DE2022769B2

DE2022769B2 - Vorrichtung zum in situ-Messen des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des elektrochemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung

Info

Publication number: DE2022769B2
Application number: DE2022769A
Authority: DE
Inventors: Haydn Luton Bedfordshire Wilson (Ver. Koenigreich)
Original assignee: KENT INSTRUMENTS Ltd LUTON BEDFORDSHIRE (VER KOENIGREICH)
Current assignee: KENT INSTRUMENTS Ltd LUTON BEDFORDSHIRE (VER KOENIGREICH)
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1970-05-09
Publication date: 1980-04-03
Also published as: CS166007B2; US3720594A; CH506069A; FR2047501A5; PL80559B1; GB1313508A; DE2022769A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum in situ-Messen des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des elektrochemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung mittels eines elektrochemischen Detektors, der einen festen Elektrolyt enthält und der mit einer Probe der Gasmischung in einem Probenrohr mit einer Heizeinrichtung bei einer erhöhten Temperatur in Berührung gebracht wird.

Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung nach der GB-PS 10 73 099 ist es üblich, eine Probe des Gases abzuziehen und sie für die Messung zu erhitzen. Ein solches Vorgehen hat zahlreiche Nachteile. Beispielsweise im Falle von giftigen und unreinen Gasen ergeben sich Komplikationen und Schwierigkeiten bei der Behandlung und Verarbeitung solcher Proben.

Insbesondere entsteht jedoch eine Verzögerung für die Erlangung der erforderlichen Information. Eine solche Verzögerung ist außerordentlich nachteilig und unannehmbar, wenn die Information zu einer Prozeßüberwachung erforderlich ist, beispielsweise zur Steuerung der Wirksamkeit eines Produktionsprozesses. Vor allem ist ein Probeentnahmesystem erforderlich.

Dies gilt auch für bekannte Ausführungen nach den US-PS 33 47 767 und GB-PS 1118 655, deren Meßzellen so angeordnet sind, daß sie nicht dem direkten Gasstrom ausgesetzt werden. Nach der US-PS muß ein Rohr mit der Zelle so angeordnet sein, daß seine Außenseite einem anderen als dem zu untersuchenden Gas ausgesetzt wird. Damit kann das Probenrohr nicht zur Messung innerhalb einer Gasströmung angeordnet werden, zumal die zu untersuchende Gasmischung mit einer festliegenden und bestimmten Strömungsgeschwindigkeit und gleichmäßigem Druck hindurchfließen solL Bei der bekannten Ausführung wird die zu untersuchende Gasmischung durch e:n Anschlußstück zugeführt das kleineren Durchmesser als df s Probenrohr hat

Nach der GB-PS 11 18 655 wird die zu untersuchende Gasmischung dem Probenrohr durch ein Rohr zu und von ihm durch ein anderes Rohr abgeführt so daß eine Bypass-Umleitung vorgesehen ist Dabei ist das Probenrohr innerhalb eines anderen Rohres angeordnet welches in einem Ofen vorgesehen ist Auch dabei wird mit einem Bezugsgas gearbeitet, das bei der gezeigten Vorrichtung in die zu untersuchende Gasmischung ausströmen kann. Das gibt Verfälschungen und kann gefährlich sein, so daß ein Einsau in einer Hauptgasströmung nicht möglich ist

Die bekannten Ausführungen beziehen sich auf Detektoren zum Messen des Partialdruckes oder der Konzentration einer Komponente der Gasmischung, wobei aber die Probe aus der Gasmischung abgezogen werden muß und dadurch eine Verzögerung für die Entstehung der gewünschten Information entsteht

Elektrochemische Konzentrationsd'etcktoren messen direkt das elektrochemische Potential eines Bestandteils einer Gasmischung. Dieses Potential ist für bestimmte Festkörper - Gas —, insbesondere Metall-Gas-Reaktionen, von größerer Bedeutung als der Partialdruclt Das elektrochemische Potential kann als partielle freie molare Energie oder als freie Energie pro Mol einer Komponente eines Systems definiert werden, wobei Temperatur, der Druck und die Anzahl der Mole aller anderen Komponenten des Systems konstant gehalten werden. Für die /-te Komponente eines Systems kann das elektrochemische Potential in Form der nachstehenden Gleichung ausgedrückt werdi.i:

«,-Γ-—1

Bei einem idealen Gas ist diese Größe mit dem Partialdruck Pi aufgrund der folgenden Gleichung verknüpft:

μι= up + RT log P, Hierin bedeutet

R die Gas-Konstante, T die absolute Temperatur und μ," das elektrochemische Potential in einem Normalzustand bei einem Druck von einer Atmosphäre und der Temperatur T.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Vorrichtung dahin gehend zu verbessern, Proben einer Gasmischung ohne Verzögerung zu messen, so daß die erzielten Ergebnisse unmittelbar in einem Verfahren ausgewertet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Probenrohr innerhalb der Gasmischung angeordnet ist

Dadurch kann eine Probe der Gasmischung unmittelbar durch ein Probenrohr fließen, das am Ort in die zu isolierende Gasmischung eingetaucht ist wobei zugleich eine Erhitzung auf die zur Wirkung des Detektors

erforderliche Temperatur erfolgt Die gewünschte Information wird ohne Verzögerung erhalten.

Die Vorrichtung, bei der der Detektor ein Rohr mit einer ein Ende verschließenden Endwandung aufweist auf deren jeder Seite eine Elektrode befestigt ist, ist dadurch gekennzeichnet daß sich der Detektor durch eine öffnung in der Wand des Probenrohres erstreckt wobei die Außenseite der Endwandung des Detektors der Probe ausgesetzt ist und daß eine Haltevorrichtung ein mit der Öffnung fluchtendes Rohr umfaßt in dem sich der Detektor befindet Dadurch wird eine einfach ausgeführte Vorrichtung geschaffen, die die beabsichtigte Wirkung erfüllt

Bevorzugt wird dabei, daß das Probenrohr das Querstück eines T-förmigen Formstückes umfaßt dessen Schaft mit dem bzw. einem Halterungsrohr verbunden ist wobei der Schaft rohrförmig ist und die Öffnung definiert Hierdurch wird die Durchströmung in besonders günstiger Weise erreicht und eine kompakte Vorrichtung geschaffen. Zweckmäßig besteht das Rohr bzw. ein Halterungsrohr aus Metall und bildet einen Teil eines Leitungsweges von der äußeren Elektrode zu außerhalb der Gasmischung befindlichen Schaltelementen, vorzugsweise einem Verstärker. Dadurch wird auch ein Einsatz im mittleren Bereich einer Gasströmung ermöglicht

Dabei wirkt sich vorteilhaft aus, daß ein Teil der Gasmischung das Probenrohr entweder aufgrund reiner Strömungsbedingungen oder aber auch infolge einer durch die Heizeinrichtung hervorgerufenen K.onvektionsströmung passiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung in schematischer Darstellung,

F i g. 2 eine entsprechende Ansicht einer abgewandelten Vorrichtung, auch im Schnitt,

Fig.3A und 3B Seiten- und Stirnansichten einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Vorrichtung in verkleinertem Maßstab.

Nach Fig. 1 ist ein elektrochemischer Detektor 10 in Form eines Rohres 11 mit geschlossener Endwandung 12 koaxial innerhalb eines metallischen Halterungsrohres 14 befestigt. An jeder Seite der Endwandung 12 ist eine Elektrode befestigt. Die Zelle entspricht im wesentlichen der Zelle gemäß GB-PS 10 73 099. Die Elektroden können mit einem Schutz versehen sein. Das geschlossene Ende des Detektors 10 ragt aus einem Ende des Halterungsrohres 14 heraus, dessen anderes Ende so befestigt ist, daß es in eine War;d 15 einer Leitung hineinragt, durch welche man die Gasmischung hindurchströmen läßt, an der Messungen ausgeführt werden sollen. Die innere Seite der Endwandung 12 kann daher der Luft oder irgendeinem anderen gewünschten Vergleichsgas oder einer Gasmischung ausgesetzt werden. Das Halterungsrohr 14 trägt außerdem an seinem freien Ende »in Formstück 16. Dieses besitzt einen Schaft 18, der H^s freie Ende des Halterungsrohres 14 aufnimmt sowie einen Querteil, dessen Achse unter rechtem Winkel zur Achse des Schaftes 18 verläuft und das ein Probenrohr 19 bildet. In der dargestellten Anordnung fluchtet das Probenrohr 19 mit der Richtung der Gasströmung in der Leitung, was durch den Pfeil 2G angedeutet ist. Die Endwandung 12 des Detektors 10 ragt in die Bohrung des Probenrohres 19 hinein, in dessen Wan J eine Heizeinrichtung in Form einer elektrischen Heizwicklung 21 eingebettet ist.

!,η

Zur elektrischen Ausrüstung der Vorrichtung gehört ein temperaturempfindliches Element 22, das innerhalb des Detektors 10 vor der Endwandung 12 untergebracht und mit einer außerhalb der Leitung angeordneten Steuereinrichtung 24 für das Probenrohr 19 über eine Zuführung 25 verbunden ist Die Steuereinrichtung ist mit der Heizwicklung 21 mittels einer schematisch dargestellten Zuführung 26 verbunden und so ausgebildet daß sie eine Steuerung bzw. Regelung des Stroms durch die Heizwicklung 21 bewirkt damit das Gas innerhalb des Probenrohres 19 auf eine für die Funktion des Detektors 10 ausreichende Temperatur erwärmt wird. Diese Temperatur liegt normalerweise oberhalb von 500⁰C Die elektrische Verbindung mit der Elektrode auf der Innenseite der Endwandung 12 erfolgt durch eine Zuführung 28 innerhalb des Halterungsrohres 14, während die andere Elektrode durch eine Zuführung 29 innerhalb des Probenrohres 19 angeschlossen ist Diese Zuführung 29 bildet zusammen mit der Wand des Halterungsrohres 14 f. ,wie einer externen Zuführung 30 einen Leitungsweg zu eir em Verstärker 31. Die von dem Detektor erzeugte Ausgangsgröße wird dem Verstärker 31 über die Zuführungen 28 und 30 zugeleitet Dieser Verstärker 31 ist außerhalb der die Gasmk-diung führenden Leitung mit einer Ableseeinrichtung 32 verbunden.

Gemäß Fig. 1 ist die Achse des Probenrohres 19 senkrecht angeordnet und befindet sich mit der Richtung der Gasströmung in Übereinstimmung. Eine solche Ausrichtung empfiehlt sich nur dann, wenn die Geschwindigkeit der Gasströmung einen bestimmten Minimalwert übersteigt Liegt die Geschwindigkeit der Gasströmung unterhalb dieses Minimalwertes, dann kann das T-förmige Formstück 16 durch Drehung um die Achse des Halterungsrohres 14 in eine solche Lage verstellt werden, daß die Achse des Prcbenrohres 19 senkrecht zur Richtung der Gasströmung in der Leitung verläuft. Die Gasströmung durch das Probe.iroh;· ergibt sich dann aufgrund von Konvektionsströmen, die durch die Erwärmung des Gases innerhalb des Probenrohres her /orgerufen werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung, die insbesondere in Verbindung mit sich langsam bewegenden, sehr verschmutzten Abgasen verwendet werden kann, ist in Fig.2 dargestellt. Dabei können die elektrischen Anordnungen und der Aufbau des Detektors 10 sowie das Halterungsrohr 14 und das Probenrohr 19 unverändert bleiben. Das eingangsseitige Ende des Probenrohres 19 ist jedoch mit einem geeigneten Filter 41 versehen, während das ausgangsseitige Ende mit einem Rohr 42 verbunden ist, das einen 90-Grad-Krümmer aufweist, so daß rs über den größten Teil seiner Länge parallel zum Halterungsrohr 14 verläuft. Das Rohr 42 geht durch die Wand 15 der Lest; ng nach außen zu eine,· Pumpe 44. Aus der Gasströmung innerhalb der Leitung wird über das Filter 41 in das Probenrohr 19 ein Teil für die Messung entnommen bzw. herausgesogen. Die Pumpe 44 kann so angeordnet sein, daß sie die entnommene Gasprobe entweder an die Atmosphäre abgibt oder vorzugsweise zurück in die Hauptgasströmcng der Leitung führt. Wenn die Gasströmung durch das Probenrohr 19 von der Pumpe 44 sichergestellt wird, ist die Ausrichtung der Probenrohrachse in bezug auf die Richtung der Gasströmung unwesentlich.

Eine andere Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1, die sich vorzugsweise im Zusammenhang mit unter hoher Geschwindigkeit strömenden, schmutzbela-

denen Gasmischungen eignet, ist in F i g. 3 dargestellt. Diese Vorrichtung umfaßt wiederum das T- und rohrförmige Formstück 16, den Detektor 10 und das Halterungsrohr 14 zusammen mit der oben beschriebenen elektrischen Ausrüstung. Das Probenrohr 19 ist senkrecht angeordnet, wobei seine Achse rechtwinklig zu der durch die Pfeile 20 angedeuteten Strömungsrichtung verläuft, so daß das zu prüfende bzw. zu messende Gas aufgrund der Konvektion hindurchgezogen wird. Das eingangs- und ausgangsseitige Ende des Probenrohres 19 ist mit einem Zuführrohr 52 bzw. einem Ableitungsrohr 54 versehen, die über 90-Grad-KrUmmer an das Probenrohr angeschlossen sind, so daß die freien Enden der Rohre 52 und 54 in die Strömungsrichtung vom Probenrohr weggeführt sind. Da größere Schmutzteilchen ein entsprechend großes Beharrungsmoment besitzen, aufgrund dessen sie über die offenen Enden der Rohre hinaus von der Hauptgasströmung mitgerissen werden, können nur feine Teilchen ihre Richtung umkehren und durch das Zufuhrrohr 52 in das Probenrohr 19 gelangen. In manchen Fallen ist es empfehlenswert, das Ableitungsrohr 54 wegzulassen. Die Wirkungsweise der Rohre kann durch eine geeignete Formgebung verbessert werden. Ein Beispiel ■> einer geeigneten Rohrform ist in der GB-PS 7 96 010 dargestellt und beschrieben.

Die beschriebene Vorrichtung hat durch die Analysierung der Probe in situ innerhalb der Gasmischung erhebliche Vorteile, wobei sich auch günstig auswirkt,

in daß nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit erfor derlich ist, um eine schnelle Meßanzeige bzw. ein schnelles Ansprechen zu erreichen. Die Meßströmung kann sehr klein sein, so daß die Vorrichtung eine lange Arbeits-/Lebensdauer besitzt und nur wenig Wartung

!', erfordert. In den Fällen, in denen die Probe aus der Hauptströmung abgezogen wird, können die entsprechenden Mengen klein genug gehalten werden, um ohne Konditionierungsbehandlung in den Abzug abgeleitet werden zu können.

Hierzu I Blatt Zeidiininpen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum in situ-Messen des prozentualen Anteils oder des Partialdruckes oder des s elektrochemischen Potentials einer Komponente einer Gasmischung mittels eines elektrochemischen Detektors, der einen festen Elektrolyt enthält und der mit einer Probe der Gasmischung in einem Probenrohr mit einer Heizeinrichtung bei einer erhöhten Temperatur in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenrohr (19) innerhalb der Gasmischung angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Detektor ein Rohr mit einer ein Ende verschließenden Endwandung aufweist, auf deren jeder Seite eine Elektrode befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Detektor (10) durch eine öffnung in der Wand des Probenrohres (19) erstreckt, wobei die Außenspiie der Endwandung (12) des Detektors (10) M der Probe ausgesetzt ist, und daß eine Haltevorrichtung ein mit der öffnung fluchtendes Rohr (11 bzw. 14 bzw. 18) umfaßt, in dem sich der Detektor (10) befindet

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Probenrohr (19) das Querstück eines T-förmigen Formstückes (16) umfaßt, dessen Schaft (18) mit dem bzw. einem Halterungsrohr (14) verbunden ist, wobei der Schaft (18) rohrförmig ist und die öffnung definiert m

4. VorrLlitung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das R^hr bzw. ein Halterungsrohr (14) aus Metall besteht und einen Teil eines Leitungsweges von der är leren Elektrode zu außerhalb der Gasmischung befindlichen Schaltete- r> menten, vorzugsweise einem Verstärker (31), bildet.