DE2752530A1

DE2752530A1 - Analysator fuer brennbare bestandteile in einer brennstoff-gasatmosphaere

Info

Publication number: DE2752530A1
Application number: DE19772752530
Authority: DE
Inventors: Arnold O Isenberg
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1976-11-24
Filing date: 1977-11-24
Publication date: 1978-06-01
Also published as: AU507970B2; FR2372430A1; US4158166A; JPS6055777B2; BE861153A; GB1545737A; FR2372430B1; AU2997477A; JPS5366292A; DE2752530C2; IT1092627B; CA1095990A

Description

Analysator für brennbare Bestandteile in einer Brennstoff-Gasatmosphäre

Die Erfindung betrifft einen Analysator für dieBestimmung der brennbaren Bestandteile einer Brennstoff-Gasatmosphäre mit einer Prüfsonde, die eine die Gasdiffusion begrenzende Diffusionsöffnung faßt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, Prüfsonden für die Überwachung von Abgasanlagen zu verwenden, bei denen die brennbaren Abgase über Diffus ions öffnungen mit einer elektrochemischen Meßzelle in Berührung kommen, die einen Festelektrolyt umfaßt. Diese Prüfsonde kann zur Feststellung von Gasanteilen, z. B. von Sauerstoff oder Natrium usw. in einer Gasatmosphäre verwendet werden.

Bei einem solchen Anwendungsfall, bei dem nicht brennbare Bestandteile einer Gasatmosphäre ermittelt werden, arbeitet die elektrochemische Meßzelle als Pumpe für den interessierenden Bestandteil, z. B. Sauerstoff, um diesen aus einem Kammervolumen, welches über eine Diffus ions öffnung mit der Brennstoff-Gasatmosphäre verbunden Fs/mü ist

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ist, über den Festelektrolyt der elektrochemischen Meßzelle abzupumpen. Die Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs ist proportional dem sich an der elektrochemischen Meßzelle ergebenden Strom. Insoweit als die Diffusionsgeschwindigkeit des interessierenden Gases durch die Diffus ions öffnung proportional dem Anteil des Gasbestandteils in der zu untersuchenden Gasatmosphäre ist, gibt dieser Strom über die Meßzelle ein Maß für das Vorhandensein nicht brennbarer Gasbesiandteile in der interessierenden Gasatmosphäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Analysator für die Bestimmung der brennbaren Bestandteile einer Brennstoff-Gasatmosphäre zu schaffen, wobei ebenfalls eine elektrochemische Meßzelle mit einem Festelektrolyt in einer Prüfsonde Verwendung findet, die mit einer Diffus ions Öffnung versehen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen vorhanden sind, die Sauerstoff für eine Verbrennungsreaktion mit brennbaren, durch die Diffusions öffnung eindringende Bestandteilen liefern, um dadurch einen Differenzdruck an der Diffusions öffnung aufzubauen, der das Eindringen der brennbaren Bestandteile durch die Diffusions öffnung aufrechterhält, und daß ferner Meßeinrichtungen vorhanden sind, die den Anteil der durch die Diffus ions öffnung eindringenden brennbaren Bestandteile messen und daraus ein Maß für den Anteil der brennbaren Bestandteile in der Brennstoff-Gasatmosphäre ableiten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Durch die Maßnahmen der Erfindung wird die Diffus ions öffnung im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik als primäres Meßelement und die elektrochemische Meßzelle als sekundäres Element verwendet.

ORIQtNAL INSPECTED

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Im Gegensatz zu den bekannten Prüfsonden, bei denen die elektrochemische Meßzelle mit dem Festelektrolyt als Pumpe für den interessierenden Gasbestandteil Verwendung findet, um diesen aus einer Volumenkammer abzupumpen, die über eine Diffusions öffnung mit der interessierenden Gasatmosphäre in Verbindung steht, wird bei der vorliegenden Erfindung ein von dem zu messenden Gasbestandteil abweichender Bestandteil über den Festelektrolyt der Meßzelle in die Volumenkammer übertragen, um dort mit dem durch die Diffusionsöffnung in die Volumenkammer eintretenden brennbaren Bestandteil zu verbrennen. Dadurch entsteht ein Differenzdruck an der Diffusions öffnung zwischen den Anteilen der brennbaren Bestandteile in der zu untersuchenden Gasatmosphäre und derselben in der Atmosphäre der Kammer. Mit Hilfe eines bestimmten an die Meßzelle angelegten Pumppotentials kann dafür gesorgt werden, daß genügend Sauerstoff in die Innenkammer der Prüfsonde eingeführt wird, um durch die Verbrennungsreaktion eine Verarmung an brennbaren Bestandteilen bzw. eine Entleerung der Innenkammer von brennbaren Bestandteilen zu bewirken. Der Strom in der elektrochemischen Meßzelle, welcher aus der Übertragung des Sauerstoffs in die Innenkammer durch die Pumpwirkung resultiert, ist abhängig von der Diffusionsgeschwindig. keit der brennbaren Bestandteile durch die Diffusions öffnung. Diese Diffus ions geschwindigkeit ihrerseits ist wiederum proportional dem Anteil der brennbaren Bestandteile in der Brennstoff-Gasatmosphäre. Auf diese Weise gibt der Strom über die Meßzelle ein Maß für den Anteil der brennbaren Bestandteile in der zu überwachenden Gasatmosphäre.

Durch die weitere Ausgestaltung der Erfindung, aufgrund deren die EMK an der Meßzelle gemessen wird, läßt sich ein Umschlagen von einer reduzierenden Atmosphäre in eine oxidierende Atmosphäre und umgekehrt feststellen. Mit Hilfe dieser Messung ist es möglich, das

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Pumppotential auf ein Niveau einzustellen, das sicherstellt daß genügend Sauerstoff in die Innenkammer transferiert wird, um eine Verarmung an brennbaren Bestandteilen zu bewirken.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. IA einen Brennstoffanalysator gemäß der Erfindung in

schematischer Darstellung;

Fig. IB eine abgeänderte elektrische Schaltung für den

Brennstoffanalysator gemäß Fig. IA;

Fig. 2 eine graphische Darstellung für die Wirkungsweise

des Brennstoffanalysators gemäß Fig. IA;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoff

analysators gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 4 und 5 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Brennstoffanalysators gemäß Fig. 3.

Obwohl elektrochemische Meßzellen mit einem Festelektrolyt, wie sie bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden, eher als Ionenpumpe anzusehen sind und weniger als Gasmeßeinrichtung, so daß sie auch durch eine äquivalente Pumpe für ein Sauerstoff enthaltendes Gas ersetzt werden könnten, erweist sich bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung eine solche elektrochemische Meßzelle

mit

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mit einem Festelektrolyt als besonders zweckmäßig.

In Fig. IA ist ein Brennstoffanalysator bzw. eine Prüf sonde 10 dargestellt, die aus einem rohrförmigen, am einen Ende geschlossenen Gehäuse 12 besteht in dem eine Diffusionsöffnung 14 am geschlossenen Ende vorgesehen ist. Innerhalb dieses rohrförmigen Gehäuses 12 ist eine elektrochemische Meßzelle 20 mit einem Festelektrolyt angeordnet,-welche das rohrförmige Gehäuse 20 gasdicht in zwei Kammern, nämlich der Innenkammer 30 und der Sauerstoffkammer 40 unterteilt. Die elektrochemische Meßwelle 20 besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt 22 sowie zwei Elektroden 24 und 26, die auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolyts angeordnet sind. Der Aufbau und dje Wirkungsweise einer solchen elektrochemischen Meßzelle ist allgemein bekannt und in der US-PS 3 400 054 erläutert.

Der Brennstoffanalysator 10 ragt durch eine Wand W eines Behälters und ist der Atmosphäre ME eines gasförmigen Brennstoffes ausgesetzt, wobei in dieser gasförmigen Atmosphäre definitions gemäß der brennbare Bestandteil den freien Sauerstoff übersteigt. Die Temperatur der Gas-

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atmosphäre ME wird zwischen 300 C und 1000 C liegend angenommen, was den Betriebstemperaturbereich einer herkömmlichen elektrochemischen Meßzelle mit einem Festelektrolyt entspricht.

Beim Fehlen geeigneter Umgebungstemperaturen kann die Meßzelle 20 auch separat erhitzt werden. Die Verwirklichung einer solchen internen Aufheizung des Brennstoffanalysators 10 ist in dem US-PS 3 546 086 beschrieben.

Gemäß Fig. IA ist die elektrische Schaltung 50 an die Elektroden 24 und 26 angeschlossen und besteht allein aus einem Amperemeter 52. Die Sauerstoffpumpwirkung ergibt sich aufgrund der EMK, welche sich infolge

des

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des Sauerstoffpartialdruckes zwischen der Innenkammer 30 und der Sauerstoffkammer 40 einstellt. Der Sauerstoff wird der Sauerstoffkammer 40 über eine Zuführleitung 42 von einer nicht dargestellten externen Sauerstoffquelle aus zugeführt. Diese EMK bewirkt aufgrund der bekannten Nernst-Gleichung einen Transfer der Sauerstoffionen durch den Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt 22, und zwar von der Elektrode 26 zur Elektrode 24, wobei der Sauerstoff eine Verarmung der brennbaren Bestandteile in der Innenkammer 30 auslöst. Diese Reaktion verläuft, bis die Innenkammer 30 von brennbaren Bestandteilen 30 entleert ist und sich ein Brennstoff-Differentialdruck an der Diffus ions öffnung 14 einstellt, der eine Diffusion von brennbaren Bestandteilen aus der überwachten Gasatmosphäre ME durch die Diffus ions öffnung 14 in die Innenkammer 30 aufrechterhält. Die Größe der Diffusions öffnung 14 wird derart gewählt, daß der sich ergebende Strom nur proportional der Diffusionsrate der brennbaren Bestandteile durch die Diffusions öffnung ist. Andererseits ist die Größe der Diffus ions öffnung 14 ausreichend klein bezüglich der Größe der Elektrode 24 in der Innenkammer 30 zu wählen, damit die Größe der Diffus ions öffnung und nicht die Größe der Elektrode 24 den Grenzwertfaktor für die Gasdiffusion in der das Gas messenden Prüfsonde bestimmt. Der Strom der elektrochemischen Meßzelle 20, und zwar unter den Bedingungen, unter welchen die EMK an der Meßzelle 20 ausreicht, um eine Verarmung an brennbaren Bestandteilen in der Innenkammer 30 zu bewirken, ist ein Maß für die Diffusionsgeschwindigkeit des brennbaren Bestandteils durch die Diffusions öffnung 14. Die Diffusionsgeechwindigkeit ihrerseits ist proportional den brennbaren Beetandteilen in der überwachten Gasatmosphire. Somit gibt der mit dem Amperemeter 52 gemessene Strom ein Maß für den brennbaren Beetandteil der überwachten Gasatmosphäre ME. Typische Brennstoffe enthalten Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid usw.

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Die Wahl der Sauerstoffquelle hängt von den Konstruktionsgegebenheiten ab. So könnte z. B. eine Fest-Sauerstoffquelle wie eine Metall-Metall oxidverbindung in Kontakt mit der Elektrode 36 gehalten werden.

Obwohl die elektrische Schaltung 50 gemäß Fig. IA für den Betrieb und die Diskussion des Zusammenspiels des mit der Diffus ions öffnung 14 versehenen Gehäuses 12 und der elektrochemischen Meßzelle 20 mit einem Festelektrolyt geeignet ist, wird in Fig. IB eine weitere elektrische Schaltung 50 gezeigt, die eine veränderliche Gleichstromversorgung 54 in Verbindung mit dem Amperemeter 52 umfaßt. Durch die veränderliche Gleichstromversorgung 54 wird zwischen den Elektroden 24 und 26 eine bestimmte Spannung mit einer Polarität aufrechterhalten, welche die Pumpwirkung auslöst und die Verhältnisse herstellt, bei welchen der in der Innenkammer 30 enthaltene Brennstoff vermindert wird, Der vom Amperemeter 52 gemessene Strom über die Meßzelle ist ein Maß der Diffusionsgeschwindigkeit des überwachten brennbaren Bestandteils, z.B. Wasserstoff, wiesie durch die Diffus ions öffnung 14 definiert wird.

Die Ausführungsform gemäß Fig. IE kann, wie leicht zu erkennen ist, s owQhl zum Messen von Sauerstoff in einer Sauerstoff-Gasatmosphäre als auch zum Messen von brennbaren Bestandteilen in einer Brennstoff-Gasatmosphäre verwendet werden. Das Diagramm gemäß Fig. 2 gibt eine graphische Darstellung der Wirkungsweise der Prüfsonde gemäß Fig. IA, und zwar sowohl beim Betrieb zum Feststellen von Sauerstoff als auch von brennbaren Bestandteilen.

In Fig. 3 ist eine Modifikation des Brennstoffanalysators 10 gemäß den Fig. IA und IB dargestellt. Die Elektroden 62 und 64 zum Feststellen der EMK sind aufeinander gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolyt 22 angeordnet. Eine Änderung von einer reduzierenden

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Atmosphäre in eine oxidierende Atmosphäre in der Innenkammer 30 bewirkt, daß die Meßzelle 20 eine signifikante Änderung für das EMK-Signal zwischen den Elektroden 62 und 64 erzeugt. Ein Voltmeter 66 spricht auf das EMK-Signal an und liefert eine Anzeige, wenn ein Übergang zwischen einer reduzierenden Atmosphäre und einer oxidierenden Atmosphäre stattfindet.

Das Betriebsverhalten der Prüfsonde gemäß Fig. 3 ist in den Fig. 4 und schematisch angedeutet. Der Betrieb für die Prüfsonde 10 für drei verschiedene prozentuale Anteile von Wasserstoff in einem Kohlendioxid-Gasgemisch ist in Fig. 4 graphisch dargestellt. Der linksseitige Teil der Darstellung entspricht den Anfangsbedingungen, bei welchen der in der Innenkammer 30 vorhandene Sauerstoff nicht ausreicht, um eine Verarmung des brennbaren Inhaltes zu bewirken, wodurch sich eine reduzierende Atmosphäre an der Elektrode 24 ergibt. Wenn das Sauerstoff-Pumppotential ansteigt, sei es durch die Sauerstoff-Partialdruckdifferenz gemäß Fig. IA oder durch eine veränderliche Gleichstromversorgung 54 der elektrischen Schaltung 50 gemäß Fig. IB, ergibt sich eine Grenzwertbedingung X, wie sie durch das Voltmeter 66 angezeigt wird, bei der der in die Innenkammer 30 eingeführte Sauerstoff ausreicht, um eine Verarmung der brennbaren Bestandteile und damit eine Änderung der Atmosphäre an der Elektrode 24 von einer reduzierenden Atmosphäre in eine oxidierende Atmosphäre zu bewirken. Damit hat das Pumppotential eine Amplitude, welche rechts von der Schwellwertbedingung X liegt, welche bei der graphischen Darstellung gemäß Fig. 4 für einen Wert von 550 mV gegeben ist. Nachdem das Pumppotential beinahe willkürlich festgelegt ist, ergibt der mit dem Amperemeter 52 gemessene Strom über die Meßzelle 20 bei diesem Pumppotential das Maß für den Anteil der brennbaren Bestandteile, z.B. Wasserstoff, in der Gasatmosphäre ME. In Fig. 5 ist die Abhängigkeit des Stromes bei einem Pumppotential von 550 mV von dem

prozentualen

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ORIGINAL INSPECTED FLEUCHAUS & WEHSER Patentante

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prozentualen Anteil von Wasserstoff in einer Kohlendioxidatmosphäre als Kurve A aufgetragen. Die Kurve B gemäß Fig. 5, welche parallel zur Kurve A verläuft, repräsentiert die Stromwerte, welche dem Schwellwert X der Kurven gemäß Fig. 4 entsprechen.

Obwohl die Ausführungsformen gemäß den Fig. IA, IB und 3 einemBrennstoffanalysator entsprechen, bei demeine externe Sauerstoffversorgung Verwendung findet, sieht die Erfindung auch einen Aufbau vor, bei dem eine Sauerstoff enthaltende Verbindung, z. B. HO oder CO und dergl. aus der überwachten Gasatmosphäre ME dazu benutzt wird, um durch eine Elektrolyse den Sauerstoff zu erhalten, welcher in die Innenkammer 30 überführt wird. Die sich zwischen den Elektroden 24 und 26 der elektrochemischen Meßzelle mit dem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt aufbauende EMK pumpt den Sauerstoff, der sich aus der Elektrolyse der Sauerstoffverbindung ergibt, durch den Festelektrolyt 22 in die zu überwachende Gasatmosphäre, so daß er für die beschriebene Reaktion mit dem brennbaren Bestandteil in der Innenkammer 30 zur Verfügung steht. Durch diese Maßnahme erhält man einen sehr einfachen transportablen Brennstoffanalysator, insbesondere da für diesen Brennstoffanalysator keine separate Sauerstoffwelle erforderlich ist.

Patentansprüche

I0M22/0MI

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Analysator für die Bestimmung der brennbaren Bestandteile einer Brennstoff-Gasatmosphäre mit einer Prüfsonde, die eine die Gasdiffus ion begrenzende Diffusions Öffnung faßt, dadurch gekennzeichnet, ' daß Einrichtungen vorhanden sind, die Sauerstoff für eine Verbrennungsreaktion mit brennbaren, durch die Diffusions-Öffnung eindringende Bestandteile liefern, um dadurch einen Differenzdruck an der Diffusionsöffnung aufzubauen, der das Eindringen der brennbaren Bestandteile durch die Diffusions Öffnung aufrechterhält, und daß ferner Meßeinrichtungen vorhanden sind, die den Anteil der durch die Diffusions Öffnung eindringenden brennbaren Bestandteile messen und daraus ein Maß für den Anteil der brennbaren Bestandteile in der Brennstoff-Gasatmosphäre ableiten.
2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -die Sauerstoff liefernden Einrichtungen eine elektrochemische Meßzelle (20) mit einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt (22) umfassen, an welchem eine erste Elektrode 24 und eine zweite Elektrode 26 auf gegenüberliegenden Seiten angebracht ist, daß die elektrochemische Meßzelle (20) in einer Prüf sonde (10) derart angeordnet ist, daß sich eine Innenkammer bildet, die über die Diffusions öffnung (14) mit der zu überwachenden Brennstoff-Gasatmosphäre (ME) in Verbindung steht, daß die erste Elektrode (24)

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Patentanwälte 2752630

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auf der der Innenkammer (30) zugewandten Seite des Festelektrolyt (22) angeordnet ist, daß die zweite auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Elektrode (26) in einer von einer Sauerstoffquelle aus angereicherten Atmosphäre derart angeordnet ist, daß sich eine Partialdruckdifferenz an der Meßzelle (20) ausbildet, die einen Sauerstofftransfer von der zweiten Elektrode durch den Festelektrolyt zur ersten Elektrode für die Verbrennungsreaktion mit den durch die Diffusions öffnung (14) eindringenden brennbaren Bestandteilen auslöst, und daß der Sauerstofftransfer einen Strom in der Meßzelle bewirkt, welcher den Anteil der aus der Brennstoff-Gasatmosphäre durch die Diffusions öffnung eingedrungenen brennbaren Bestandteile kennzeichnet.
3. Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (24, 26) ein Gleichspannungspotential (54) anlegbar ist.
4. Analysator nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (62, 64, 66) zur Messung der EMK an der elektrochemischen Meßzelle vorhanden sind, um Änderungen der Atmosphäre in der Innenkammer (30) zwischen einer reduzierenden Atmosphäre und einer oxidierenden Atmosphäre festzustellen.

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