DE3007904C2 - Vorrichtung zum Feststellen und Messen der Konzentration von in einem Fluid gelöstem gasförmigem Wasserstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Feststellen und Messen der Konzentration \on in einem Fluid gelöstem gasförmigem Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei wird die Wasserstoffkonzentration durch Messen eines elektrischen Stromes bestimmt, der durch eine elektrochemische Oxidation des gasförmigem Wasserstoffs an einer Meßelektrode erzeugt wird.

Eine bereits bekannte Vorrichtung dieser Art (CD-PS 10 54 223) soll im wesentlichen eine genaue Diagnose der unkorrekten Arbeitsweise eines Transformators, eines Stromunterbrechers, einer Reaktanz oder irgendeiner anderen elektrischen Einrichtung erstellen, bei der eine dielektrische Flüssigkeit als Isoliermittel dient-Bekanntermaßen verhält es sich nämlich so, daß im Falle einer Störung oder eines Versagens einer der vorgenannten Einrichtungen aufgrund einer zu hohen Arbeitstemperatur oder einer zu starken elektrischen Entladung eine Erzeugung von Wasserstoffgas in der Isolierflüssigkeit stattfindet. Die Vorrichtung gestattet die Festlegung eines Anstiegs des in der Isolierflüssigkeit gelösten Wasserstoffgases, wodurch eine sofortige Diagnose der unkorrekten Arbeitsweise der elektrischen Einrichtung ermöglicht wird. Wenn die unkorrekte Arbeitsweise rechtzeitig lokalisiert wird, können irreparable Beschädigungen der Einrichtung vermieden werden.

Bestandteil einer derartigen Vorrichtung ist u. a. ein Elektrolyt, der dazu im Stande ist, eine Oxidation des in der Isolierflüssigkeit vorhandenen Wasserstoffs an einer ersten Elektrode und eine Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases, wie etwa Luft, an einer zweiten Elektrode zu bewirken. Eine zwischen die Elektroden geschaltete Meßvorrichtung zum Messen des durch die elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs erzeugten elektrischen Stroms zeigt dabei die Konzentration des in dem Fluid gelösten Wasserstoffs an, die proportional dem elektrischen Strom ist. Zur Separierung des Elektrolyten von dem Isoliermittel ist eine polymere Membran vorgesehen, die zwar für Wasserstoffgas durchlässig ist, nicht jedoch für das Fluid.

Es hat sich gezeigt, daß die bisher bekannte Vorrichtung besonders unter extremen klimatischen Bedingungen oftmals zu Lecks neigt, aus denen dann der Elektrolyt entweicht. Als Folge davon wird die Vorrichtung funktionsunfähig, so daß sie an Ort und Stelle repariert werden oder zur Reparatur demontiert und durch eine korrektarbeitende Vorrichtung ersetzt werden muß. Auch treten gelegentlich Schaden an der Membran auf. die ebenfalls zu einem Ausfall der Vorrichtung führen, da sich dann das Isoliermittel und der Elektrolyt ungehindert vermischen könnea

Eine Beseitigung derartiger Störungen durch eine Reparatur an Ort und Stelle hat sich als außerordentlich umständlich erwiesen. Zum Beispiel ist die Membran nur zugänglich, wenn annähernd die gesamte Vorrichtung zerlegt wird, die später mit sehr großer Sorgfalt wieder zusammengesetzt werden muß, obwohl sie im Prinzip voll funktionsfähig und nur die Membran beschädigt ist Ähnliches gilt für die Beseitigung eines Lecks, aus dem der Elektrolyt entweicht Die Lokalisierung der eigentlichen Leckstelle bereitet oftmals Schwierigkeiten mit der Folge, daß eine Reparatur an Ort und Stelle nicht immer im ersten Anlauf gelingt Auch das Nachfüllen des Elektrolyten gestaltet sich umständlich und mühevoll. Selbst wenn die Vorrichtung einwandfrei arbeitet, muß der Elektrolyt gelegentlich ausgetauscht werden, was wiederum eine Teildemontage der gesamten Vorrichtung bedingt

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die weniger anfällig gegen Störungen beispielsweise in Form von Lecks ist, bei der das Auswechseln von Teilen, beispielsweise der Membran, stark erleichtert wird und an der Warnings- und Routinearbeiten leichter durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also drei getrennte Baueinheiten auf, nämlich eine Basis, ein mit einem Hohlraum versehenes Gehäuse und eine Montageeinrichtung für die Elektroden. Die Basis und das Gehäuse werden an dem Behälter befestigt, der das Fluid enthält, dessen Wasserstoffgehalt erfaßt werden soll. Die Basis enthält einen durchgehenden Kanal und ist mit einem ähnlichen Kanal in dem Gehäuse verbunden. Zwischen der Basis und dem Gehäuse befindet sich die erforderliche polymere Membran. Durch Trennen des Gehäuses und der Basis voneinander wird somit ein leichter Zugriff zu der polymeren Membran geschaffen. Die Elektroden und der Elektrolyt sind in einer Montageeinheit vorgesehen, welche entfernbar in das Gehäuse einsetzbar ist. Somit kann sie unabhängig von anderen Teilen für Wartungszwecke entfernt werden, ohne daß die polymere Membran dabei beeinträchtigt wird. Diese Montageeinheit enthält einen eimerförmigen Behälter, dessen Oberseite durch einen Deckel verschließbar ist. Drei einzelne Halterungselemente sind in den Behälter eingesetzt, wobei alle diese Elemente eine durchgehende zentrale Öffnung aufweisen. Eine erste Elektrode ist zwischen ersten und zweiten Halterungselementen montiert, und eine zweite Elektrode ist zwischen zweiten und dritten Halterungselementen montiert derart, daß die beiden Elektroden einen Zwischenraum in dem mittigen Kanal bilden. Dieser Zwischenraum ist mit Elektrolyt gefüllt, und ein Ende des Zwischenraums befindet sich in Fluidverbindung mit der polymeren Membran, während das andere Ende in Verbindung mit einem sauerstoffhaltigen Gas steht. Somit führt der Durchgang von Wasserstoff durch die polymere Membran zu einer Oxidation des Wasserstoffs an der ersten Elektrode und einer Reduktion von Sauerstoff an der zweiten Elektrode, wodurch dazwischen ein Signal erzeugt wird, welches die Wasserstoffkonzentration in dem Fluid anzeigt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie-

len im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor. Es zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung von Fig. 1,

F i g. 3 ein schematisches Diagramm einer in Verbindung mit der Vorrichtung von F i g. 1 und 2 verwendbaren elektrischen Schaltung,

Fig.4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform und

Fig.5 eine Schnittansicht der in Fig.4 gezeigten Vorrichtung, wobei diese sich in einer thermostatgesteuerten Umhüllung befindet.

Die nachfolgend näher beschriebene Vorrichtung ist dazu vorgesehen, in einer öffnung einer Wand eines ein Fluid enthaltenden Behälters befestigt zu werden und enthält folgende Teile:

eine in der öffnung der Behälterwand befestigbare Basis, die mit einem mittigen Durchgangskanal versehen ist, durch den das Fluid hindurchgelangen kann; ein eimerförmiges Hohlgehäuse, durch dessen Boden sich eine öffnung erstreckt, wobei das Gehäuse in solcher Weise fest auf der Basis angebracht ist, daß der mittige Kanal der Basis der Öffnung des Gehäuses zugewandt ist, und wobei die polymere Membran zwischen dem mittigen Kanal der Basis und der öffnung des Gehäuses zwischengeschaltet und gehalten ist; und eine Einheit zur Montage der Elektroden und des Elektrolyten, die in das Gehäuse eingesetzt und in diesem befestigt wird.

Die Montageeinheit weist folgende Teile auf: einen hohlen, eimerförmigen Behälter, durch dessen Boden sich eine kleine Öffnung erstreckt, wobei der Behälter so geformt ist, daß er in das Hohlgehäuse einsetzbar ist;

einen Deckel, durch den sich eine kleine mittige öffnung erstreckt und der so ausgebildet ist, daß er an dem Behälter befestigt werden kann;

Ein erstes eimerförmiges Halterungselement, durch dessen Boden sich eine kleine öffnung erstreckt und welches so geformt ist, daß es in den Behälter einsetzbar ist;

ein zweites deckeiförmiges Halterungselement, durch welches sich eine kleine mittige öffnung erstreckt und welches dazu dient, das erste Halterungselement dicht zu verschließen; und

ein drittes Halterungselement mit einem mittigen Kanal, welches so geformt ist, daß es in das erste Halterungselement einsetzbar ist und in diesem aufgrund des zweiten Halterungselements gehalten wird.

Der Behälter, der Deckel und das erste, zweite und dritte Halterungselement sind in solcher Weise positioniert daß ihre jeweiligen öffnungen und mittigen Kanäle miteinander ausgerichtet sind.

Die erste Elektrode wird eingesetzt und gehalten zwischen dem Boden des ersten eimerförmigen Halterungselements und dem dritten Halterungselement, und zwar in einer sich quer über den mittigen Kanal dieses dritten Halterungselements erstreckenden Lage. Die zweite Elektrode wird eingesetzt und gehalten zwischen dem dritten Halterungselement und dem zweiten deckeiförmigen Halterungselement, und zwar in einer sich quer über die kleine Öffnung dieses zweiten Halterungselements erstreckenden Lage. Der Elektrolyt ist innerhalb des mittigen Kanals des dritten Halterungselements enthalten.
Nach dem Einsetzen der Elektroden werden das erste, das zweite und das dritte Halterungselement in den Behälter eingesetzt und werden dort in abdichtender Weise dadurch fest zusammengehalten, daß der Deckel auf dem Behälter befestigt wird und der Behälter zusammen mit dem Deckel in das Hohlgehäuse eingesetzt und dort befestigt wird.

Die Vorrichtung enthält somit eine Elektroden-Montageeinheit mit einer ersten dicht verschlossenen Umhüllung, die in einer zweiten dicht verschlossenen Umhüllung untergebracht ist. Diese Montageeinheit bildet eine erste Baueinheit, die innerhalb des Hohlgehäuses befestigt werden kann, welches eine zweite Baueinheit bildet. Dieses Hohlgehäuse wird dann dichtend auf der Basis befestigt, die eine dritte Baueineheit bildet. Es ist einleuchtend, daß jede Baueinheit, wenn nötig, leicht entfernt und auseinandergenommen werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Thermistor zwischen den Behälter und den Deckel der Montageeinheit eingefügt. Dieser Thermistor ist mit einem für viele Funktionen vorgesehenen Umsetzer verbunden, der zwischen der Meßvorrichtung und den Elektroden angeordnet ist. Dieser Umsetzer gestattet eine Kompensierung der Änderungen des zwischen den Elektroden erzeugten Stroms entsprechend den Temperaturschwankungen der Vorrichtung, wie sie von dem Thermistor gemessen werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung in einer isolierten, thermostat-gesteuerten und dichten Umhüllung angeordnet.

Die beiden obigen bevorzugten Ausführungsformen sind besonders vorteilhaft, da sie eine korrekte Interpretation der von der Meßvorrichtung abgegebenen Daten unabhängig von den klimatischen Bedingungen gestatten.

Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche Teile bezeichnen. Die in F i g. 1 und 2 gezeigte Vorrichtung 1 wird dazu verwendet, die Konzentration von gasförmigem Wasserstoff festzustellen und zu messen, der in einem Fluid F gelöst ist, welches sich in einem Aufnahmebehälter mit einer Wand Pbefindet, wobei die Vorrichtung eine Öffnung O aufweist, um das Fluid F in Kontakt mit der Meßvorrichtung zu bringen.

Die Grundelemente der Meßvorrichtung 1 sind eine polymere Membran 2, die für Wasserstoff durchlässig ist, eine Meßelektrode 3, an welcher die Oxidation des durch die Poren der polymeren Membran 2 hindurchdiffundierten Wasserstoffs stattfindet, eine Elektrode 4 in Kontakt mit einem sauerstoffhaltigen Gas, wie etwa Luft, an der die Reduktion des in diesem Gas enthaltenden Sauerstoffs stattfindet, und ein Elektrolyt 5, der sich in Kontakt mit beiden Elektroden 3 und 4 befindet und so ausgewählt ist, daß die gewünschten Oxidations-Reduktions-Reaktionen an den beiden Elektroden ablaufen.

Es sei hier lediglich daran erinnert, daß die Elektroden 3 und 4 der Vorrichtung 1 mittels Leitungsdrähten 6 an eine (nicht gezeigte) Meßvorrichtung angeschlossen sind, die eine Messung der Stromstärke des durch die an den Elektroden stattfindende Oxidations-Reduktions-Reaktion erzeugten Stromes gestatten.

Eine Hauptverbesserung der Vorrichtung ist in der Struktur und der Anordnung ihrer verschiedenen Bestandteile zu sehen, die dazu dienen, die oben erwähnten Grundelemente in einer für den Betrieb geeigneten Beziehung zueinander zu halten.

Diese verschiedenen Bestandteile sind in drei getrennte Strukturen unterteilt, nämlich eine Basis 7, ein Hohlgehäuse 8 und eine Montageeinheit 9 für die Elektroden und den Elektrolyten.

Die Basis 7 und das Gehäuse 8 sind so ausgebildet, daß sie in der öffnung O, die in der Wand P des Aufnahmebehälters für das Fluid F vorgesehen ist, befestigt werden können, wodurch die ganze Vorrichtung gehalten wird und das Fluid F die polymere Membran 2 erreichen kann. Die Basis 7 weist zwei Abschnitte 10 und 11 auf, die vorzugsweise zylindrisch sind und sich koaxial zueinander erstrecken. Der Abschnitt 10 ist insbesondere dazu ausgebildet, in die in der Wand P vorgesehene öffnung eingeschraubt oder eingeschweißt zu werden. Die Basis 7 enthält einen mittigen Kanal 12, der sich durch ihre gesamte Länge erstreckt, so daß das Fluid F in Kontakt mit der polymeren Membran 2 kommen kann, die an der äußeren Oberfläche 13 des Abschnitts 11 anliegt und sich quer über den Kanal 12 erstreckt.

Um ein Austreten des Fluids F aus der Meßvorrichtung 1 zu verhindern, ist eine Dichtung 14 in Form eines O-Rings zwischen die Membran 2 und die äußere Oberfläche 13 des Abschnitts 11 der Basis eingesetzt. Diese Dichtung 14 kann in eine Nut 15 eingesetzt werden, die zu diesem Zweck in der Oberfläche 13 ausgebildet ist, wie in F i g. 2 gezeigt wird.

Das Hohlgehäuse 8 ist dazu bestimmt, in entfernbarer Weise auf der Basis 7 befestigt zu werden, und dient dazu, die Montageeinheit 9, welche zur Halterung der Elektroden und des Elektrolyten verwendet wird, zu schützen. Dieses Hohlgehäuse 8 hat die Form eines breiten Eimers und ist an seinem Boden 17 mit einer öffnung 16 versehen. Dieser Boden, der vorzugsweise kreisförmig ist und im wesentlichen dieselbe Flächenform wie die äußere Oberfläche 13 der Basis 7 aufweist, wird dazu benutzt, das Hohlgehäuse 8 in entfernbarer Weise auf der Basis 7 mitteis eines Satzes von Bolzen 18 zu befestigen, die entlang des Umfangs des Abschnitts 11 der Basis angeordnet sind. Die Bolzen erstrecken sich durch diesen Abschnitt 11 und sind in entsprechende Gewindelöcher eingeschraubt, die rings um die Bodenfläche 17 des Hohlgehäuses 8 angeordnet sind und sich in einer parallel zur Achse der Basis verlaufenden Richtung erstrecken.

Die in dem Boden des Hohlgehäuses 8 vorgesehene öffnung 16 ist so angeordnet, daß sie dem mittigen Kanal 12 der Basis zugewandt ist, wenn das Hohlgehäuse auf der Basis befestigt ist.

Das Hohlgehäuse 8 wird nicht nur zur Aufnahme der Montageeinheit 9 verwendet, sondern auch dazu, die polymere Membran 2 quer über dem mittigen Kanal 12 der Basis zu halten. Die polymere Membran 2 ist nämlich zwischen der äußeren Oberfläche 13 der Basis und dem Boden 17 des Hohlgehäuses eingesetzt und wird fest zwischen diesen Teilen in abdichtender Weise gehalten, wenn die Bolzen 18 angezogen werden. Die O-Ring-Dichtung 14 verhindert Lecks zwischen der Membran und der Oberfläche 13, wenn die Basis und das Hohlgehäuse zusammengeschraubt werden.

Ein Gitter 19 ist in einer Ausnehmung 20 angeordnet, die in dem Boden 17 des Hohlgehäuses 8 ausgebildet ist, und zwar unmittelbar hinter der Membran 2. Dieses Gitter 18 dient im wesentlichen dazu, die polymere Membran 2 zu verstärken und zu schützen, und zwar insbesondere gegen den Druck des Fluids F.

Um eine einfache Entnahme von Proben des Fluids F unmittelbar vor der polymeren Membran 2 zu Analysezwecken zu ermöglichen, kann ein Probenkollektor 21 an der Basis 7 vorgesehen werden. Dieser Kollektor 21 enthält ein drehbares Ventil 22, welches in eine Gewindeöffnung 23 eingesetzt ist, die mit dem mittigen Kanal 12 der Basis 7 in Verbindung steht, und zwar über einen kleinen Verbindungskanal 24. Dieser Kollektor gestattet vorteilhafterweise eine direkte Entnahme von Proben aus dem Fluid, ohne daß die Meßvorrichtung 1 deswegen auseinandergenommen werden müßte oder das Gerät geöffnet werden müßte, an welchem die Vorrichtung angebracht ist.

Wie oben erwähnt wurde, nimmt das Hohlgehäuse 8 die Einheit 9 auf, die zur Montage der Elektroden und zum Halten des Elektrolyten dient.

Diese Montageeinheit 9 enthält die nachfolgenden fünf Teile: einen eimerförmigen hohlen Behälter 25, der in das Hohlgehäuse 8 einsetzbar ist und eine sein Oberteil 27 durchsetzende kleine öffnung 26 aufweist;
einen Deckel 28 zum Abdecken des Behälters mit einer durch seine Mitte gehenden kleinen öffnung 29;
ein erstes eimerförmiges Halterungselement 30, welches in den Behälter 25 einsetzbar ist und eine seinen Boden 32 durchsetzende kleine öffnung 31 aufweist:
ein zweites eimerförmiges Halterungselement 33, welches eine seine Mitte durchsetzende kleine öffnung 34 aufweist und dazu dient, das erste Halterungselement 30 dicht zu verschließen; und

ein drittes Halterungselement 35, welches von einem mittigen Kanal 36 durchsetzt wird und so geformt ist, daß es in das erste Halterungselement 30 eingesetzt werden kann und aufgrund des zweiten Halterungselements 33 darin gehalten wird.

Wie in F i g. 2 zu sehen ist, dienen das erste, zweite und dritte Halterungselement 30, 33 und 35 dazu, die Elektroden 3 und 4 und den Elektrolyten 5 zu halten. Andererseits dienen der Behälter 25 und der Deckel 28 dazu, die drei Halterungselemente 30, 33 und 35 fest zusammenzuhalten und die Montage der Einheit innerhalb des Hohlgehäuses 8 in solcher Weise zu ermöglichen, daß die kleinen öffnungen 26, 29, 31 und 34 und der mittige Kanal 36 der fünf Teile der Montageeinheit 9 miteinander ausgerichtet sind und zusammen einen Kanal bilden, der sich an seinem einen Ende in die Atmosphäre öffnet und an seinem anderen Ende in die öffnung 19, welche in dem Boden des Hohlgehäuses 8 vorgesehen ist

Wie man ferner in F i g. 2 sieht, ist die Elektrode 3 zwischen den Boden 32 des ersten Halterungselements 30 und das dritte Halterungselement 35 eingesetzt und wird dort gehalten, und zwar in einer sich quer über den mittigen Kanal 36 des dritten Halterungselements erstreckenden Lage. Die Oxidation des gasförmigen Wasserstoffs findet an der Elektrode 3 statt, nachdem der Wasserstoff durch die polymere Membran 2 hindurchdiffundiert ist und durch die öffnungen 16, 29 und 31 hindurchgelangt ist.

Die andere Elektrode 4 ist zwischen dem dritten Halterungselement 35 und dem zweiten Halterungselement 33 angeordnet und wird dort gehalten, wobei das Halterungselement 33 auch als Deckel für das erste Halterungselement 30 dient Diese Elektrode 4 erstreckt sich quer über die kleine öffnung 34 des zweiten Halterungselements 33 und ist somit in direktem Kontakt mit der Luft, und zwar über die kleine öffnung 26 in dem Boden 27 des Behälters 25.

Die Halterungselemente 30,33 und 35 befinden sich in ständigem Kontakt mit den Elektroden und dem Elektrolyten und müssen dementsprechend aus einem

Isoliermaterial bestehen, welches dem Elektrolyten gegenüber chemisch inaktiv und widerstandsfähig ist. Ein geeignetes Isoliermaterial für diese Halterungselemente ist z. B. Polypropylen.

Die Basis 7, das Hohlgehäuse 8, der Behälter 25 und der Deckel 28 können aus einem Material hergestellt werden, welches zum Schutz der Vorrichtung genügend widerstandsfähig ist. Dieses Material kann z. B. Messing sein.

Wie oben gesagt wurde, werden das erste, zweite und dritte Halterungselement 30,33 und 35 in abdichtender Weise fest zusammengehalten. Diese Dichtigkeit wird nicht nur aufgrund der besonderen Form des ersten Halterungselements 30, sondern auch durch die O-Ring-Dichtung 37 erhalten, die zwischen der oberen Randfläche des ersten Halterungselements 30 und der Bodenfläche des zweiten Halterungselements 33 in Kontakt mit dem ersten Halterungselement angeordnet ist.

Das erste, zweite und dritte Halterungselement 30,33 und 35 werden alle zusammen in den Behälter 25 in solcher Weise eingesetzt, daß das zweite Halterungselement 33 sich in Kontakt mit dem Boden 27 dieses Behälters befindet Die Halterungselemente 30, 33 und 35 werden durch Befestigung des Deckels 28 auf dem Behälter 25 fest innerhalb dieses Behälters gehalten.

Der Deckel 28 wird mittels Bolzen 38 an dem Behälter befestigt Diese Bolzen sind entlang des Deckelumfangs angeordnet und erstrecken sich durch den Deckel in einer Richtung parallel zur Achse der kleinen öffnung 29 und sind in entsprechende Gewindelöcher eingeschraubt, die zu diesem Zweck in dem oberen Rand der Seitenwände des Behälters 25 vorgesehen sind.

Die Montageeinheit 9 bestehend aus dem ersten, zweiten und dritten Halterungselement 30, 33 und 35, die fest zwischen dem Behälter 25 und dem Deckel 28 eingeschlossen sind, wird in das Hohlgehäuse 8 derart eingesetzt und darin befestigt daß die Oberfläche des Deckels 28 sich in Kontakt mit der Oberfläche des Bodens 17 des Gehäuses befindet

Um dieses Einsetzen zu ermöglichen, sind der Behälter 25 und sein Deckel 28 so geformt daß eine Oberfläche entsteht die gleich oder geringfügig kleiner ist als die innere Fläche des Hohlgehäuses 8.

Die Montageeinheit 9 kann in dem Hohlgehäuse 8 in irgendeiner üblichen Weise befestigt werden. Wenn jedoch der Behälter und das Hohlgehäuse zylindrisch sind, wird vorzugsweise ein Gewinde 39 auf den Innenbzw. Außenwänden des Hohlgehäuses bzw. des Behälters verwendet Die Montageeinheit 9 kann somit in das Hohlgehäuse 8 eingeschraubt werden, bis der Decke! 28 iv. Kontakt mit der Innenfläche des Bodens 17 des Gehäuses gelangt Um das Einschrauben zu erleichtern, können weggeschnittene Abschnitte 40 und 41 an den jeweiligen Oberflächen des Hohlgehäuses 8 und des Behälters 25 vorgesehen werden, um die Verwendung eines Schraubenschlüssels zu gestatten.

Um eine ausreichende Dichtigkeit zwischen der Montageeinheit 9 und dem Boden des Hohlgehäuses 8 sicherzustellen, ist eine O-Ring-Dichtung 43 in dem Boden des Hohlgehäuses 8 angeordnet Diese Dichtung kann in einer Nut 44 gehalten werden, die in der inneren Fläche des Bodens 17 des Hohlgehäuses ausgebildet ist

Ein wesentlicher Vorteil der oben beschriebenen Meßvorrichtung 1 besteht darin, daß die Basis 7, das Hohlgehäuse 8 und die Montageeinheit 9 leicht voneinander getrennt werden können, ohne daß die gesamte Vorrichtung auseinandergenommen werden muß, was besonders dann wertvoll ist, wenn nur ein Element der Vorrichtung geprüft oder repariert werden soll und man die anderen Elemente nicht vollständig auseinandernehmen möchte.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung 1 besteht darin, daß die Montageeinheit eine erste fest abgedichtete Umhüllung enthält, die aus dem ersten, zweiten und dritten Halterungselement besteht, und daß diese Umhüllung von einer zweiten fest abgedichteten Umhüllung eingeschlossen wird, die von dem Behälter und dessen Deckel gebildet wird. Diese besondere Anordnung, die aufgrund der Eimerform des ersten Halterungselements 30 und des Behälters 25 erhalten wird, setzt die Leckgefahr beträchtlich herab.

Um die Wartung der Meßvorrichtung zu erleichtern, ist ein Stopfen 45 in der Seitenwand des ersten Halterungselements 30 angeordnet, um das Füllen des mittigen Kanals 36 des dritten Halterungselements 35 mit Elektrolyt über einen seitlichen Kanal 46 zu ermöglichen, der zu diesem Zweck in dem dritten Halterungselement vorgesehen ist. Dieser Stopfen 45 enthält einen ersten Abschnitt 47, der mit einem Kanal 48 versehen ist um das Entweichen von Luft während des Einschraubens nach dem Füllen zu ermöglichen. Dieser Abschnitt 45 wird durch einen zweiten kappenförmigen durchbohrten Abschnitt 49 verschlossen, dessen Boden mit einer kleinen gasdurchlässigen Membran 50 versehen ist, die zum Verschließen des Kanals 48 dient

Der Stopfen 47 ist leicht zugänglich, ohne die Montageeinheit 9 auseinandernehmen zu müssen, und zwar aufgrund einer Ausnehmung 51, die in der Seitenwand des Behälters 25 ausgebildet ist, in welchem das erste, zweite und dritte Halterungselement eingeschlossen sind. Diese Ausnehmung 51 ermöglicht es, den Stopfen leicht zu erreichen und so den Pegel des Elektrolyten zu überprüfen und eventuell den Kanal des dritten Halterungselements 35 aufzufüllen.

Wie oben bereits erwähnt wurde, werden die Elektroden 3 und 4 der Vorrichtung 1 mit Hilfe von zwei Leitungsdrähten 6 an ein Meßinstrument angeschlossen. Diese Leitungsdrähte 6 verlaufen in abgedichteter Weise durch die Wand des ersten Halterungselements 30 und treten aus der Montageeinheit 9 über eine Ausnehmung 52 in dem Behälter 25 aus. Diese Ausnehmung 52 öffnet sich in die kleine öffnung 26.

Die oben beschriebene verbesserte Meßvorrichtung arbeitet in ähnlicher Weise wie in dem kanadischen Patent 10 54 223 beschriebene Vorrichtung, die schon in der Beschreibungseinleitung erwähnt wurde. Jedoch kann diese verbesserte Vorrichtung 1 vorteilhafterweise durch eine elektrische Schaltung vervollständigt werden, die eine Steuerung ihrer Arbeitsweise gestattet und die Schwankungen der Umgebungstemperatur berücksichtigt durch die die gemessenen Daten wesentlich beeinträchtigt werden können.

Jeder geeignete Elektrolyt kann verwendet werden, solange er die elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs an der der polymeren Membran nächstliegenden Elektrode und die Reduktion von Sauerstoff an der anderen Elektrode ermöglicht Eine Anzahl von Elektrolyten sind zu diesem Zweck bekannt und enthalten Säuren wie Phosphorsäure, Schwefelsäure oder überchlorige Säure, alkalische Lösungen wie Kalium- und Natriumhydroxide oder auch einen Festkörperelektrolyten, der in einer Ionenaustauschermembran untergebracht ist.

Die elektronische Schaltung zum Steuern und Korrigieren wird in schematischer Weise in F i g. 3 gezeigt. Diese Schaltung enthält einen Thermistor 53, der in dem Hohlgehäuse 8 zwischen dem Behälter 25 und dem Deckel 28 der Montageeinheit 9 angeordnet ist, die in F i g. 2 gezeigt wird. Dieser Thermistor 53 ist an einen Verstärker 54 durch einen Leitungsdraht angeschlossen, der durch dieselbe Ausnehmung 52 läuft wie die Leitungsdrähte 6 der Elektroden 3 und 4. Der Verstärker 54 verstärkt das von dem Thermistor 53 erhaltene Signal und gibt das verstärkte Signal Et an einen Mehrfunktions-Wandler 55, der in Serie zwischen der von den beiden Elektroden 3 und 4 und dem Elektrolyten 5 gebildeten Zelle 56 und dem Meßinstrument 57 liegt.

Genauer gesagt ist der Mehrfunktions-Wandler 55 in Serie zwischen einem ersten Verstärker 58, der an die Zelle 56 zur Verstärkung des von dieser Zelle kommenden Signals angeschlossen ist, und einem zweiten Verstärker 59 angeordnet, der unmittelbar vor dem Meßinstrument 57 liegt. Der Mehrfunktions-Wandler 55 ist in geeigneter Weise geeicht, um das Signal Ec, welches von dem ersten Verstärker 58 abgegeben wird, so zu verarbeiten, daß Temperaturschwankungen der Vorrichtung 1, wie sie von dem Thermistor 53 gemessen werden, berücksichtigt werden.

Das Ausgangssignal Es, welches dem hinter dem Mehrfunktions-Wandler 55 angeordneten zweiten Verstärker 59 zugeführt wird, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

E, = 4&

dabei ist m eine Konstante des Wandlers 55, die durch ein Potentiometer 60 einstellbar ist.

Das Signal E_c von der Zelle 56 entspricht der folgenden Gleichung:

E_c = k[C)e*

40

dabei sind k und B Konstanten der Zelle, C ist die Konzentration des in dem Fluid gelösten gasförmigen Wasserstoffs, und T ist die Temperatur der Zelle, ausgedrückt in Grad Kelvin.

Das Signal Et von dem Thermistor entspricht der folgenden Gleichung:

_T= jfe

B'/T

50

dabei sind k' und θ'Konstanten des Thermistors, und T ist die Temperatur der Zelle ausgedrückt in Grad Kelvin.

Durch geeignete Wahl der Konstanten m, die in der Gleichung für das Ausgangssignal £5 erscheint, also durch Einstellung des Potentiometers 60 ist es möglich, die in der Gleichung für das Signal Es erscheinenden Exponentialfaktoren zu eliminieren. Das Signal £5 wird somit unabhängig von der Temperatur und direkt proportional zur Konzentration des in dem Fluid gelösten gasförmigen Wasserstoffs.

Um eine Eichung des Mehrfunktions-Wandlers zu ermöglichen und den Betrieb der Vorrichtung 1 zu kontrollieren, kann ein Relais 61 zwischen der Zelle 56 und dem ersten Verstärker 58 vorgesehen werden. Wenn dieses Relais betätigt wird, führt es einen von einer Diode erzeugten konstanten Strom / während eines bestimmten Zeitintervalls zu der Zelle. Die Einführung dieses Stroms in die Zelle ruft eine Elektrolyse des Wassers und eine Bildung von gasförmigem Wasserstoff hervor. Bei Abschaltung dieses Stroms / aktiviert dieser durch Elektrolyse erzeugte gasförmige Wasserstoff die Zelle 56 für ein paar Sekunden und ermöglicht es dem Benutzer zu überprüfen, ob die Vorrichtung 1 ordnungsgemäß arbeitet oder nicht. Wenn dies nicht der Fall ist, muß die Vorrichtung und insbesondere Die Anwesenheit des Elektrolyten zwischen den Elektroden geprüft werden. Die Schaltung kann auch zur Einjustierung des Wandlers verwendet werden. Zu diesem Zweck wird eine konstante Konzentration von gasförmigem Wasserstoff verwendet, und ein erstes Ausgangssignal £s° wird bei einer Temperatur T⁰ gemessen. Ein zweites Ausgangssignal E_s ^] wird dann bei einer von T⁰ verschiedenen Temperatur T¹ gemessen. Schließlich wird das Potentiometer so eingestellt, daß £s° gleich £s' ist, obwohl die Temperaturen T⁰ und T¹ unterschiedlich sind.

Es leuchtet somit ein, daß diese elektrische Schaltung besondere Vorteile bietet, da sie eine korrekte Interpretation der von dem Meßinstrument unter beliebigen klimatischen Bedingungen gelieferten Daten ermöglicht.

Die oben beschriebene Vorrichtung 1 bildet eine erste Ausführungsform der Erfindung. Es ist jedoch möglich, andere Ausführungsformen der Erfindung zu schaffen, wie etwa die in F i g. 4 gezeigte verbesserte Vorrichtung 101.

Aus Gründen der Einfachheit sind die verschiedenen in F i g. 4 gezeigten Elemente der Vorrichtung 101 mit denselben Bezugszeichen versehen wie die entsprechenden Elemente der oben beschriebenen Vorrichtung 1, außer daß die Bezugszeichen um 100 erhöht sind.

Ein Hauptunterschied zwischen der verbesserten Vorrichtung 101 und der oben beschriebenen Vorrichtung 1 besteht in der Art und Weise des Einsetzens und der Montage der Montageeinheit in dem Hohlgehäuse.

In der verbesserten Vorrichtung 101 werden das erste, zweite und dritte Halterungselement 130,133 und 135 in den Behälter 125 in solcher Weise eingesetzt, daß der Boden 132 des ersten eimerförmigen Halterungselements 130 sich in Kontakt mit dem Boden 127 des Behälters 125 befindet. Derartig zusammengebaut wird die Montageeinheit 109 in das Hohlgehäuse 108 in solcher Weise eingesetzt, daß der Boden des Behälters 127 in Kontakt mit dem Boden 137 des eimerförmigen Hohlgehäuses 108 gelangt Die Montageeinheit 109 wird abdichtend Fixiert gegen den Boden des Hohlgehäuses 108 mittels Bolzen 163, die durch den Umfangsbereich des Deckels 128 hindurchgehen, dessen Oberfläche gegen die obere Randfläche der Seitenwand des Hohlgehäuses 128 wirkt, wobei eine O-Ring-Dichtung 164 dazwischen angeordnet ist

Wie bei der Vorrichtung 1 ist das dritte Halterungselement 135 der Vorrichtung 101 mit einem seitlichen Kanal 146 versehen, um dessen mittigen Kanal mit Elektrolyt 105 füllen zu können.

Dieses Füllen wird durch einen Stopfen 145 erleichtert, der vorzugsweise in dem Deckel 128 der Montageeinheit 109 angeordnet ist Diese besondere Anordnung erlaubt das Füllen des seitlichen und des mittigen Kanals des dritten Halterungselements 135 über einen Kanal, der zu diesem Zweck in dem zweiten Halterungselement 133 vorgesehen ist, ohne daß dazu die Vorrichtung 101 oder die Montageeinheit 109 auseinandergenommen werden muß. In diesem Fall ist

eine gasdurchlässige Membran 150 an der Oberfläche des zweiten Halterungselemeiits 133 angeordnet und wird mittels einer O-Ring-Dichtung 166 fest auf dieser gehalten.

Bei dieser zweiten Ausführungsform sei darauf hingewiesen, daß die Leitungsdrähte 106, die die Flektroden 103 und 104 mit dem Meßinstrument verbinden, abgedichtet aus dem ersten Halterungselement 130 austreten, und zwar aufgrund einer Dichtung 167, die in geeigneter Weise in der Seitenwand dieses ersten Halterungselements vorgesehen ist Zur Vervollständigung der Abdichtung werden Lamellen aus Platin als Leitungsdrähte verwendet, die leichter von der Dichtung 167 abgedichtet werden können.

Die verbesserte Vorrichtung 101 wird mit dem Abschnitt 110 ihrer Basis 107 in einer öffnung O fixiert, die zu diesem Zweck in der Wand eines Aufnahmebehälters vorgesehen ist, der das Fluid F enthält, in welchem die Konzentration von gelöstem gasförmigem Wasserstoff gemessen werden soll.

Um die Vorrichtung 101 vollständig autonom zu machen, kann diese in eine Umhüllung 168 gebracht werden, die thermisch isoliert und wasserdicht ist, wie F i g. 5 zeigt

Diese isolierte Umhüllung 168 ist dazu bestimmt, eine vollständige elektrische Schaltung aufzunehmen, mit der die von der Vorrichtung 101 kommenden Signale verarbeitet werden können. Diese elektronische Schaltung ist vorzugsweise auf mehreren Platten 169,171,173 und 175 angeordnet, die parallel zueinander in bestimmten Abständen von Haltern 170, 172 und 174 gehalten werden. Die erste Platte 169 ist auf der Vorrichtung 101 durch einen Satz von Bolzen 176 befestigt Natürlich können auch andere Befestigungsarten verwendet werden. Jedoch ist das in F i g. 4 gezeigte Montagesystem besonders vorteilhaft, da es ein Auseinandernehmen der elektronischen Schaltung und der Montageeinheit in einem einzigen Arbeitsgang gestattet, wobei lediglich die Bolzen losgeschraubt werden.

Die erste Platte 169 dient als Träger für die zweite Platte 171, auf der eine Kontroll- und Korrigierschaltung 177 befestigt ist, die ähnlich der Schaltung ist, die schematisch in F i g. 3 gezeigt wird. Die dritte Platte 173 ist auf der zweiten Platte 171 durch die Halter 172 befestigt und dient dazu, ein mit einem Thermistor ausgerüstetes Heizsystem zu tragen, um die auf der zweiten Platte montierte elektrische Schaltung auf einer konstanten Temperatur zu halten. Die dritte Platte dient auch dazu, die Stromversorgungsstufe 179 der elektrischen Schaltung zu tragen.

Die vierte Platte 175, die an der dritten Platte durch Halter 174 befestigt ist dient dazu, die Kontakte zu tragen, die zum Betrieb der Vorrichtung 101 von außerhalb der Umhüllung 168 erforderlich sind. Wie ohne weiteres einleuchtet, sind sechs Kontakte wie folgt vorhanden: zwei Ausgangsleitungen zur Übermittlung der gemessenen Signale, zwei Eingangsleitungen zum Ermöglichen der Überprüfung und Eichung der Schaltung und zwei Leitungen für die Wechselstromversorgung der Schaltung.

Mit der Erfindung wird somit eine verbesserte Vorrichtung zum Erfassen und Messen der Konzentration von in einem Fluid gelöstem gasförmigem Wasserstoff geschaffen. Eine polymere Membran befindet sich in Kontakt mit dem Fluid und ist für das Wasserstoffgas durchlässig. Ein Elektrolyt ist vorgesehen, der dazu imstande ist, eine Oxidation des durch die Membran hindurchdiffundierten Wasserstoffs an einer ersten Elektrode und eine Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases wie Luft an einer zweiten Elektrode hervorzurufen. Durch Anschließen einer Meßeinrichtung an die Elektroden wird die Stärke des durch die elektrochemische Reaktion, nämlich die Oxidation des Wasserstoffgases, erzeugten Stromes gemessen. Die Elektroden und der Elektrolyt sind in einer Elektrodenmontageeinheit untergebracht, die eine erste fest abgedichtete Umhüllung eingeschlossen in eine zweite fest abgedichtete Umhüllung aufweist. Die Montageeinheit ist in abdichtender Weise in einem Hohlgehäuse montiert. Dieses Gehäuse ist an einer Basis befestigt, über deren eines äußere Ende sich die polymere Membran erstreckt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Feststellen und Messen der Konzentration von in einem Fluid gelöstem gasförmigem Wasserstoff und zur Erzeugung eines die Konzentration anzeigenden elektrischen Signals, die Ober eine Basis mit einem mittigen Kanal mit einem das Fluid enthakenden Aufnahmebehälter verbindbar und mit Hilfe von Montagemitteln zur abdichtenden Befestigung der Basis in einer öffnung der Behälterwand anbringbar ist und die eine polymere, den mittigen Kanal überdeckende, den Durchtritt des Fluids hindernde, jedoch den Durchtritt des Wasserstoffgases gestattende Membrane sowie eine erste und zweite Elektrode mit einer Elektrodenmontageeinheit zum Montieren der Elektroden und Bilden eines Zwischenraumes zwischen denselben enthält, mindestens in welchem sich ein Elektrolyt befindet, der eine Oxidation des Wasserstoffgases an der ersten Elektrode und eine Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases an der zweiten Elektrode zu bewirken vermag, gekennzeichnet durch ein eimerförmiges Hohlgehäuse (8) mit einer öffnung (16) in dessen Boden (17) sowie Montagemitteln (14, 18) zum abdichtenden Montieren des Gehäuses (8) auf der Basis (7) derart, daß die Membrane (2) zwischen dem Gehäuse (8) und der Basis (7) angeordnet ist, ferner durch die herausnehmbare Anordnung einschließlich Befestigungsmittel der Elektrodenmontageeinheit (9) innerhalb des Hohlgehäuses (8) derart, daß die erste Elektrode (3) in der Nähe der Öffnung (16) liegt, und dadurch, daß die Elektrodenmontageeinheit enthält: einen hohlen eimerförmigen Behälter (25), der in das Hohlgehäuse (8) einsetzbar ist und einen Boden (27) mit einer öffnung (26) aufweist;
einen mit einer öffnung (29) versehenen entfernbaren Deckel (28) zum Verschließen des Behälters (25); ein eimerförmiges erstes Halterungselement (30), welches in den Behälter (2S) einsetzbar ist und einen mit einer öffnung (31) versehenen Boden (32) aufweist;

ein deckeiförmiges zweites Halterungselement (33), welches in den Behälter (25) einsetzbar ist und eine öffnung (34) aufweist und dazu vorgesehen ist, das erste Halterungselement (30) dicht zu verschließen; ein drittes Halterungselement (35), welches in das erste Halterungselement (30) einsetzbar ist und von dem zweiten Halterungselement (33) gehalten wird und einen mittigen Kanal (36) aufweist; Mittel (38) zum entfernbaren Montieren des Deckels (28) auf dem Behälter (25);

und weiterhin dadurch, daß die erste Elektrode (3) entfernbar zwischen dem ersten und dritten Halterungselement (30,35) und die zweite Elektrode (4) entfernbar zwischen dem zweiten und dritten Halterungselement (33, 35) montiert ist und die Öffnungen (29, 31) in dem Deckel (28) und dem ersten Halterungselement (30), der mittige Kanal f36) in dem dritten Halterungselement (35) und die Öffnungen (34, 26) in dem zweiten Halterungselement (33) und dem Behälter (25) einen zentralen, in der Elektrodenmontageeinheit (9) befindlichen und an seinem Ende nahe der Öffnung (16) in dem Hohlgehäuse (8) sich öffnenden Kanal bilden, daß die Behälteröffnung (26) in gasförmiger Kommunikation mit dem sauerstoffhaltigen Gas steht und der Deckel (28), der Behälter (25) und die Mittel zum entfernbaren Montieren des Deckels (28) auf dem Behälter (25) so zusammenwirken, daß sie die Halterungselemente (30,33,35) und die Elektroden (3, 4) zwischen dem Deckel (28) und dem Behälter (25) sandwichartig zusammenhalten, und daß der Zwischenraum zwischen den Elektroden (3, 4) von dem mittigen Kanal (36) in dem dritten Halterungselement (35) gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagemittel zum abdichtenden Montieren des Hohlgehäuses (8) an der Basis (7) aus mehreren Bolzen (18), aus Verstärkungsmitteln zum Verstärken der Membran (2) in Form eines Gitters (19), welches nahe der Membran (2) angeordnet ist und sich quer über den zentralen Kanal hinter der polymeren Membran (2) erstreckt, und aus einer ersten O-Ring-Dichtung (14) besteht, die zwischen der Basis (7) urd dem Hohlgehäuse (8) angeordnet ist, und daß die Befestigungsmittel zur herausnehmbaren Anordnung der Elektrodenmontageeinheit (9) in dem Hohlgehäuse (8) eine zweite O-Ring-Dichtung (43) aufweisen, die zwischen der Elektrodenmontageeinheit (9) und dem Boden (17) des Hohlgehäuses (8) angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Montagemittel zum entfernbaren Montieren des Deckels (28) auf dem Behälter (25) mehrere entlang des Umfangs des Deckels (28) angeordnete Bolzen (38) aufweist, von denen jeder sich in einer Richtung parallel zur Längsachse des zentralen Kanals in der Elektrodenmontageeinheit (9) erstreckt

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel zur herausnehmbaren Anordnung der Elektrodenmontageeinheit (9) in dem Hohlgehäuse (8) ein Gewinde auf einem äußeren Abschnitt der Elektrodenmontageeinheit (9) und ein Gewinde auf einem inneren Abschnitt des Hohlgehäuses (8) aufweisen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Halterungselement (35) der Elektrodenmontageeinheit (9) einen seitlichen Kanal (46) aufweist, der mit dem mittigen Kanal (36) kommuniziert, und daß das erste Halterungselement (30) eine öffnung in einer Wand des ersten Halterungselements (30) und einen Stöpsel (45) zum entfernbaren Verschließen der öffnung in der Wand des ersten Halterungselements (30) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des Behälters (125) der Elektrodenmontageeinheit (109) sich in Kontakt mit dem Boden des Hohlgehäuses (108) befindet und daß die Befestigungsmittel zur herausnehmbaren Anordnung der Elektrodenmontageeinheit (109) in dem Hohlgehäuse (108) Bolzen (163) aufweisen, die sich entlang des Umfangs des Deckels (128) erstrecken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Halterungselement (135) einen seitlichen Kanal (146) aufweist, der in Verbindung mit dem mittigen Kanal steht, und daß der Decke! (128) eine zweite öffnung und einen Stöpsel (145) zum entfernbaren Verschließen der zweiten Öffnung aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (7; 107) Mittel (21; 121) zur probeweisen Entnahme

des Fluids nahe der polymeren Membran aufweist

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß ein Thermistor (53; 153) zwischen dem Behälter (25; 125) und dem Deckel (28; 128) der Elektrodenmontageeinheit (9; 109) angeordnet ist und daß ein Mehrfunktionswandler (55) einschließlich eines Potentiometers (60) mit den Elektroden (3, 4; 103, 104) und dem Thermistor (53; 153) verbunden ist

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierte, thermisch geschützte Umhüllung (168) vorgesehen ist, die die Basis, das Hohlgehäuse und die Elektrodenmontageeinheit umschließt

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