DE2949089C2

DE2949089C2 - Measuring transducer for the determination of gases in a gas mixture

Info

Publication number: DE2949089C2
Application number: DE19792949089
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Dr. 2400 Lübeck Schinkmann
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1979-12-06
Publication date: 1982-06-03
Also published as: DE2949089A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwertaufnehmer zur Bestimmung von Gasen in einem Gasgemisch, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a transducer for determining gases in a gas mixture, accordingly the preamble of claim 1.

Im Zusammenhang mit der Erhöhung der Sicherheit von Menschen am Arbeitsplatz oder als Patienten im Krankenhaus gewinnt der Einsatz von Meßwertaufnehmern zur Bestimmung von gasförmigen Schadstoffen, aber auch von Sauerstoff immer mehr an Bedeutung. Die Erfüllung dieser Aufgabe wird umso besser gelingen, je genauer die Sensoren in der Lage sind, die gasförmigen Komponenten zu erfassen und je geringer die Drift im Laufe der Nutzungsdauer dieser Sensoren ist.In connection with increasing the safety of people at work or as patients in the Hospital gains the use of measuring sensors for the determination of gaseous pollutants, but also of oxygen more and more important. The fulfillment of this task will be all the better succeed, the more precisely the sensors are able to detect the gaseous components and the lower they are is the drift over the life of these sensors.

Bei bekannten Meßwertaufnehmern erweist sich in der Praxis immer wieder als Nachteil, daß im Fall von plötzlichen Temperaturschwankungen oder bei kontinuierlich auftretender relativer Luftfeuchtigkeit von 100% eine Kondensation des Wasserdampfes an der die Meßelektrode abdeckenden Membran stattfindet. Diese Kondensation führt zum allmählichen Aufbau eines Wasserfilms, der die Diffusion der zu messenden Gasmoleküle durch die Membran an der Meßelektrode behindert und damit eine Reduzierung des Meßsignals bewirkt. Der Abfall des Meßsignals täuscht eine Veränderung der Konzentration des zu messenden Gases (Schadstoff, Sauerstoff) vor, welche in Wirklichkeit nicht vorhanden ist.In known transducers, in practice it repeatedly proves to be a disadvantage that in the case of sudden temperature fluctuations or with continuously occurring relative humidity of 100% a condensation of the water vapor takes place on the membrane covering the measuring electrode. These Condensation leads to the gradual build-up of a water film, which causes the diffusion of the water to be measured Gas molecules obstructed by the membrane on the measuring electrode and thus a reduction in the measuring signal causes. The drop in the measuring signal deceives a change in the concentration of the substance to be measured Gas (pollutant, oxygen), which in reality is not available.

Dieser gravierende Nachteil üblicher Meßvorrichtungen wird entweder durch Vorschalten von Filtern oder Kondensatoren, die das Gas vom Wasserdampf ganz oder teilweise befreien, oder aber durch Beheizen des Meßwertaufnehmers, das eine Kondensation verhindert, gemildert.This serious disadvantage of conventional measuring devices is either through the upstream connection of filters or Condensers that completely or partially free the gas from water vapor, or by heating the Sensor, which prevents condensation, mitigated.

In einer bekannten Anordnung ist der MeßwertaüT-nehmer in einer mit Eingang und Ausgang mit der Gasführungsleitung verbundenen Nebenleitung angeordnet In dieser Nebenleitung durchfließt der Teil-Gasstrom nacheinander einen Kondensor, den Meßwertaufnehmer und eine Saugpumpe. Es ist auch möglich, daß die Nebenleitung nur mit ihrem Eingang mit der Gasführungsleitung verbunden istIn a known arrangement, the measured value is a taker arranged in a secondary line connected to the inlet and outlet with the gas guide line In this secondary line, the partial gas flow successively flows through a condenser, the Transducer and a suction pump. It is also possible that the secondary line only connects to its input is connected to the gas duct

Durch die Nebenleitung wird als Teilstrom aus der Gasführungsleitung eine kleine Teilmenge des zu messenden Gas- bzw. Dampfgemisches für die Messung benutzt Diese kleine Teilmenge benötigt nur kleine Bauelemente, wie Rohre mit kleinen Durchmessern, Kondensor und Pumpe. Aus dem sich daraus ergebenden kleinen Totraumvolumen ergibt sich eine entsprechend kurze Ansprechzeit (DE-P 28 45 319).Through the secondary line, a small subset of the gas is supplied as a partial flow from the gas guide line measuring gas or vapor mixture used for the measurement. This small subset only requires small Components such as small diameter tubes, condenser and pump. From the resulting Small dead space results in a correspondingly short response time (DE-P 28 45 319).

Bei den bekannten Meßwertaufnehmer, bei denen eine Kondensation an der Membran durch Beheizen verhindert werden soll, wird dies nach zwei Prinzipien versucht: Entweder erwärmt man den Sensor und damit die Membran auf eine Temperatur oberhalb des Taupunktes des Gasgemisches oder — physikalisch gleichwertig — senkt man die Temperatur des Gasgemisches auf einen Wert, der kleiner ist als die Membrantemperatur. In dem zuletzt genannten Fall wird die Feuchtigkeit bereits, bevor das Gasgemisch den Meßwertaufnehmer erreicht hat, auskondensiert, so daß bei dessen Erwärmung durch Wärmeaustausch an der Membraioberfläche die relative Feuchtigkeit zwangsläufig auf einen Wert unter 100% absinken muß.In the case of the known transducers in which condensation on the membrane is caused by heating is to be prevented, this is attempted according to two principles: Either the sensor is heated and with it the membrane to a temperature above the dew point of the gas mixture or - physically equivalent - the temperature of the gas mixture is lowered to a value that is lower than that Membrane temperature. In the latter case, the moisture is already before the gas mixture Has reached the transducer, condensed out, so that when it is heated by heat exchange at the Membrane surface the relative humidity inevitably must drop to a value below 100%.

Nachteilig ist jedoch, daß die Beheizung zu einer höchst unerwünschten Drift des Meßsignals führt, die solange anhält, bis sich das Heizungselement mit dem Gehäuse, dem Elektrolyten und den darin befindlichen Elektroden im Gleichgewicht befindet. Insbesondere trifft dies dann zu, wenn aus sicherheitstechnischen Gründen nur eine relativ kleine Heizleistung erlaubt ist. Während dieser Zeit ist das Meßsystem nicht betriebsbereit. Auch eine geometrische Verkleinerung des Meßwertaufnehmers bringt nicht den gewünschten Erfolg.However, it is disadvantageous that the heating leads to a highly undesirable drift of the measurement signal, which continues until the heating element with the housing, the electrolyte and the ones in it Electrodes are in equilibrium. This is particularly true when for safety reasons Reasons only a relatively small heating power is allowed. During this time the measuring system is not ready for operation. Even a geometrical reduction in size of the transducer does not bring the desired result Success.

Die Gegenelektrode wird im Laufe der Lebensdauer, z. B. durch Oxidation, verbraucht. Ihre Menge bestimmt damit die Lebensdauer des Meßwertaufnehmers. Sie kann daher nicht beliebig klein ,gewählt werden (Drägerheft308,S. 1-6).The counter electrode is used in the course of its service life, e.g. B. by oxidation, consumed. Your amount determines thus the service life of the transducer. It can therefore not be chosen as arbitrarily small (Drägerheft308, pp. 1-6).

Aufgabe der Erfindung ist ein Meßwertaufnehmer zur Bestimmung von Gasen in einem Gasgemisch, mit dem durch Vermeidung jeglicher Wasserdampfkondensation an der die Meßelektrode abdeckenden Membran und einer trotzdem langen Lebensdauer eine Drift des Meßwertes verhindert wird. Die Ansprechzeit soll möglichst kurz sein.The object of the invention is a transducer for determining gases in a gas mixture, with the by avoiding any water vapor condensation on the membrane covering the measuring electrode and a drift of the measured value is prevented despite a long service life. The response time should be as short as possible.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichendes Anspruches 1.The object is achieved according to the characterizing part of claim 1.

Der Meßwertaufnehmer ist in den Fühlerteil mit der Kathode und den Gehäuseteil mit der Anode aufgeteilt. Der Fühlerteil mit der Kathode und der Gehäuseteil mit der Anode sind derart gestaltet, daß der Wärmestrom durch die Geometrie des Kathodenraumes und durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials zwischen der Heizung und dem die Kathode umschließenden Elektrolyten größer ist als der Wärmeübergang zwischen dem Fühlerteil mit der Kathode und dem größeren Gehäuseteil, der die Anode enthält. Damit können die wärmeempfindlichen Teile, wie Kathode, Membran und Elektrolyt im Kathodenraum sich praktisch ohne Zeitverlust an die sich ändernden Bedingungen des zu messenden Gasstromes angleichen.The transducer is divided into the sensor part with the cathode and the housing part with the anode. The sensor part with the cathode and the housing part with the anode are designed in such a way that the heat flow by the geometry of the cathode space and by the thermal conductivity of the material between the Heating and the electrolyte surrounding the cathode is greater than the heat transfer between the sensor part with the cathode and the larger part of the housing that contains the anode. In order to the heat-sensitive parts such as the cathode, membrane and electrolyte in the cathode compartment can be adapt to the changing conditions of the gas flow to be measured practically without loss of time.

Trotz der bei der kleinen Abmessung des Kathodenraums benötigten geringen Heizleistung wird in wenigen Sekunden oder sogar Sekundenbruchteilen der Temperaturgleichgewichtszustand zwischen den Teilen hergestellt Die große Masse der Gegenelektrode sichert eine lange Lebensdauer des Meßwertaufnehmers. Despite the low heating power required for the small dimensions of the cathode compartment, in a few seconds or even fractions of a second the temperature equilibrium state between the parts manufactured The large mass of the counter electrode ensures a long service life for the transducer.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unieranssprüchen.Advantageous further developments of the subject matter of the invention emerge from the university claims.

Der Wärmeisolier-Stützring zwischen den Gehäuseteilen ve-hindert zusätzlich den Wärmedurchgang von dem kleinen Fühlerteil mit der Kathode zu dem Gehäuseteil mit der Anode. Er stützt gleichzeitig die nur dünnwandig miteinander verbundenen Gehäuseteile gegeneinander ab.The heat insulating support ring between the housing parts also prevents the heat from passing through the small sensor part with the cathode to the housing part with the anode. He only supports them at the same time thin-walled interconnected housing parts from each other.

Das Sieb oder die grobe Membran oberhalb der Anode sichern, daß die Reaktionsprodukte um die Anode herum in diesem Teil des Anodenraumes verbleiben.The sieve or the coarse membrane above the anode ensures that the reaction products around the Remain around the anode in this part of the anode space.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben: An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below:

Bei dem Meßwertaufnehmer handelt es sich um eine elektrochemische Meßzelle mit einem Gehäuse 5, in dem im Abstand voneinander zwei Elektroden, die Kathode 1 und die Anode 4, zwischen denen und um die herum sich ein Elektrolyt 3 befindet, angeordnet sind. Das Gehäuse 5 ist beidseitig von je einer Membran abgeschlossen. Die dem zu messenden Gasstrom zugewandte Diffusionsmembran 2 ist für das zu messende Gas selektiv durchlässig. Die andere, die Ausgleichsmembran 8, stellt eine elastische Wand dar, mit der Druckschwankungen im Elektrolytraum, die zu einer Beeinflussung des Meßsignals führen könnten, ausgeglichen werden. Die Ausgleichsmembran 8 wird über den Dichtring II von dem Spannring 10 gehalten.The transducer is an electrochemical measuring cell with a housing 5, in that at a distance from each other two electrodes, the cathode 1 and the anode 4, between which and around the around there is an electrolyte 3 are arranged. The housing 5 has a membrane on both sides closed. The diffusion membrane 2 facing the gas flow to be measured is for the to measuring gas selectively permeable. The other, the compensating membrane 8, represents an elastic wall, with the pressure fluctuations in the electrolyte space, which could influence the measurement signal, be balanced. The compensating membrane 8 is held by the clamping ring 10 via the sealing ring II.

Das Gehäuse 5 enthält die beiden Elektrolyträume,The housing 5 contains the two electrolyte chambers,

Kathodenraum 12 und Anodenraum 13 mit der Anode 4, die sich durch ihre Größe wesentlich voneinanderCathode compartment 12 and anode compartment 13 with anode 4, which are significantly different from one another due to their size

ίο unterscheiden. Sie sind durch eine elektrolytisch gefüllte Kapillare 14 miteinander verbunden. Der Fühlerteil 15 des Gehäuses 5, der den Kathodenraum 12 umschließt, ist wesentlich kleiner als der Gehäuseteil 16, der den Anodenraum 13 umschließt. Zur Verringerung der Wärmeleitung werden der Fühlerteil 15 und der Gehäuseteil 16 durch einen Wärmeisolier-Stützring 6 weitgehend voneinander getrennt. Der Wärmeisolier-Stützring 6 stütz darüber hinaus die beiden Gehäuseteile auch gegeneinander ab. Der Fühlerteil 15 enthält nahe dem Kathodenraum 12 die elektrische Heizung 7. Die Kafhode 1 aus Golddraht ist axial im Kathodenraum 12, aber noch durch den Elektrolyten 3 davon getrennt, bis in die Nähe der Diffusionsmembran 2 geführt. Sie wird durch den Stützring 9, der den Elektrolyten 3 nicht teilt, gehalten.ίο differentiate. They are electrolytically filled Capillary 14 connected to one another. The sensor part 15 of the housing 5, which encloses the cathode space 12, is significantly smaller than the housing part 16 which encloses the anode space 13. To reduce the The sensor part 15 and the housing part 16 conduct heat through a heat insulating support ring 6 largely separated from each other. The heat insulating support ring 6 also supports the two housing parts also against each other. The sensor part 15 contains the electrical heater 7 near the cathode compartment 12 Kafhode 1 made of gold wire is axially in the cathode compartment 12, but still separated therefrom by the electrolyte 3 until led into the vicinity of the diffusion membrane 2. It is supported by the support ring 9, which does not divide the electrolyte 3, held.

Die Anode 4 ist aus Blei, der Elektrolyt 3 eine wäßrige Kalium- Hydroxid- Lösung.The anode 4 is made of lead, the electrolyte 3 is an aqueous potassium hydroxide solution.

Das Sieb 18 oberhalb der Anode 4, es kann auch eine grobe Membran sein, hält flockige Reaktionsprodukte im unteren Teil des Anodenraumes 13 zurück.The sieve 18 above the anode 4, which can also be a coarse membrane, holds fluffy reaction products in the lower part of the anode space 13 back.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Electrochemical measuring cell for the determination of gases in a gas mixture with a one-sided Housing closed by a gas-permeable membrane and with a heater to prevent it the water vapor condensation on the membrane, characterized in that the housing of the cell (5) in a small, the cathode (1) in a cathode chamber (12) filled with the electrolyte (3) containing the sensor part (15), the also carries the heater (7), and a much larger one, the anode (4) in the same way as the Housing part (16) containing electrolyte (3) filled anode space (13) is subdivided, the Cathode compartment (12) and the anode compartment (13) by a thin-walled one filled with the electrolyte (3) Capillary (i4) are interconnected.

2. transducer according to claim 1, characterized in that the sensor part (15) and the Housing part (16) by a heat insulating support ring (6) around the thin-walled capillary are largely thermally separated from each other.

3. transducer according to claim 1, and 2, characterized in that the diameter of the Capillary (14) is between 10 μm to 1.6 mm.

4. transducer according to claim 1 to 3, characterized in that a sieve or a coarse membrane (18) above the anode (4) divides the anode space (13).