DE4036633C2

DE4036633C2 - Befeuchteter, hochempfindlicher Sauerstoffdetektor

Info

Publication number: DE4036633C2
Application number: DE4036633A
Authority: DE
Inventors: William N Mayer; Daniel W Mayer
Original assignee: Modern Controls Inc
Current assignee: Modern Controls Inc
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2010-11-17
Also published as: DE4036633A1; GB2238129B; US4973395A; JPH03172755A; GB2238129A; GB9018532D0; JPH0785070B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrich tung zum Wahrnehmen geringer Sauerstoffmengen, die in Gasen vorhanden sein können, wobei galvanische Zellen verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich insbeson dere auf einen Sauerstoffdetektor mit einer galvanischen Zelle, der in der Lage ist, winzige Sauerstoffmengen im Spurenbereich festzustellen, die mittels Vorrichtungen mit galvanischen Zellen gemäß dem Stand der Technik nicht wahrgenommen werden können.

In der US-PS 3 223 597 (Hersch) ist ein galvanischer Zellenaufbau beschrieben, der im wesentlichen folgende Bestandteile aufweist: eine chemisch reduzierende Anode, eine nicht-leitende dünne elektrolytaufnehmende Membran die in engem Kontakt mit zumindest einer Oberfläche der Anode steht, eine Kathode, die eine dünne poröse lei tende Schicht aufweist, welche ebenfalls in engem Kon takt mit der Oberfläche der Membran steht, jedoch auf der Seite der Membran, die der Kontaktfläche mit der An ode abgewandt ist, und ein wäßriges Elektrolyt, das in der porösen Membran enthalten ist. Die Poren der Kathode sind lediglich teilweise mit dem Elektrolyt gefüllt, welche mit mit dem Elektrolyt chemisch nicht reagiert; die Anode entwickelt keinen Wasserstoff, wenn sie an die Kathode geschlossen wird. Das Gesamtvolumen des Elektro lyts ist geringer als das vereinigte Gesamtporenvolumen der Kathode, der Membrane und der Anode, so daß le diglich ein kleiner Teil der Poren der Kathode befeuch tet wird, während der größte Teil der Poren der Kathode niemals gefüllt wird. Dieser Aufbau ergibt einen Elek trodenaufbau, bei dem lediglich die Oberfläche der Ka thode, die sich in engem Kontakt mit der Membran befin det, angefeuchtet ist, während die oberste Fläche und somit der Hauptteil der Poren der Kathode im wesentli chen trocken bleiben.

Aus der US-PS 4 085 024 ist ein Sauerstoffsensor bekannt, dessen Elektrodenanordnung einen schichtweisen Aufbau aufweist. Das Anodenelement besteht aus einer mittigen flachen Metallplatte, welche mit einer dünnen Schicht, die Elemente aus der Gruppe von Cadmium enthält, umgeben ist. Die Anodenschicht wird durch einen Nylonfaden auf der Metallplatte gehalten. Das Anodenelement ist mit ei ner porösen elektrolythaltigen Isolierschicht umwickelt, welche mit einem Kathodendraht befestigt ist. Um diese Anordnung ist noch eine Kathodenschicht gebunden, welche Elemente aus der Gruppe von Carbon enthält. Die gesamte Elektrode ist in eine sauerstofffreie Hülle eingebaut, welche teilweise mit Elektrolytlösung (KOH) gefüllt ist.

Die oben beschriebenen galvanischen Zellkonstruktionen sind in kritischer Weise abhängig von der Konzentration und der Menge des in der Zelle enthaltenen Elektrolyts. Des weiteren nimmt die Empfindlichkeit der Zellen mit der Zeit in dem Maß ab, wie der Wassergehalt des Elek trolyts aus den Zellen dissipiert. Bei sorgfältigem De sign und Konstruktionstechnik können in Testgasströmungsverhältnissen von 10-20 cm³/min für kurze Zeitdauer verläßliche Resultate in der Feststel lung von Sauerstoff in einem Bereich von 30×10^-9 erzielt werden. Dieses Maß an Genauigkeit ist jedoch schwierig zu erhalten, da die erforderliche Zeit für das Gleichge wicht oft länger ist als die Zeit, in der die Zelle sta bil bleibt.

Zusätzlich zu den Empfindlichkeitsschwankungen, die durch variierende Elektrolytkonzentrationen verursacht werden können, gibt es eine Anzahl von anderen Faktoren, die die Empfindlichkeit derartiger galvanischer Zellen reduzieren. Diese Veränderungen beeinflussen die Aus gangsspannung der galvanischen Zelle, die bei ideali sierten Bedingungen unmittelbar proportional nur zum Sauerstoffgehalt des zu untersuchenden Gases sein sollte. Beispielsweise führen Veränderungen in der Tem peratur der Vorrichtung an sich oder des zu untersuchen den Gases zu Ausgangsspannungsänderungen, die das ge wünschte Ausgangsspannungssignal verfälschen können. Des weiteren können elektrochemische Veränderungen in der Zelle, thermische EMFs, Ausgasungen aus den Wänden der Zelle und/oder des Materials in der Zelle sowie Gaspumpvorgänge durch die Wände der Zelle und/oder des Materials in den Zellen Ausgangsspannungsvariationen er zeugen, die als Rauschen aufgenommen werden und das Ab lesen der Ausgangsspannung verfälschen. Diese Quellen der Rauschspannung können in den Zellen Ströme im Be reich von 10^-8 amps/Grad Temperaturunterschied erzeugen. Daher haben die galvanischen Zellen des Stands der Tech nik praktisch eine untere Grenze beim Messen der Sauer stoffmengen, die in einem Testgas enthalten sind, welche annähernd der unteren Grenze durch den Rauschstrom ent spricht, der durch die Zelle selbst erzeugt wird.

Es besteht das Bedürfnis nach einem Sauerstoffsensor der galvanischen Zellen verwendet und zuverlässige und ge naue Messungen des Sauerstoffgehalts für ein Niveau weit unter 30×10^-9 ermöglicht. Des weiteren besteht ein Be dürfnis nach einem Sauerstoffsensor, dessen Empfindlich keit gegenüber Temperaturschwankungen eliminiert oder weitgehend reduziert werden kann, wodurch eine verläßli che Verwendung des Sensors über einen weiteren Bereich von Umgebungsbedingungen möglich wird. Schließlich be steht noch ein Bedürfnis nach einem Sauerstoffsensor, der eine verbesserte Empfindlichkeit über eine längere Lebensdauer aufweist und der weniger abhängig ist von den Elektrolytkonzentrationen im Sensor während seiner Lebensdauer.

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor vom Typ galvanische Zelle mit einem Paar galvanischer Zellen, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. In dem Gehäuse ist außerdem eine Testgasleitung mit einem was serdurchlässigen Abschnitt integriert. Die galvanischen Zellen sind elektrisch angeschlossen, um jeweilige Aus gangsspannungen bereitzustellen, die subtraktiv mitein ander gekoppelt sind, um Rauschsignale auszuschalten und um dadurch ein Ausgangssignal liefern, welches vollstän dig repräsentativ für den Sauerstoffgehalt in der Test gasströmung durch die Zellen ist. Das Innere der Zelle kann annähernd vollständig mit einer elektrolytischen Lösung gefüllt sein. Die Lebensdauer der Zelle wird durch Bereitstellen einer Elektrolytzuführung weit über den Elektrolytgehalt der bekannten Zellen verlängert.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Sauerstoffsensor mit hoher Empfindlichkeit und einer langen Lebensdauer zu schaffen, der durch Temperatur und andere Veränderungen in der Zelle entstandene Rauschsignale signifikant redu ziert und dadurch eine brauchbare dynamische Antwort im Vergleich zu den Sensoren nach dem Stand der Technik liefert, die eine Genauigkeit in der Wahrnehmung des Sauerstoffs erlauben, die um mehrere Größenordnungen un ter denen des Standes der Technik liegt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand beigefügter Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine galvanische Zelle bekannter Bauart;

Fig. 1B einen Querschnitt entlang der Linien 1-1 in Fig. 1A;

Fig. 2 eine Ansicht der Erfindung im Teilschnitt ent lang der Linie 2-2 in Fig. 3;

Fig. 3 eine Ansicht der Erfindung im Teilschnitt ent lang den Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 ein Verdrahtungsdiagramm der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 6 ein äquivalentes schematisches Diagramm der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7A eine Seitenansicht des Befeuchters der Erfin dung; und

Fig. 7B einen Querschnitt entlang der Linie 7B-7B in Fig. 7A.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Es wird bezug genommen auf die Fig. 1A und 1B. Darin ist eine galvanische Zelle bekannter Bauart in verschiedenen Ansichten dargestellt. Die galvanische Zelle 10 weist eine dichte Gasumhüllung 12 mit einem Einlaß 32 zur Ver bindung mit einer Testgasquelle und einen Auslaß 30 zum Ausblasen des Testgases aus der Zelle 10 auf. Die kon struktiven Details des Elements in der Zelle 10 können ähnlich dem Aufbau sein, wie er im US-PS 3 223 597, US-PS 4 085 024 oder anderen bekannten Vorrichtungen be schrieben ist.

Die inneren Zellkomponenten schließen vorzugsweise ein zentrales Anodenblatt 14 ein, das elektrisch an einen Anodendraht 26 angeschlossen ist, der aus der Zelle 10 herausführt. Das Anodenblatt 14 besitzt an jeder seiner flachen Oberfläche eine anliegende Anodenschicht 16 und außerhalb neben jeder der Anoden 16 je eine poröse Lage 18 sowie eine Kathodenlage 20 außerhalb jeder der po rösen Lagen 18. Der gesamte Aufbau kann mittels einer Nylonumwicklung 22 zusammengebunden sein, um eine dicht geschlossene Anordnung zu bilden. Um die porösen Lagen 18 ist ein Kathodendraht herumgewickelt, der in elektri schem Kontakt mit den äußeren Kathodenlagen 20 steht. Die Kathodendrahtumwicklung ist elektrisch mit einem Kathodendraht 24 verbunden, der aus der Zelle 10 heraus führt. Die poröse Lage 18 ist üblicherweise mit einem Elektrolyt imprägniert.

Die vorliegende Erfindung verwendet zwei galvanische Zellen im wesentlichen des Typs wie oben beschrieben, wobei der Aufbau nachfolgend näher erläutert wird. Die galvanischen Zellen werden nachfolgend als Zelle 10a und Zelle 10b bezeichnet.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Erfindung mit einem Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 3. Fig. 3 zeigt einen Aufriß der Erfindung in einem Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2. In einem Gehäuse 34 sind galvani sche Zellen 10a und 10b durch einen Einsatz oder Stopfen 36 abgedichtet angeordnet. Sie sind gegeneinander durch einen Abstandhalter 38 in Position gehalten, der auch die Zellen 10a und 10b in dem Gehäuse 34 in Lage hält. Das Innere des Gehäuses 34 kann teilweise mit einer Elektrolytlösung 40 gefüllt sein, die vorzugsweise 12,5 Gew.-% einer Kaliumhydroxidkösung (KOH) enthält. Es ist wünschenswert, nahezu das gesamte Innere des Gehäuses 34 mit dem Elektrolyt 40 zu füllen.

Ein Einlaß 42 kann mit einer Testgasquelle in Verbindung gebracht werden, und er ist mit einer Gasleitung 24 ver bunden, die durch die Außenwand 43 des Gehäuses 34 führt. Die Gasleitung 44 führt abgedichtet durch den Stopfen 36 hindurch und steht mit einem Gasbefeuchter 46 in Verbindung. Der Befeuchter 46 hat die Eigenschaft, daß er für Wasser durchlässig ist, jedoch im Inneren Kanäle durch das Rohr 47 hindurch aufweist, welche eine Sperre gegenüber der Kaliumhydroxidlösung darstellt. Das Rohr 47 ist ebenso gegen das Kaliumhydroxid chemisch re sistent.

Der Befeuchter 46 weist außerdem einen Sauerstoffänger auf, um jeglichen Spurenbetrag von Sauerstoff zu entfer nen, der sich innerhalb des abgedichteten Gehäuses 34, insbesondere in der KOH-Lösung ansammeln könnte. Ein für die Erfordernisse des Rohres 47 geeignetes Material ist Nafion. Der Name "Nafion" ist ein Warenzeichen der Firma E.I. Dupont de Nemours Company.

Der Ausgang des Befeuchters 46 ist mit der Leitung 48 verbunden, die wiederum mit einem Eingang 50 der galva nischen Zelle 10a in Verbindung steht. Die galvanische Zelle 10a besitzt einen Ausgang 52, der an eine weitere Leitung 54 außerhalb des abgedichteten Abschnitts des Gehäuses 34 angeschlossen ist. Die Leitung 54 führt ab gedichtet durch den Stopfen 36 und steht mit einem Ein laß 56 der galvanischen Zelle 10b in Verbindung. Die galvanische Zelle 10b besitzt einen Auslaß 58, der an eine Leitung 59 angeschlossen ist, die wiederum durch die Außenwand 53 und an eine Auslaßkupplung 60 ange schlossen ist, die für den Anschluß an einen Ableitungskreislauf angepaßt ist.

Der Befeuchter 46 ist in Fig. 7A und 7B im Detail darge stellt, wobei die Fig. 7B einen Querschnitt des Befeuch ters 46, entlang der Linien 7B-7B in Fig. 7A zeigt. Der Befeuchter 46 weist eine Lagenstruktur auf, welche durch ihren Aufbau eine galvanische Zelle bildet. Ein durch lässiges Rohr 47 ist entlang einer Anodenkante dieser galvanischen Zelle angeordnet. Die galvanische Zelle kann aus einer Vielzahl von Materialschichten aufgebaut sein, die gewissermaßen derjenigen aus US-PS 3 223 597 entspricht. Beispielsweise besteht die innere Anode aus zwei Materiallagen 49, welche aus Cadmium compoundmaterial bestehen können. Ein Metalldraht 72 ist eng um die innere Anode herumgewickelt und ein Ende des Drahtes 72 ist für einen weiteren Anschluß nach außen geführt.

Das durchlässige Rohr 47 ist entlang der Kante der Anode 49 geführt. Des weiteren ist eine poröse Lage 45 um das Rohr 47 und die Anode 49 herumgewickelt. Ein zweiter Me talldraht 74 ist um die poröse Lage 45 gewickelt, wobei ein Ende des Drahtes 74 für einen weiteren Anschluß nach außen geführt ist. Letztendlich ist eine äußere Katho denlage 51, die aus zwei Teilen gebildet sein kann, über die poröse Lage gelegt und eine Nylonwicklung 76 eng um die Kathodenlage 51 herumgewickelt. Das Ende eines Drahtes 74 ist elektrisch mit dem Ende des Drahtes 72 verbunden, wodurch die Anode und die Kathode kurzge schlossen sind. Die elektrische Verbindung zwischen den Enden der Drähten 72 und 74 erfolgt außerhalb des Gehäu ses 74.

Das durchlässige Rohr 47 ist eine wasserdurchlässige Membran, die chemisch resistent gegen KOH ist und welche eine kontrollierte Absorption des Wassers in die Gas strömung durch das Rohr 47 gestattet. Ein für diesen Zweck geeignetes Material ist eine perfluorierte Mem brane aus einem Fluorkohlenstoff-Copolymer, einer spe ziellen chemischen Verbindung. Diese Membrane wird unter dem Warenzeichen "Nafion" verkauft und durch die Fa. E.I. Dupont de Nemours & Company hergestellt.

Das Nafion-Rohr 47 wird eng neben die Anode 49 des Befeuchters 46 plaziert, der als ein Sauerstoffänger dient, um den Sauerstoff aus der Nähe des Rohres 47 zu reduzieren. Daher wird das durch die durchlässigen Wände des Rohrs 47 hindurchtretende Wasser in den Testgasstrom übergeführt, ohne äußeren Sauerstoff in diesen Strom einzuführen. Die inhärente Aktion der galvanischen Zelle, die als ein Teil des Befeuchters 46 ausgebildet ist, bewirkt, daß die Sauerstoffmoleküle in der Zelle adsorbiert werden und die Cadmiumanode zu einem Cad miumhydroxidmaterial konvertieren, wodurch der Sauer stoff aus der unmittelbaren Nähe des durchlässigen Roh res 47 entfernt wird. Versuche haben gezeigt, daß der Bereich des niedrigstmöglichen Sauerstoffgehalts der Be reich unmittelbar neben der Anode 49 ist, und daher wurde das Rohr 47 entlang des Randes der Anode 49 posi tioniert.

Wegen der Charakteristika des Nafion-Rohrs und der Konzentration des KOH wird das Testgas, das durch den Einlaß 42 in die Vorrichtung einströmt, bei einer kon stanten relativen Feuchtigkeit gehalten. Der Befeuchter 46, der das Nafion-Rohr enthält, ist vollständig in KOH eingetaucht, und ein Testgas, das durch das Rohr mit Vo lumenströmungsraten von annähernd 20 cm^-3/min strömt, entwickelt inhärent eine relative Luftfeuchtigkeit von ca. 80%. Diese relative Luftfeuchtigkeit wird konstant während des Durchgangs des Gases durch die galvanischen Zellen 10a und 10b aufrechterhalten und tendiert dazu, das Wasser aufzufüllen, das ansonsten aus der Vorrich tung über längere Zeiträume hinweg abgezogen würde. Wenn das Testgas, das durch den Eingang der Vorrichtung ein tritt, eine relative Feuchtigkeit aufweist, die größer ist als ca. 80% RH, führt die Konzentration von KOH und die Durchlässigkeit des Nafion-Rohres dazu, daß Wasser durch das Rohr nach außen tritt und auf diese Weise die Feuchtigkeit des Gases auf ca. 80% RH reduziert. Es ist zu erkennen, daß durch die Gegenwart des in eine vorbe stimmte Konzentration von KOH getauchten Nafion-Rohres, eine konstante relative Luftfeuchtigkeit unter allen Trockenbedingungen des Testgasinputs geschaffen wird. Durch dieses Phänomen wird die Stabilität der Sau erstofftestmessungen dadurch unterstützt, daß alle Arten von Testgas annähernd der gleichen relativen Luftfeuch tigkeit während des Meßvorgangs ausgesetzt sind.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3, und zwar sind elektrische und Gasverbindungslei tungen dargestellt. Die galvanische Zelle 10a hat einen äußeren Anodendraht 26a und einen äußeren Kathodendraht 24a. Die galvanische Zelle 10b besitzt einen äußeren An odendraht 26b und einen äußeren Kathodendraht 24b. Fig. 5 zeigt die Schaltung dieser Drähte, wobei die Anoden drähte 26a und 26b miteinander und an einem Anschluß punkt mit den Zwischenwiderständen R₁ und R₂ verbunden sind. Der Kathodendraht 24a ist mit einem zweiten Ende des Widerstands R₁ und der Kathodendraht 24b mit dem zweiten Ende des Widerstands R₂ verbunden. Diese Verbin dungspunkte werden dann jeweils über den gemeinsamen Draht 63, den "Output 1"-Draht 62 und "Output 2"-Draht 64 aus dem Gehäuse 34 nach außen geführt.

Es wird darauf hingewiesen, daß der Strömungsweg des Testgases der Erfindung vom Einlaß 42, durch den Be feuchter 46, durch die Zelle 10a, dann durch die Zelle 10b und schließlich zum Auslaß 60 führt. Die Kathoden elemente der galvanischen Zellen 10a und 10b sind elek trisch miteinander verbunden, um eine gemeinsame Verbin dung zu bilden, und die Anodenelemente der Zellen sind jeweils über einen Lastwiderstand verbunden, um ge trennte Ausgangsverbindungen bereitzustellen.

Fig. 6 zeigt ein äquivalentes Schaltdiagramm, das den elektrischen Schaltkreis der Erfindung zeigt. Der galva nische Vorgang, der in jeder Zelle stattfindet, ist je weils durch V_a und V_b gekennzeichnet. Jede Zelle hat eine äquivalente innere Kapazitanz C_a und C_b; jede Zel le hat einen äquivalenten inneren Widerstand r_a und r_b. Die Spannung, die über den Lastwiderstand R₁ entwickelt wird, beträgt V_a. In der Spannung V_a ist die galvanische Spannung, die durch die Aktion in der Zelle beim Wahr nehmen des Sauerstoffs erzeugt wird und eine Rausch spannung, die durch die inneren Zellbedingungen verur sacht wird, wie sie oben beschrieben worden sind, einge schlossen. Die entsprechend Spannung, die sich über den Widerstand R₂ entwickelt ist die Spannung V_b, die die Summe der Spannung einschließt, die durch den galvani schen Vorgang der Zelle beim Wahrnehmen des Sauerstoffs erzeugt wird, plus der Rauschspannung, die durch diesel ben Faktoren entsteht. Die jeweiligen Rauschspannungen sind subtraktiv, wenn ihre Spannung zwischen den An schlüssen 62 und 64 gemessen wird, wobei jeder Span nungsbeitrag der auf Rauschbedingungen in beiden galva nischen Zellen zurückzuführen ist, unterdrückt wird. Die gewünschte Signalantwort auf die Sauerstoffwahrnehmung in den galvanischen Zellen scheint ebenfalls aufgehoben zu werden, wenn zwischen den Enden 62 und 64 gemessen wird. Aber aufgrund der Tatsache, daß die jeweiligen galvanischen Zellen den Sauerstoffgehalt wegen ihrer Serienschaltung nicht gleich wahrnehmen, ist dies nicht der Fall. Da das Testgas zunächst durch die Zelle 10a fließt, werden die Sauerstoffmoleküle des Testgases aus diesem durch den galvanischen Zellvorgang entfernt, der darin stattfindet, so daß, wenn das Testgas anschließend durch die Zelle 10b geführt wird, keine galvanische Zel laktion stattfindet, wegen des Sauerstoffgasflusses in der Zelle 10b. In der Tat fungiert die Zelle 10b ledig lich als Rauschgenerator, der ein äquivalentes Rauschsi gnal erzeugt, das ebenfalls in der Zelle 10a erzeugt wird, die jeweiligen Rauschsignale werden dann in gegen seitiger Spannungsverbindung zusammengeschlossen, um ein Ausgangssignal zu liefern, das subtraktiv die Rauschkomponente aus dem verwendbaren Teil des Ausgangs signals entfernt. Die Anschlüsse 62 und 64 sind an Dif ferentialverstärker 65 angeschlossen, die von üblicher Handelsausführung sein können. Der Verstärker 64 erzeugt ein Ausgangssignal am Ausgang 66, das repräsentativ ist für den Sauerstoffgehalt im Testgas.

Wenn der Wert der Widerstände R₁ und R₂ mit 10000 Ohm gewählt wird und das Testgas durch die Vorrichtung mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 cm³/min geführt wird, liegt das verwendbare Ausgangssignal im Mikrovolt bereich. In einem Test unter diesen Bedingungen wurde die Gesamtspannung über die Zelle 10a (Rausch- und Nutz signal) mit 100 Mikrovolt gemessen und die Gesamtspan nung über der Zelle 10b (Rauschsignal) wurde mit 75 Mi krovolt gemessen. Die zwischen den Anschlüssen 62 und 64 gemessene Spannung betrug 25 Mikrovolt: Dies entspricht einer Sauerstoffpermeabilitätsmessung von 0,0025 cm^-3/m²/Tag. In diesem Fall konnte das Rauschsignal primär einer Temperaturveränderung von 1°C zugeordnet werden, die während des Testintervalls stattfand.

Mit den oben erwähnten Lastwiderständen und Testbedin gungen entspricht eine Änderung von 1 Mikrovolt in der Ausgangsspannung, gemessen zwischen den Anschlüssen 62 und 64, einer Sauerstoffpermeabilitätsmessung von 0,0001 cm^-3/m²/Tag. Dies ist in etwa eine Konzentrationsmessung von 36×10^-12.

Es ist daher offensichtlich, daß die vorliegende Erfin dung eine Meßempfindlichkeit von zumindest einigen Grö ßenordnungen besser als die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik liefert. Des weiteren gestattet das große Reservoir an Elektrolyt in der Vorrichtung eine kon stante Kontrolle über die relative Feuchtigkeit in dem Testgas und füllt Wasserverluste auf, die anderenfalls während langgedehnter Meßvorgänge in der galvanischen Zelle auftreten könnten.

Für den Betrieb ist es günstig, das durch das abgedich tet Gehäuse 34 gebildete Reservoir nahezu vollständig mit KOH zu füllen. Vor dem eigentlichen Messen des Test gases mit der zusammengebauten Vorrichtung ist es gün stig, zunächst für eine bestimmte Zeit trockenes Stick stoffgas durch die Leitungen zu spülen, um Sauerstoff, der sich im Gehäuse 34 und in Lösung in der KOH befinden kann durch galvanische Aktion aus der Zelle, die ein Teil des Befeuchters 46 bildet zu entfernen. Nach einer anfänglichen Einbruchsperiode, die bei bestimmten Anwen dungen einige Tage andauern kann, ist die Vorrichtung dann bereit für das Messen des Sauerstoffgehalts verschiedener Testgase. Der Spannungsausgang am Anschluß 66 kann kalibriert werden, um eine Null-Ablesung nach dieser ausgedehnten Einbruchperiode festzulegen; an schließend kann die Spannung am Ausgang 66 an einen Schaltkreis zum Betreiben eines Meßgeräts angelegt wer den, um ein unmittelbares Ablesen des Sauerstoffs zu er möglichen. Oder alternativ kann die Spannung am Ausgang 66 in eine Schaltung zur Umwandlung in digitale Werte, die in einen Computer eingespeist werden können, ange legt werden. Die Vorrichtung liefert genaue Angaben des Sauerstoffgehalts bis hinunter zu extrem niedrigen Wer ten und ist aufgrund eines großen Reservoirs an KOH, das in dem Gehäuse 34 untergebracht sein kann über eine längere Lebensdauer betriebsbereit.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestell ten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, son dern umfaßt alle Abweichungen und Variationen, da das beschriebene Beispiel in keiner Weise einschränkend auf gefaßt werden darf.

Claims

1. Vorrichtung zum Feststellen von Sauerstoff in einer Testgasströmung durch eine galvanische Zelle, die einen Stromfluß zwischen einer Zellenkathode und einer Zellen anode erzeugt, der repräsentativ ist für den Sauerstoff gehalt in dem Testgas, bestehend aus:

a) einer ersten galvanischen Zelle mit einer Anode und einer Kathode, zugeordnet einem Elektrolyt, angeordnet in einem ersten rohrförmigen Gehäuse, das einen Gaseinlaß der an der Testgasquelle an schließbar ist und einen Gasauslaß sowie einen Ka thodenleiter und einen Anodenleiter aufweist;
b) einer zweiten galvanischen Zelle mit einer Anode und einer Kathode, zugeordnet einem Elektrolyt und angeordnet in einem zweiten rohrförmigen Gehäuse, das einen Gaseinlaß, der mit dem Auslaß der ersten Zelle verbunden ist und einen Gasauslaß sowie einen Kathodenleiter und einen Anodenleiter auf weist;
c) Einrichtungen zum Verbinden des Gasauslasses des ersten Gehäuses mit dem Gaseinlaß des zweiten Ge häuses;
d) Einrichtungen zum Anschließen entweder der jewei ligen Kathodenleiter oder der Anodenleiter mitein ander, um eine gemeinsame Verbindung zu bilden und zum separaten Anschließen der anderen jeweiligen Leiter;
e) einem ersten Lastwiderstand, geschaltet zwischen der gemeinsamen Verbindung und der Anode/Kathode der ersten Zelle, die nicht Teil der gemeinsamen Verbindung ist; und
f) einem zweiten Lastwiderstand, geschaltet zwischen der genannten gemeinsamen Verbindung und der An ode/Kathode der zweiten Zelle, welche An ode/Kathode nicht Teil der gemeinsamen Verbindung ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Lastwiderstand einen gleichen Wert aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Gehäuse, das die erste und die zweite gelvanische Zelle umgibt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche mit einem in dem Gehäuse vorgesehenen Reservoir, das zumindest teilweise mit einer Elektrolydlösung ge füllt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche mit einem Testgasrohr als Befeuch ter, das zumindest teilweise einen wasserdurchlässigen Abschnitt aufweist, wobei dieser wasserdurchlässige Ab schnitt in eine Elektrolydlösung eingetaucht ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei der wasserdurchlässige Abschnitt zumin dest teilweise aus Nafion besteht.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit einem die erste und zweite Zelle umschlie ßenden Gehäuse und einem in dem Gehäuse ausgebildeten Reservoir, das zumindest teilweise mit einer Elektrolyd lösung gefüllt ist, die Kaliumhydroxid enthält.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche mit einem durchlässigen Rohr in dem Reservoir, wobei das Rohr mit dem Gaseinlaß des ersten Gehäuses verbunden ist und Einrichtungen für einen Außenanschluß an eine Testgasquelle aufweist und wobei das durchläs sige Rohr die Eigenschaft aufweist, Wasser durch die Wandung hindurchtreten zu lassen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit Einrichtungen zum Verbinden einer Testgas quelle mit einem Einlaß zu diesem wasserdurchlässigen Durchgang.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit einer ersten galvanischen Zelle in dem Ge häuse, die einen mit dem wasserdurchlässigen Durchgang verbundenen Einlaß aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit einer zweiten galvanischen Zelle in dem Ge häuse, die einen Gasauslaß aufweist, der aus dem Gehäuse herausführt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei der Befeuchter des weiteren eine dritte galvanische Zelle aufweist, die eine elektrisch mitein ander verbundene Anode und Kathode besitzt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, wobei das wasserdurchlässige Rohr entlang der dritten galvanischen Zelle angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit einem Differentialverstärker mit Eingängen, die jeweils an eine der separaten Anoden/Kathoden-Ver bindungen angeschlossen sind.