteil
der mit einem abnehmbaren Deckel versehenen Detektorzelle angeordnet sind.
-
Eine Anordnung dieser Art ist aus der US-PS 3 471 791 bekannt, die
unempfindlich gegen Zigarettenrauch und menschliche Ausdünstungen ist und sekundenschnell
das Vorhandensein von freiem Chlorgas in der Zuluft von Räumen erfaßt und seine
Konzentration mißt, bzwo bei Überschreiten einer für das Bedienungspersonal und
empfindliche Gegenstände (Korrosion) gefährlichen Konzentrationsschwelle außer der
Meßanzeige einen a3ctistischen und/oder optischen Alarm gibt. Solche gefährliche
und daher zu überwachende Räume sind dort gegeben, wo Chlorgasflaschen z.B. an Armaturen
angeschlossen sind, die zur Beigabe von Chlorgas in Wasserleitungen zwecks Desinfektion
dienen.
-
Bei der bekannten Anordnung ist in der Detektorzelle mit Pufferreagenzien
versetztes Wasser als Elektrolyt untergebracht.
-
Da ein solcher Elektrolyt leichtflüchtig ist und daher verhältnismäßig
schnell verdunstet, muß zur Erhaltung der Spiegelhöhe des Elektrolyten und damit
zur Erhaltung definierter Arbeitsbedingungen der Detektorzelle eine Nachschubversorgungsvorrichtung
für den verdunsteten Elektrolyten mit der Detektorzelle gekoppelt sein, die selbständig
arbeitet.
-
Durch Verstopfung der Zufuhrungskapillaren durch Schmutzteilchen kann
dieser mengenrichtige Nachschub an wässrigem Elektrolyten in Frage gestellt werden.
Auch ist es sehr schwierig, weder zu viel noch zu wenig Elektrolyt automatisch nachzuliefern,
so daß eine Überwachung und Nachfüllung von Hand notwendig wird, wobei in der Zwischenzeit
eine falsche Messung und Unterlassen eines Alarms bei Konzentrationsüberschreitung
des Chlorgases eintreten kann. Die Wirkungsweise solcher Detektorzellen beruht auf
der Reduzierung unterchloriger Säure an der negativen Elektrode bei Vorhandensein
von Chlorgas in der Raumluft und reversibler Oxydation an der positiven Elektrode.
Die chemische Reaktion am polarisierten Belag jeder Elektrode bewirkt eine Depolarisation
und damit einen elektrischen Stromfluß, dessen Stärke ein Maß für die Chlorkonzentration
ist. Die chemische Reaktion erfolgt außerdem an der Elektrolytoberfläche zwischen
den Elektroden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lange Zeit betriebsfähige
Anordnung der genannten Art zu schaffen, die ohne Nachschubversorgungsvorrichtungen
und ohne die Not wendigkeit einer Überprüfung und Nachfüllung von Hand auskommt.
-
Die Lösung der Aufgabe gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die
Raumluft in der Detektorzelle mit konstanter Geschwindigkeit auf die Oberfläche
eines gegen Halogene unempfindlichen, wasserfreien, nichtflüchtigen Elektrolyten
geblasen ist.
-
Um eine Verlängerung der an sich schon langen wartungsfreien Betriebsdauer
der Anordnung nach der Erfindung zu erhalten, kann dem Elektrolyten etwas Kaliumbromid
in gelöster Form beigefügt sein.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
von weiteren Unteransprüchen und nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels der Erfindung naher erläutert. Es zeigt Fig. 1 schematisch
eine Gesamtanordnung nach der Erfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Detektorzelle
der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig.
2, Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verlaufes des elektrischen Stromes in
der Detektorzelle in Abhängigkeit von der Ohlorgaskonzentration, Fig. 5 eine Darstellung
der Wirkungsweise der Detektorzelle in Anwesenheit von Chlorgas, Fig. 6 eine-Darstellung
der Wirkungsweise der Detektorzelle bei Diffusionssteuerung.
-
In Fig. 1 ist schematisch eine Chlorgasüberwachungsanordnung nach
der Erfindung dargestellt, die eine Detektorzelle C mit einer Elektrolytkammer W,
einer darüber befindlichen Gaskammer G und einer Elektrodenanordnung mit zwei voneinander
beabstandeten Elektroden 10 und 11 enthält. Die Elektrolytkammer W ist mit einem
nichtflüchtigen Elektrolyt E, z.B.
-
Glycerin oder anderem mehrwertigen Alkohol, wie Äthylenglycol, Propylenglycol
oder Fettsäuren mit geringem Dampfdruck, gefüllt. Dabei ist der Elektrolytspiege-l
so gehalten, daß die einen bestimmten Luftspalt 17 in der Gaskammer G bildenden
Elektroden 10, 11 nur teilweise darin eintauchen.
-
Dem Elektrolyten E kann aus weiter unten genannten Gründen ein relativ
geringer Anteil (z.B. io%) von Kaliumbromid gelöst beigegeben werden. Der Elektrolyt
E muß wasserfrei, nichtflüchtig und gegen Halogene unempfindlich sein.
-
Die das zu analysierende Chlorgas enthaltene Zuluft aus dem zu überwachenden
Raum wird der Gaskammer G durch eine Düse 12 über ein motorgetriebenes überdimensioniertes
Gebläse 13 zugeführt, dessen Einlaßseite 14 über Leitungen mit dem zu überwachenden
Raum verbunden ist. Die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes wird von einem
Strömungsmesser 15 gemessen.
-
Ein Entspannungsventil 16 zwischen Strömungsmesser 15 und Gebläse
13 entspannt die hoher als erforderlich verdichtete Zuluft auf Atmosphärendruck
und verringert die Transportdauer zwischen dem überwachten Raum und der Detektorzelle
C.
-
Ein zweites Ventil 19 zwischen dem Strömungsmesser 15 und der Düse
12 ermöglicht eine genaue Einstellung der Gasströmung durch die Detektorzelle C.
Die Düse 12 leitet die Gasströmung auf die Oberfläche des Elektrolyten E in den
LuftspaLt 17 zwischen den beiden Elektroden 10, 11. Die im Luftspalt 17 getestete
Luft tritt anschließend durch einen Auslaß 18 aus der Gaskammer G ins Freie.
-
Es ist wichtig, daß die Strömungsgeschwindigkeit der überwachten Zuluft
in der Gaskammer G möglichst konstant gehalten wird. Die optimale Strömungsgeschwindigkeit
richtet sich dabei auch nach der Elektrodengeometrie.
-
Die Elektroden 10 und 11 sind durch einen Strommeßkreis 21 mit einer
Gleichstromquelle 22 verbunden, die eine konstante Ausgangsgröße abgibt.
-
Der elektrische Stromfluß durch die Detektor zelle C hängt im wesentlichen
von der Elektrodengeometrie, der angelegten Spannung und der Reaktion zwischen Elektrolytoberfläche
und der auftreffenden Buft ab. Es ist daher die Anordnung wie gesagt so getroffen,
daß ein konstanter Luftstrom in der Detektorzelle C auf die Elektrolytoberfläche
im luftspalt 17 trifft, daß ferner ein konstanter Elektrolytspiegel im Buftspalt
17 vorliegt und die an den Elektroden 10, 11 angelegte Gleichspannung konstant bleibt.
-
Der einzige veränderliche Parameter bleibt somit nur die Chlorgaskonzentration
in der zuströmenden Luft.
-
Solange kein Chlor in der Luft enthalten ist, fließt nur ein extrem
kleiner elektrischer Strom zwischen den Elektroden 10, 11. Sobald aber Chlorgas
auftritt (schon bei kleinen Mengen von etwa 0,1 ppm), nimmt die Stromstärke gemäß
Fig. 4 zu.
-
Nach der Reaktionszeit steigt die Stromstärke auf einen Wert an, der
eine Funktion der Chlorgaskonzentration ist. Die nachfolgenden Stromwerte sind nach
Fig. 4 durch eine Kurve für eine der verschiedenen Gaskonzentrationen dargestellt.
-
Nach dieser-Eurve besteht ein funktioneller Zusammenhang zwischen
der Gaskonzentration in ppm und dem Strom in Mikroampere. Da die Schwelle des menschlichen
Geruchssinns bei 3 ppm liegt, ist es vorteilhaft, daß die Anordnung nach der Erfindung
extrem empfindlich ist, so daß sie Chlorgas schon erfaßt, bevor man es riechen kann.
Wenn die Chlorgaskonzentration in der Luft einen bestimmten in der Gefahrenzone
liegenden Wert überschreitet, typischerweise 1 ppm, muß ein Alarm gegeben werden.
Dies kann z.B. durch einen empfindlichen Verstärker geschehen, der im Elektrodenstromkreis
liegt und der eine gegebenenfalls entfernte Alarmvorrichtung auslöst.
-
In Fig. 2 und 3 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Detektorzelle
e gezeigt. Sie enthält ein rechteckförmiges Unterteil 23 aus elektrisch isolierendem
Glas, Kunstharz, Acryl u.dgl. Kunststoff mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften.
Innerhalb des Unterteils 23 ist ein nur noch oben offener Schacht 24 rechteckförmiger
Gestalt angeordnet, der die Elektrolyt und Gaskammer bildet, in die die Elektroden
10,-11 eingefügt sind.
-
Gemäß Fig. 3 ist das Unterteil 23 von einem rechteckigen Deckel 25
aus isolierendem Material, wie z.B. Kunstharz, abgedeckt. Zwischen dem Deckel 25
und dem Unterteil 23 sind
ein als Düse wirkender Lufteinlaß 26 und
auf der anderen Seite ein Luftauslaß 27 vorgesehen. Der Deckel 25 enthält mittig
eine quer zur Elektrodenebene gerichtete Rippe 30, die den Luftstrom auf die Oberfläche
des Elektrolyten E zwingt.
-
Im Schacht 24 sind an gegenüberliegenden Innenflächen die flachen
Elektroden 10, 11 angeordnet. Vom Boden her in getrennten Durchbrechungen eingefügte
Anschlußleiter 28, 29 sind mit den Elektroden 10, 11 an der Deckfläche versenkt
verbunden und in den Stromkreis gemäß Fig. 1 eingeschaltet.
-
Der Deckel 25 ist frei von irgendwelchen Anschlußteilen und daher
leicht vom Unterteil 23 entfernbar. Der Schacht 24 weist keine Durchführungen nach
außen auf, da er als alleiniges Reversoir für den Elektrolyten E bestimmt ist. Die
aus Edelmetall (insbesondere Platin) bestehenden Elektroden 10, 11 sind vorzugsweise
eben und rechteckig mit Ausnahme der stabförmigen Verbindungsteile zu den Anschlußleitern
28, 29.
-
Es können aber auch andere Elektrodenformen benutzt werden.
-
Der Elektrolytspiegel ist so gewählt, daß die oberen eile der Elektroden
10, 11 frei herausragen. Bei angelegter genauer Gleichspannung an den Elektroden
wird bei Anwesenheit von Chlorgas dieses an der negativen Elektrode reduziert und
an der positiven Elektrode erscheint eine reversible Oxydation. Diese Reaktion tritt
auch an der Elektrolytoberfläche zwischen den Elektroden auf, wobei es wichtig ist,
daß die Elektroden 10, 11 wie gesagt nicht vollständig im Elektrolyten versenkt
sind.
-
Der Erfindung liegt dabei die folgende Theorie zugrunde, wobei auf-Fig.
5 hingewiesen werden soll.
-
Wenn die Spannung U vom Wert A auf den Wert B ansteigt, tritt nur
ein geringer Strom i auf, der eine kapazitive Natur hat durch gegenseitige Jonenwanderung
zwischen den Elektroden.
-
In Punkt B ist eine zur Elektrolyse genügende Potentialdifferenz vorhanden.
Brom wird reduziert an der negativen Elektrode und an der positiven Elektrode erfolgt
eine entsprechende Oxydation. Bei weiterer Zunahme der Spannung kann der Strom nach
der Linie BCE oder BCD verlaufen, und zwar abhängig davon, ob der Elektrodenprozeß
diffusionsgesteuert ist (BCD) oder nicht (BCE), Die Neigung der Linie BC ist umgekehrt
proportional dem Zellenwiderstand.
-
Wenn der Rlektrodenprozeß diffusionsgesteuert-ist, treten Strom/Spannungskurven
nach Fig. 6 auf mit verschiedenen Chlorgaskonzentrationen (1 ppm, 2 ppm, 3 ppm)
als Parameter. Die gestrichelte Kurve gilt für einen anderen. Zellenwiderstand.
-
Genau gesagt ist der Strom über einen weiten Bereich der Chlorgaskonzentration
nur proportional, wenn der Elektrodenprozeß diffusionsgesteuert ist.
-
In den meisten Anwendungen zur Lecksuche ist eine gewisse Linearität
nur über einen schmalen Konzentrationsbereich notwendig und ein diffusionsgesteuerter
Elektrodenprozeß ist nicht erforderlich.
-
Es hat sich gezeigt, daß eine geringe Zugabe von Kaliumbromid die
Betriebsdauer der Detektorzelle verlängert, ohne daß eine Verschmutzung eintritt.
Wenn sich Chlor im Elektrolyten löst, bildet sich auf der messenden Elektrode ein
Film (Überzug), dessen Dicke mit der Zeit wächst und der eine Verzögerung des Ausgangssignals
bedingt. Durch die Zugabe von Kaliumbromid zum Elektrolyten bildet sich Br2 und
wird gemessen bei fehlendem Überzug. Die Reaktion verläuft wie folgt: C12 + 2Br.Br2
Br2 + 201 Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Beigabe von Kaliumbromid die
Empfindlichkeit der Detektorzelle um den Faktor 5 erhöht. Dieser Effekt wird darauf
zurückgeführt, daß Br2 gleichzeitig die Oxydation und Reduktion bei einem bestimmten
zugeführten Potential erleichtert.
-
Die leichte Flüchtigkeit von Br2 ermöglicht auch ein Fallen des Zellenstromes
auf einen Reststromwert zur Ausscheidung des Chlors aus der zu überwachenden Luft,
so daß mit einer Elektrolytcharge lange gemessen werden kann.
-
Für eine einwandfreie Arbeitsweise ist es vorteilhaft, den pH-Wert
des Elektrolyten zwischen 3,5 und 10 zu halten, was durch die Zugabe von Natriumazetatessigsäure
oder andere im Elektrolyten gelöste Pufferreagenzien möglich ist.
-
5 Patentansprüche 6 Figuren