DE3148611C2

DE3148611C2 - Wasserstoff-Fühler

Info

Publication number: DE3148611C2
Application number: DE3148611A
Authority: DE
Inventors: John Paul San Jose Calif. Neissel; John Prescott Sturtz; James Howard Terhune
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-09
Publication date: 1986-10-30
Also published as: FR2496890A1; SE8107135L; ES508096A0; IT8125294A0; CH655184A5; JPS57128841A; IT1195234B; DE3148611A1; GB2090050A; GB2090050B; KR830008171A; ES8303695A1; US4373375A; JPS635703B2

Abstract

Der Wasserstoff-Fühler (10) zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in einer Fluidatmosphäre besteht aus einer verschlossenen Kammer (15), die mit einem Fenster (18) versehen ist, welches die Diffusion von Wasserstoff in die Kammer selektiv gestattet. Alphateilchen aus einer Quelle (17), die in der Kammer (15) enthalten ist, ionisieren den Wasserstoff, und zwei polarisierte Elektroden (12, 13) sammeln die sich ergebenden Elektronen und liefern einen Strom, der eine Funktion der Wasserstoffkonzentration in der Kammer (15) ist. Ein zweites Fenster (21), das für Helium durchlässig ist, gestattet dem in der Kammer (15) durch die Kombination von Elektronen mit Alphateilchen gebildeten Helium aus der Kammer zu entweichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserstoff-Fühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere

cine Vorrieh; ung zum Bestimmen der Wasserstoffkon-/ciitration in einer Fluidatmosphäre. Für das Erkennen und Überwachen des Vorhandenseins von Wasserstoff giht es verschiedene Verwendungszwecke. Beispiele für das Erkennen von Wasserstoff in gasförmigen Atmo-Sphären sind Rauchdetektoren, Atmosphären inerten Kühlmittels in Transformatoren, in Motoren und Generatoren sowie Überwachungsgeräte für die Atmosphäre in der Sicherheitshülle von Kernreaktoren.

Ein Beispiel für das Erfassen von Wasserstoff in einer Flüssigkeit beinhaltet das Messen von Wasserstoff in dem flüssigen Natrium eines natriumgekühlten Kernreaktors als Mittel zum Erkennen einer Wasserleckage in das Natrium aus dem Natrium/Wasser-Wärmetauscher oder Dampferzeuger.

Eine Anzahl von Wasserstoffdetektoranordnungen ist bekaiint. Diffusionszellen, die auf der hohen Permeabilität von gewissen Materialien gegenüber Wasserstoff basieren, werden benutzt, um den Wasserstoff aus einer Atmosphäre zu konzentrieren und mit ihm einen druckempfindlichen Fühler zu beaufschlagen., wie beispielsweise ein Ionisationsmeßinstrument, einen Massenspektrographen, ein Penning-Meßinstrument oder dgl., um den Wasserstoffpartialdruck in dem Fühler zu messen. Eine weitere Lösung beinhaltet das Messen von Wasserstoffionen in einem nichtleitenden Fluid (z. B. pH-Meßinstrumente). Es sind weiter Vorrichtungen bekannt, bei denen elektrochemische Reaktionen benutzt werden, um eine Spannung zu erzeugen, die zu der Wasserstoffkonzentration proportional ist, wobei diese Vorrichtungen Brennstoffzellen analog sind.

Zu den druckschriftlichen Vorveröffentlichungen, die sich mit dem Erkennen von Gasen befassen, gehören folgende:

»Ionization Methods for the Analysis of Gases and Vapors«, J. E. Lovelock, Analytical Chemistry, Hand 33, Nr. 2, Februar 1961, S. 162-177. Dieser Aufsatz beschreibt verschiedene Aspekte von Ionisationstypen von Gr^detektoren.

Die US-PS 36 83 272 beschreibt eine Anordnung aus einer Diffusionsmembran und einer Ionenpumpe, die insbesondere zum Erkennen von Wasserstoff in flüssigem Natrium geeignet ist.

Die US-PS 38 66 460 beschreibt eine Vorrichtung, die eine WasserstoffdiffusionsmeTibran und eine Druck- oder Brennbarkeitsmeßeinrichtung enthält zum Erkennen von Wasserstoff in dem flüssigen Kühlmittel eines elektrischen Gerätes.

Die US-PS 39 27 555 beschreibt ein Palladiumlegierungsrohr, welches eine volumetrische Änderung in Abhängigkeit von de·· Wasserstoffkonzentration erfährt, der es ausgesetzt ist, ein linear veränderlicher Differentialtransformator erfaßt die Längenänderung des Rohres als eine Anzeige der Wasserstoffkonzentration.

Die US-PS 39 77 232 beschreibt eine Anordnung aus einer Diffusionsmembran und einer Ionenpumpe zum Messen der Konzentration von Wasserstoff in flüssigen und gasförmigen Umgebungen.

Die US-PS 28 66 329 beschreibt eine Anordnung, die den Druck von durch die Strahlung einer radioaktiven Quelle ionisierten Gasionen mißt, die durch eine selektiv für ein bestimmtes Gas (wie z. B. Wasserstoff) durchlässige Wand einer Meßkammer hineindiffundieren, wobei die radioaktive Quelle in Form einer radioaktiven Strahlung aussendenden Schicht auf einer Kammerinnenfläche aufgebracht ist. Dabei ist eine Vorspannung zur Beschleunigung der Gasionen vorgesehen, die

z. B. mit einem Thermopaar aufgefangen werden, um so den Gasdruck z. B. von Wasserstoff in einer die Kammer umgebenden Atmosphäre anzuzeigen. Diese Anordnung weist jedoch Mängel z. B. bezüglich der Beeinflussung des Thermopaars durch Temperaturschwankungen durch die radioaktive Strahlung und der Genauigkeit der Messung mit dem Thermopaar auf.

Trotz der zahlreichen bekannten Wasserstoffdetektoranordnungen bleibt ein Bedarf an einem Wasserstoff-Fühler, der eine genaue Messung gewährleistet, eine hohe Empfindlichkeit aufweist, schnell anspricht, in einem großen Temperaturbereich und in den vielfältigsten Umgebungen verwendbar ist, sowie Signale erzeugt, die mit üblichen elektronischen Schaltungen kompatibel sind, und der eine geringe Größe hat, wenig kostet und dabei einen einfachen und robusten Aufbau bei langer Lagerfähigkeit und langer Lebensdauer hat.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Wasserstoff-Fühler ausgehend von den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen.

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

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schafft eine hermetisch verschlossene Diffusionszelle mit einer eingebauten langlebigen Ionisationsquelle, die eine Alphateilchenquelle ist.

Weiter sieht die Erfindung ein Fenster vor. das Helium gestattet, aus der Zelle hinauszudiffundieren, um dadurch die Wasserstoffempfindlichkeit zu verbessern.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in einem zweiten Fenster, welches gestattet, daß aus der Kammer Helium entweichen kann, welches durch die Kombination von Elektronen mit Alphateüchen darin gebildet worden ist. Dieses zweite Fenster kann beispielsweise aus Quarz bestehen, der für Helium durchlässig ist. Dieses zweite Fenster gestattet somit dem Helium, aus der Kammer hinauszudiffundieren und zu entweichen, wodurch die relative Menge an Wasserstoff in der Kammer und damit die Wasserstoffempfindlichkeit der Kammer vergrößert wird.

Der Wasserstoff-Fühler hat die Form einer kompakten, verschlossenen Vakuumkammer oder -zelle mit einer Elektrodenanordnung, welche zwei Abstand aufweisende Elektroden bilden, die mit einer Spannungsquelle verbunden sind.

Ein Wasserstoff-Fenster, das eine Membran aufweist, die vorzugsweise aus einer Pd/Ag-Legierung gebildet ist, gestattet Wasserstoff, aus einer umgebenden Fluidatmosphäre in die Kammer zu diffundieren. Die eingebaute Alphateilchenquelle, wie beispielsweise eine Schicht aus einem Alphateüchen emittierenden Material auf der Anode, ionisiert den Wasserstoff in der Kammer, und die sich ergebenden Elektronen, die durch die Elektroden aufgefangen werden, liefern einen Stromfluß, der die Wasserstoffkonzentration anzeigt. Der Strom kann in einer Gleichstrombetriebsart oder in einer Betriebsart mit mittlerer quadratischer Spannung verarbeitet werden, wobei letztere einen besseren Rauschabstand und eine verbesserte Empfindlichkeit durch Unterdrückung von Leckströmen ergibt.

Vorzugsweise besteht die Wasserstoff-Fühler-Zelle nur aus anorganischem Material, um in Hochtemperaturumgebungen arbeiten zu können.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Grundform eines Wasserstoff-Fühlers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Wasserstoff-Fühler-Zelle,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines beheizten und isolierten Behälters zum Leiten eines Fluids neben einer Wasserstoff-Fühler-Zelle,

Fig. 4 schematisch die Fühlerzelle und ein Blockschaltbild von Schaltungen, die die Signale aus ihr empfangen,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung,

Fig. 6 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung und

Fig. 7 in Form einer typischen Ansprechkurve die Fühlersignalamplitude über der Wasserstoffkonzentration.

In der in Fig. 1 gezeigten grundlegenden Ausfühpjp.gsform enthält der Wasserstoff-Fühler 10 eine evakuierte und verschlossene Kammer 15, die einen Gasraum bildet und gegenseitigen Abstand aufweisende Elektroden enthält, nämlich eine Katode 13 und eine Anode 12, die durch eine Leitung 19 über ein Stromanzeigeinstrument 14 mit einer als eine Batterie 16 dargestellten Spannungsquelle verbunden ist. Die andere Klemme der Batterie 16 ist mit der Katode 13 durch eine Leitung 11 verbunden. Der Fühler 10 hat eine eingebaute Quelle von Alphateilchen emitierendem Material, die als eine Schicht oder ein Überzug 17 aus radioaktivem Material auf der Anode 12 dargestellt ist.

Die bevorzugte Alphateilchenquelle 17 ist Am-241, und zwar wegen seiner langen Halbwertszeit, wegen der relativ hohen Energie seiner Alphateilchen und wegen seiner guten Verfügbarkeit. Andere mögliche Alphaemitted sind Ac-227, Pu-238, Np-237, U-234 und Th-230. Der Emitterüberzug kann auf die Anode auf bekannte Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Anstreichen, Brennen, elektrolytische Abscheidung oder Abscheidung im Vakuum.

Um die Diffusion von Wasserstoff aus einer benachbarten Atmosphäre in den Fühler 10 zu gestatten, ist ein erstes Fenster 18 vorgesehen, das aus einer dünnen Membran aus einem Material besteht, welches eine hohe Permeabilität für Wasserstoff hat. Ein bevorzugtes Wasserstoffdiffusionsmembranenmaterial ist eine Palladiumlegierung, wie beispielsweise Palladium-Silber aus 75% Pd und 25% Ag, mit einer Dicke in der Größenordnung von 0.25 mm.

Der Wasserstoff diffundiert durch das Fenster 18 hindurch in die Kammer 15 des Fühlers 10 im Verhältnis zu der Wasserstjffkonzentration in der benachbarten Atmosphäre. Der Wasserstoff in der Kammer 15 wird durch die Alphateilchen ionisiert, die von der Schicht 17 aus radioaktivem Material emittiert werden. Die sich ergebenden Elektronen werden an der Anode 12 gesammelt, wodurch die Größe des Stromflusses in der Leitung 19 und dem Anzeigeinstrument 14 die Wasserstoffkonzentration in dem Fühler 10 und damit in der benachbarten Atmosphäre anzeigt.

Einige der Elektronen vereinigen sich mit den Alphateilchen und bilden Helium, wodurch unerwünschtermaßen ein Strom gebildet wird, der nicht in Beziehung zu der Wasserstoffkonzentration steht und somit bewirkt, daß die Fühlergenauigkeit bei der Wasserstoffnriessuna verringert wird. Zum Abschwächen dieser Situation ist ein zweites Fenster 21 vorgesehen, das aus einem Material besteht, wie beispielsweise Quarz, das für Helium, nicht aber für Wasserstoff, durchlässig ist, wodurch dem so gebildeten Helium gestattet wird, aus dem Fühler 10 zu entweichen. Durch diese Maßnahme wird die Genauigkeit des Fühlers gegenüber Wasserstoff vergrößert. ι

Eine bevorzugte Ausführungsform des Wasserstoff-J Fühlers 110 ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Ausführung*- , form wird unter anderem wegen ihrer Ähnlichkeit in den Materialien und im Aufbau sowie in ilen Veriirbeitungstechniken mit bekannten Neutronendetektoren, wie sie beispielsweise in den US-PS 30 43 954 und

ίο 37 60 183 beschrieben sind, bevorzugt. Ihre Fertigung kann also auf vorhandener und bewährter Technologie aufbauen.

Der Fühler 110 hat eine zylindrische Form, und ein evakuierter und verschlossener Gasraum 115 ist zwi- ' sehen einer zylindrischen Anode 112 und einem rohrförmigen Wasserstoff-Fenster 118 vorhanden. Da das Wasserstoff-Fenster 118 aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise einer Palladium-Silner-Legierung, besteht, dient es auch als Katode.

Die Anode 112 ist mit Enden kleineren Durchmessers versehen, die Keramiktragteile 26 und 27 aufnehmen, durch die die Anode 112 mit Abstand und elektrisch isoliert von dem Fenster 118 abgestützt wird. Die Anode 112 ist mit dem Innenleiter 119 eines Koaxialkabels 28 über ein Loch in dem Tragteil 27 verbunden.

Eine Schicht 117 aus Alphateilchen emittierendem Materal ist auf der Oberfläche großen Durchmessers der Anode 112 gebildet.

Ein Heliumfenster 121 besteht aus einem Quar/zylinder, der auf bekannte Weise mit zwei metallischen Tragringen 29 und 31 verkittet ist, wobei der Tragring ; 29 außerdem mit dem Wasserstoff-Fenster 118 verkittet ist. Ein metallischer Kabeladapter 32 ist mit dem Ring 31 und mit dem Außenleiter 111 des Koaxialkabels 28 verbunden, um das in der Darstellung in Fig. 2 rechte Ende der Baugruppe zu verschließen. Eine zylindrische metallische Hülse 34 ist zwischen den Kabeladapter 32 und den Tragring 29 geschaltet und stellt die elektrische Verbindung zwischen dem Außenleiter 111 des Koaxialkabeis 28 und dem Katode/Wasserstoff-Fenster 118 her. Die Hülse 34 ist mit Abstand von dem Heliumfenster 121 angeordnet, um einen Heliumgasraum 36 zu schaffen. Die Hülse 34 und das Tragteil 27 sind mit ebenen Flächen 37 versehen, um Heliumdurchlässe zwischen den Gasräumen 115 und 36 zu schaffen. Das Koaxialkabel 28 ist durch einen Verschlußisolator 25 verschlossen, der zwischen die Hülse 34 und eine metallische innere Hülse 35 geklebt ist, wobei die Hülse 35 mit dem Innenleiter 119 verkittet ist.

An seinem linken Ende ist der Fühler 110 du.Λ eine metallische Hülse 38 verschlossen, die mit dem Wasserstoff-Fenster 118 verbunden ist und ein Auspumpröhrchen 39 enthält, über das der Fühler 110 evakuiert und verschlossen wird. Eine becherförmige Eindkappe 41 ist auf die Hülse 38 aufgesetzt, um das Auspumpröhrchen 39 zu schützen. Das Auspumpröhrchen 39 kann einen : lose eingesetzten Keramikstopfen 42 enthalten, um das Volumen des inaktiven Gasraums in dem Auspumpröhrchen 39 zu verkleinern. Die Minimierung von sol-

(ß chen inaktiven oder Streugasräumen verbessert die Ansprechzeit des Fühlers.

Für einige Verwendungszwecke des Fühlers 110 ist es erwünscht, einen sehr dünnen Schutzüberzug 43 auf der Außenfläche des Wasserstoff-Fensters 118 vorzusehen, um ihn vor einer aggressiven Umgebung zu schützen und/oder die Fensteroberfläche gegenüber noch nichl ganz geklärten Oberflächeneffekten zu passivieren, die die Empfindlichkeit und die reproduzierbare Leistungs-

l'ähigkcit des Fühlers zu stören scheinen. Beispielsweise k;niM Tür die Verwendung in flüssigem Natrium das Wassersiofl'-Fens'er 118 durch einen dünnen Überzug aus Nickel geschützt werden, der durch elektrolytische Abscheidung oder auf andere bekannte Weise auf dessen übcrflüche aufgebracht wird. Weitere Passivierung*· ind Schutzüberzugsmaterialien sind Aluminiumoxid, rostfreier Stahl, Siliciumdioxid, Gold, Rhodium und Rhenium. Das Glühen des Wasserstoff-Fensters 118 kann für das Unterdrücken der kataly'hchen Ober- !!ächenreaktionen, die mit dem Wasserstoffdurchdringungsprozeß konkurrieren, ebenfalls vorteilhaft sein.

In einem repräsentativen Beispiel der Ausführungsform des in Fig. 2 gezeigten Fühlers 110 besteht die Anode 112 aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser υ von 5 mm und einer Länge von 25 mm. Die Alphateilchen emittierende Schicht 117 besteht aus Am-241 mit i'iniT nii-lci· von «tw:i 0.002 mm. Das Wasserstoff-Fenster 118 besteht aus einer Legierung aus 75% Pd und 25'Xi Ag, mit einem Innendurchmesser von 6 mm, einer Länge von 40 mm und einer Wanddicke von 0,25 mm. Der Schutz- und Passivierungsüberzug 43 besteht aus Ni mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 μΐη. Das Heliumfenster 121 besteht aus Ouarz mit einem Innendurchmesser von 6 mm, einer Wanddicke von 0,3 mm und einer Länge von 12 mm. Das Koaxialkabel 28 enthält eine mineralische Füllung als Isolation zwischen dem innenleiter 119 und dem Außenleiter 111, und sämtliche Teile des Fühlers 110 bestehen ebenfalls aus anorganischem Material, so daß der Fühler in Hochtemperaturumgebungen von wenigstens 500° C benutzt werden kann.

Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Oberflächeneffekten an dem Wasserstoff-Fenster ist festgestellt worden, daß die Empfindlichkeit des beschriebenen Fühlers gegenüber Wasserstoff in einem Gasgemisch eine Funktion von mehreren Variablen ist, zu denen der Gasdruck, der Gasdurchfluß und die Temperatur der Oberfläche des Wasserstoff-Fensters gehören. Eine Anordnung zum Steuern dieser Variablen, wie sie in -to Fig. 3 gezeigt ist, ist von Nutzen, wenn der Fühler zum Überwachen benutzt wird, beispielsweise des Wasserstoffgehalts der Gasatmosphäre in der Sicherheitshülle eines Kernreaktors.

In der Anordnung von Fig. 3 ist der Fühler 110 in einem vakuumdichten Behälter 46 enthalten, um zwischen ihnen einen Fluidraum 47 zu schaffen. Gas aus der zu überwachenden Atmosphäre wird in den Fluidraum 47 über ein Durchflußsteuerventil 48 in einem Einlaßkanal oder einer Einlaßleitung 49 eingelassen, so wobei das Ventil 48 durch eine geeignete Ventilsteuereinheit 51 gesteuert wird. Das Gas verläßt den Fluidraum 47 über einen Auslaßkanal oder eine Auslaßleitung 52, die mit einer Pumpe 53 verbunden ist.

Zum Steuern der Temperatur in dem Fluidraum 47 und damit der Temperatur des Wasserstoff-Fensters 118 ist eine Heizelcmentanordnung vorgesehen. Die Anordnung enthält eine elektrische Heizwendel 54, die um den Behälter 46 herumgelegt ist und mit Strom aus einer Heizelementsteuereinheit 56 versorgt wird, wobei die Temperatur in dem Fluidraum 47 z. B. durch ein Thermoelement 57 abgefühlt wird. Der Mantel 46 und die Heizwendel 54 sind in ein Gehäuse 58 aus geeignetem Wärmeisoliermaterial, ζ. Β. Glasfasern eingeschlossen.

Die Anordnung von Fig. 3 sorgt somit für eine Steuerung der Variablen, nämlich des Gasdruckes, der Temperatur und des Gasdurchflusses. Zum Überwachen der Umgebungsluft hinsichtlich eines anomalen Wasserstoffgehalts können diese Variablen gesteuert werden, beispielsweise auf folgende Weise: die Pumpe 53 wird so gewählt oder gesteuert, daß in dem Fluidraum 47 ein absoluter Druck bis zu etwa 93.33 kPa (70 cm Hg) aufgebaut wird, wobei 26,67 kPa (20 cm Hg) ein bevorzugter Wert ist. Die Temperatur wird in dem Bereich von etwa 200^Ü C bis 70ü^; C im wesentlichen konstant gehalten, wobei sich 250 C als eine praktische Betriebstemperatur erwiesen hat. Der Gasdurchfluß durch den Fluidraum 47, der durch das Ventil 48 gesteuert wird, kann ein konstanter oder ein gepulster Durchfluß sein, wobei letzterer bevorzugt wird, weil er eine bessere Wiederholbarkeit des Fühleransprechverhaltens ergibt. Das Ventil 48 steuert daher die Gaseinströmung über einem Bereich von beispielsweise 500 bis 2400 cm'. Für einen konstanten Durchfluß beträgt eine bevorzugte Durchflußrate etwa 1500 cm'. Für einen gepulsten Durchfluß wird das Ventil 48 periodisch betätigt, um abwechselnde Durchfluß- und Nichtdurchflußperioden zu schaffen oder (durch Schließen des Ventils 48) auf einen Unterdruck auszupumpen. Die Durchflußrate kann zusammen mit der Durchflußdauer variiert werden. Beispiele für Durchflußraten oder Durchflußmengen sind 500 cm³ für Perioden von 1 s und 2000 cm' für Perioden von 8 s.

In der elementaren Form, die in Fig. 1 dargestellt ist, ist das Ausgangssignal des Fühlers 10 ein Strom in dem Anzeigeinstrument 14, der eine Funktion der Wasserstoffkonzentration in dem Gasraum 15 ist. Das Anzeigeinstrument 14 kann daher so geeicht werden, daß es die Wasserstoffkonzentration anzeigt.

In einem praktischen System ist es üblicherweise ein praktisches Erfordernis, das Fühlerausgangssignal zu verstärken, und üblicherweise ist es erwünscht, das Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln, welches mit Verstärkungs-, Verarbeitungs-, Anzeige- und Aufzeichnungseinrichtungen kompatibel ist.

Das Verarbeiten des Signals aus dem Fühler 110 (Fig. 2) ist als Blockschaltbild in Fig. 4 gezeigt. Der Innenleiter 119 und der Außenleiter 111 des Ausgangskoaxialkabels 28 des Fühlers 110 sind mit zwei Eingangsklemmen 61 und 62 (wobei die Klemme 62 eine gemeinsame oder an Masse liegende Klemme ist) einer Sromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung 63 verbunden. (Ausführungsformen der Schaltung 63 sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt und weiter unten erläutert.)

Das aufbereitete Signal aus der Schaltung 63 wird über eine Klemme 64 an geeignete Anzeige- und/oder Aufzeichnungsvorrichtungen 66 angelegt. Geeignete Vorrichtungen dieser Art können unter einer Vielfalt bekannter Vorrichtungen ausgewählt werden, wie beispielsweise Digital- oder Analogvoltmeter für die Sichtanzeige, Streifen- oder Blattschreiber für die sichtbare Aufzeichnung und eine Digital- oder Analogaufzeichnung zur Speicherung.

Es sei angemerkt, daß das Signal aus dem Wasserstoff-Fühler typischerweise keine lineare Funktion der Wasserstoffkonzentration ist. Eine repräsentative Ansprechkurve, die die Fühlersignalamplitude über der Wasserstoffkonzentration darstellt, ist als Kurve 67 in Fig. 7 gezeigt. Eine solche Ansprech- oder Empfindlichkeitskurve kann erzeugt werden, indem der Fühler beispielsweise nacheinander mehreren Gasproben ausgesetzt wird, die unterschiedliche bekannte Wasserstoffkonzentrationen über dem interessierenden Bereich von Wasserstoffkonzentrationen enthalten. (Vorzugsweise ist die Gaszusammensetzung ansonsten

gleich derjenigen der Atmosphäre, in der der Fühler benutzt werden soll.) Die Fühlersignalamplitude für jede Konzentration wird gemessen, und aus diesen Signalen kann die Ansprechkurve durch mathematische oder graphische Interpolation auf bekannte Weise erzeugt werden, beispielsweise durch Auftragen der Ansprechpunlvie, wie der Punkte 68 (1) bis 68 (4) von Fig. 7, und hindurchlegen einer Kurve. Anhand einer solchen Ansprechkurve (oder des mathematischen Ausdrucks derselben) können die Anzeige- und Aufzeichnungsvorrichtungen 66 (Fig. 4) passend geeicht werden.

Weitere Ausführungsformen von Stromversorgungsund Signalaufbereitungsschaltungen (63 in Fig. 4) sind, wie oben erwähnt, in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Vor der Beschreibung dieser Schaltungen sei darauf hingewiesen, daß das Signal aus dem Fühler 110 sowohl Wechselstromals auch Gleichstromkomponenten enthält, und zwar wegen der willkürlichen Alphateilchenabstrahlung von der Schicht 117 und den daraus folgenden Wasser-Stoffionisationsereignissen. Die Wechselstromkomponente überdeckt ein Frequenzband mit einem Frequenzspektrum, das von null bis zum einem Halbwertspunkt, der durch die Ionensammelzeit des Fühlers bestimmt wird, im wesentlichen eben ist.

Da die Amplitude der Wechselstromkomponente (sowie die Amplitude der Gleichstromkomponente) eine Funktion der Wasserstoffkonzentration in der Fühlerkammer ist, kann die Wechselstromkomponente als Fühlerausgangssignal benutzt werden. Der Vorteil dieser Benutzung besteht darin, daß Leckströme und Signale aufgrund von Gammastrahlung unterdrückt werden.

Eine Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung 63', bei der die Wechselstromkomponente des Fühlersignals benutzt wird, ist in Fig. 5 gezeigt. Der Stromversorgungsteil ist als eine Batterie 71 dargestellt, die mit den Fühlerelektroden über einen Fühlerbelastungs- und -strombegrenzungswiderstand 72 und über Klemmen 61 und 62 verbunden ist. Ein Kondensator 73 überbrückt die Batterie 71 für das Wechselstromsignal. Die Wechselspannung, die an dem Widerstand 72 gebildet wird, wird über zwei Kopplungskondensatoren 74 (1) und 74 (2) an einen Differenzverstärker 76 (z. B. Fairchild UA749C) angelegt.

Das Signal aus dem Verstärker 76 wird an ein Bandpaßfilter 77 angelegt (z. B. das Modell Nr. K8777-B der T. T. Electronics Inc.), das so gewählt wird, daß es den gewünschten Teil des Fühlersignals durchläßt, aber Signale hoher und niedriger Frequenz unterdrückt. Ein Verstärker 78 empfängt das Ausgangssignal aus dem Bandpaßfilter 77, und sein Ausgangssignal wird an eine Signal-Quadrierschaltung 79 angelegt (z. B. das Modell Nr. 429B der Fa. Analogue Devices, Inc.). Das Ausgangssignal der Signal-Quadrierschaltung 79 wird an die Ausgangsklemme 64 über eine Mittelwertbildungs- oder Glättungs-ftC-Schaltung 81 angelegt, die einen Reihenwidersand 82 und eine Parallelschaltung aus einem Widersand 83 und einem Kondensator 84 enthält.

Die Signal-Quadrierschaltung 79 und die Mittelwertbildungsschaltung 81 liefern somit ein Ausgangssignal an der Klemme 64, welches dem mittleren Quadrat der Wechselstromkomponente des Fühlersignals angepaßt ist. Das Ausgangssignal an der Klemme 64 wird, wie oben erläutert, geeigneten Anzeige- und/oder Aufzeichnungsvorrichtungen zugeführt, die in Fig. 5 als ein Voltmeter 86 dargestellt sind.

Eine Stromversorgungs- und Signalaufbereitungsschaltung 63", td der die Gleichstromkomponente des Fühlersignals benutzt wird, ist in Fig. 6 dargestellt. In dieser Schaltung ist eine Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 76" mit der Klemme 61 verbunden und empfängt das Fühlerausgangssignal, während die andere Klemme des Differenzverstärkers 76' über eine Stromversorgung, die als eine Batterie 71' dargestellt ist, mit der gemeinsamen oder an Masse liegenden Eingangsklemme 62 verbunden ist. Das verstärkte Signal wird an eine Mittelwertbildungs- oder Olättungs-/?C-Schaltung 81' angelegt (die Widerstände 82' und 83' sowie einen Kondensator 84' enthält), um ein Schaltungsausgangssignal an die Klemme 64 abzugeben, das zu der Gleichstromkomponente des Fühlersignals proportional ist, gemittelt über eine Periode, die durch die Zeitkonstante der i?C-Schaltung 81' bestimmt wird. Ein passend geeichter Gleichspanriungsmesser 87 zeigt die Amplitude des Signals an der Klemme 64 an.

Signalverarbeitungsschaltungen, die den in den Fig. 4,5 und 6 dargestellten gleichen, sind in der US-PS 41 03 166 gezeigt und beschrieben, auf die bezüglich weiterer Einzelheiten verwiesen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserstoff-Fühler, der eine geschlossene, evakuierte Kammer aufweist mit einem selektiv für Wasserstoff durchlässigen Wandbereich, um Wasserstoff einer benachbarten Atmosphäre in die Kammer einzulassen, und mit einer darin vorgesehenen radioaktiven Quelle zum Ionisieren des Wasserstoffs, die aus einer auf eine Kammerwand angebrachten radioaktiven Schicht besteht, und eine Elektrodenanordnung mit einer Spannungsquelle aufweist und eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen einer Wasserstoffkonzentration in der benachbarten Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß der durchlassige Wandbereich als ein erstes Fenster (18; 118) in der Kammer (15; 115) ausgebildet ist; die radioaktive Quelle (17; 117) eine AlphateilchenqueHe ist; die Kammer ein zweites Fenster (21,121) aufweist, welches aus einem für Helium selektiv durchlässigen Material besteht und einen Auslaß für durch Kombination von Alphateilchen und Elektronen in der Kammer gebildetes Helium aus der Kammer bildet; und die Elektrodenanordnung zwei in gegenseitigem Abstand in der Kammer angeordnete Elektroden (12,13; 112; 118), die mit de* Spannungsquelle (16) verbunden sind, aufweist, um in der Kammer Elektronen zu sammeln, wobei der sich ergebende Elektronenstrom die Wasserstoffkonzentration in der Kammer anzeigt.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fenster (i4>; 118) aus einer Palladium-Silber-Legierung besteht.

3. Fühler nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenoberfläche des ersten Fensters (18; 118) mit einem Überzug aus einem Material, bei dem es sich um Nickel, rostfreien Stahl, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Gold, Rhodium oder Rhenium handelt, zum Schutz der Oberfläche des ersten Fensters versehen ist, wobei der Überzug aber ausreichend dünn ist, um die Diffusion von Wasserstoff durch das erste Fenster hindurch zu gestatten.

4. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Alphateilchenquelle aus der Gruppe Am-241, Ac-227, Pu-238, Np-237, U-234 und Th-230 ausgewählt und vorzugsweise eine Am-241-Quelle ist.

5. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen (54,56,57), die ihn innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs, der von 200° C bis 700° C reicht, halten.

6. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle seine Komponenten aus anorganischen Materialien bestehen, wodurch der Fühler (10; 110) in Hochtemperaturumgebungen verwendbar ist.

7. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen ihn umgebenden von einem Behälter (46) umschlossenen Fluidraum (47) und durch eine Einrichtung, bestehend aus einem Durchflußsteuerventil (48), einer Einlaßleitung (49), einer Auslaßleitung (52) und einer Pumpe (53), zum Hindurchleiten eines auf seinen Wasserstoffgehalt hin abzufühlenden Fluids durch den Behälter (46).

8. Fühler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen Mantel (58) aus Wärmeisoliermaterial um den Behälter (46) herum.

9. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Schaltung (63') zum Verarbeiten des sich ergebenden Elektronenstroms, mit einer Einrichtung (76), die nur die Wechselstromkomponente des Elektronenstroms an ein Bandpaßfilter (77) anlegt, welches Signale, deren Frequenz höher oder niedriger als ein gewünschtes Frequenzband ist, im wesentlichen unterdrückt.

10. Fühler nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Signalquadrierschaltung (79), die Signale aus dem Bandpaßfilter (77) empfängt, und durch eine Mittelwertbildungsschaltung (81), die zwischen die Quadrierschaltang (79) und eine Ausgangsklemme (64) geschaltet ist, wodurch das Signal an der Ausgangsklemme zu dem mittleren Quadrat der Wechselstromkomponente des Elektronenstroms proportional ist.

11. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Verstärkerschaltung (76') zum Empfangen und Verstärken des sich ergebenden Elektronenstroms und durch eine Mittelwertbildungs-RC-Schaltung (81'), die zwischen den Ausgang der Verstärkerschaltung und eine Ausgangsklemme (64) geschaltet ist, wodurch das Signal an der Ausgangsklemme (64) zu der Gleichstromkomponente des Wechselstroms proportional ist, gemittelt über einer Zeitspanne, die durch die Zeitkonstante der RC-Schaltung (81') bestimmt wird.

12. Fühler nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fenster ein erstes rohrförmiges Teil (118) aus einem elektrisch leitenden Material ist und das zweite Fenster ein rohrförmiges Teil (121) neben dem ersten rohrförmigen Teil (118) ist und mit diesem einen rohrförmigen Körper bildet; die eine Elektrode ein zylindrisches Teil (112) ist, das hierzu mit wenigstens einer elektrisch leitenden Oberfläche versehen ist_t die von dem ersten rohrförmigen Teil (118) der anderen Elektrode elektrisch isoliert und koaxial zu diesem angeordnet ist, um mit diesem die Kammer (115), die ringförmig ist, zum Empfangen von Wasserstoff aus einer Fluidatmosphäre zu bilden; in ein Ende des rohrförmigen Körpers ein Koaxialkabel (28) eingekittet ist, wobei der Innenleiter (119) des Koxialkabels (28) mit der elektrischleitenden Oberfläche des zylindrischen Teils (112) und der Außenleiter (111) des Koaxialkabels (28) mit dem ersten rohrförmigen Teil (118) elektrisch verbunden ist; eine Einrichtung (38) zum Verschließen des rohrförmigen Körpers vorgesehen ist; und eine Gasdurchlaßeinrichtung (37) vorgesehen ist, die eine Verbindung zwischen der Kammer (115) und der Innenoberfläche des zweiten rohrförmigen Teils (121) herstellt, zum Auslaß des Heliums aus der Kammer.

13. Fühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des zylindrischen Teils (112) mit einem Alphateilchen emittierenden Material überzogen ist, das die AlphateilchenqueHe (117) bildet.

14. Fühler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (38) zum Verschließen des anderen Endes des Körpers ein Auspumpröhrchen (39) zum Evakuieren des Körpers aufweist.