DE2028734C3 - Anordnung zum Messen des Kohlenstoffgehalts strömungsfähiger Medien - Google Patents
Anordnung zum Messen des Kohlenstoffgehalts strömungsfähiger MedienInfo
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Description
a) eine in dem Gehäuse (15) angeordnete Bezugselektrode (18) mit einem bekannten Gehalt an
Kohlenstoff,
b) einen in dem Gehäuse (15) enthaltenen und mit dessen Innenfläche sowie der Bezugselektrode
(18) in Kontakt befindlichen Salzelektrolyten (19), der Kohlenstoff in ionisiertem Zustand
enthält uid ein bekanntes Kohlenstoffpotential relativ zur Bezugselektrode aufweist,
c) eine Einrichtung zur Messung einer Potentialdifferent
zwischen dem eine Elektrode bildenden Gehäuse (15) und der Bezugselektrode (18).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (18) den Kohlenstoff
in einer Metallmatrix dispergiert enthält.
3. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (18) reines
Graphit aufweist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Salz-Elektrolyt
(19) Kalziumkarbid aufweisi, welcnes in einem bei Betriebstemperatur geschmolzeu-in Salz gelöst ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz Kalziumchlorid umfaßt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (15) aus
Eisen, Nickel oder einer Legierung von Eisen oder Nickel besteht.
Die Erfindung be/ichl sich auf eine Anordnung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.
Es ist bekannt, daß. wenn beispielsweise Artikel aus
Stahl hergestellt worden sind, der Hcrstellungspro/eß
häufig eine Werkstoffhärtung bzw verfestigung mit sich bringt, die beseitigt werden muß. und zu diesem
Zweck werden die Arlikel normalerweise eine entsprechende
Zeit lang geglüht. Die Atmosphäre im Glühofen
muß so sein, daß sie keine Karbonisierung oder Dekarbonmerung des Stahls verursacht, und wird
normalerweise durch unvollständige Verbrennung von Brenngas vorgesehen. Die Atmosphäre enthält daher in
der Praxis Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid,
Wasserstoff und Wasserdampf; Wobei die Verschiedenen
Bestandteile in einem komplexen Gleichgewichtszustand
vorhanden sind* Um sicherzustellen, daß das
Kohlensloffpotential dec Atmosphäre richtig ist, ist es notwendig, dieses Potential vofi Zeit zu Zeit zu messen,
ilbcf dies hut sich leider bisher .Ils schwierig erwiesen, da
bestehende Verfahre», Z. B. chemische Analyse der
Gasatmosphäre Daten ergeben, die nur indirekt in
Beziehung zum gewünschten Kohlenstoffpotential stehen. Es ist daher äußerst wünschenswert, eine
Einrichtung zum Messen des effektiven Kohlenstoffgehaltes der Atmosphäre innerhalb des Ofens zu schaffen.
Es ist auch bekannt, daß das Vorhandensein von
Kohlenstoff in flüssigen Metallen eine Beschädigung der mit dem flüssigen Metall in Berührung stehenden Wand
verursachen oder Schwierigkeiten mit sich bringen
to kann. Zum Beispiel kann das Vorhandensein von Kohlenstoff in flüssigem Natrium (welches als Kühlmittel
in Kernreaktoren verwendet wird) eine Karbonisierung von aus Stahl bestehenden Konstruktionsteilen des
Reaktors verursachen. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, den Kohlenstoffgehalt des geschmolzenen
Natriums laufend zu überwachen, so daß notfalls ein Teil abgezogen und einem Reinigungssystem zugeführt
werden kann. Es besteht somit ein Bedarf an einem Monitor für den Kohlenstoffgehalt des Natriums in
Kernreaktoren. Das obige Beispiel so!! lediglich der Erläuterung dienen.
In der britischen Patentschrift 11 32 753 ist eine
Anordnung zum Messen des Kohlenstoffgehaltes eines Metalls beschrieben, welche eine elektrochemische
Zelle folgenden Aufbaus umfaßt: Kohlenstoffhaltiges Metall/Salzelektrolyt Graphit. Bei dieser bekannten
Anordnung wird die elektromotorische Kraft bei einer bekannten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes
des Metalls gemessen, wobei der Elektrolyt Kohlenstoff in einem ionisierten Zustand enthält und ein bekanntes
Kohlenstoffpotential relativ zu Graphit hat. Eine praktische Ausführungsform des bekannten Geräts
enthält einen Schmelztiegel, eine feste Graphitelektrode in diesem Tiegel, eine Einrichtung zum Halten einer
zweiten festen Elektrode, die aus dem Metall des Tiegels besteht, einen Salzelektrolyten innerhalb des Schrnelztiegels
und in Kontakt mit den beiden Elektroden, wobei dieser Elektrolyt Kohlenstoff in ;inem ionisierten
Zustand enthält und ein bekanntes Kohlenstoffpotential relativ zu Graphit aufweist, sowie eine Einrichtung zum
Messen der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bei einer bekannten Temperatur.
In der GB-PS 10 73 198 ist eine Vorrichtung
beschrieben, bei d< r die Rate der Kohlenstoffdiffusion
durch die Wand eines Rohres überwa< ht wird. Wenn Kohlenstoff durch die Rohrwand diffundiert, wird dieser
mit einem Kntkohlungsgas zur Reaktion gebracht und durch den Strom des Entkohlungsgases abgeführt. Bei
einem solchen dynamischen System hjngt viel von den
so physikalischen Eigenschaften des Materials der Rohrwand,
dessen Querst hnittsfläche und Dicke ab. |ede mit der /eil auftretende Veränderung der Diffusionseigenschaften
der Wand ader der Wanddicke verändert auch die Eichung der Vorrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Anordnung zur Messung des Kohlenstoffgehaltes stromiiMgsfähigcr Medien durch elektmmethanische
Mittel /υ schaffen, bei der diese Schwierigkeiten nicht
auftreten
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Maßnahhierl gelöst, Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die zweckmäßigste Bezugselektrode besieht aus Kohlenstoff, welcher in einer Mclnllinatrix mit einem
bekannteil Anteil von Kohlenstoffgehalt dispefgiefl ist,
öder die Elektrode kann aus Graphit bestehen,
vorausgesetzt, daß Vorkehrungen getroffen sind, um zu
verhindern, daß freier Kohlenstoff von ihr nach dem Gehäuse wandert.
Es versteht sich, daß die vorerwähnte Einrichtung den Aufbau folgender elektrochemischer Zellen mit sich
bringt: Kohlenstoffhaltiges Metall/kohlenstoffhaltiger Elektrolyt/Graphit.
Die Ausgangsspannung dieser Zelle ist gegeben durch die Formel:
E»
RT
zF
\ogeac.
Darin ist:
2 CO ;=ä CO2 + C
CH4 ^=S 2Fl2 -I- C
CH4 ^=S 2Fl2 -I- C
H2O *=* H2 + 1 O2
Die Gleichgewichlspositionen für diese Reaktionen sind abhängig vom Redox- und Kohlensfoffpolehtial
10
E die elektromotorische Kraft,
R die Gaskonstante, '3
T die absolute Temperatur,
F das Faraday-Äquivalent,
ζ die Wertigkeit der Kohlenstoffionen im Elektrolyten und
ac die Aktivität des Kohlenstoffs im Metall relativ zu
Graphit
Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausgang der Zelle von der Temperatur abhängig ist, und es kann daher
erwünscht sein, mit einem geschmolzenen Elektrolyten zu arbeiten, aber dies ist nicht unbedingt notwendig. Die
Verwendung eines geschmolzenen Elektrolyten stellt jedoch einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem
Elektrolyten, der Elektrode und dem Gehäuse sicher.
Kalziumkarbid ist ein geeigneter Elektrolyt, aber da er bei 230O0C schmilzt, ist ein Lösungsmittel erwünscht.
Für eine Tauchhülse aus Stahl ist Kalziumchlorid ein geeignetes Lösungsmittel, und die Verwendung einer
10-Molprozent-Lösung von Kalziumkarbid in Kalziumchlorid ist zufriedenstellend. Jedes andere stabile
geschmolzene Salz, in welchem Kalziumkarbid löslich ist, würde anstelle von Kalziumchlorid geeignet sein.
Es ist zweckmäßig, sehr reines Kalziumchlorid zu verwenden, welches bei einer höheren Temperatur als
derjenigen, bei welcher es verwendet wird, geschmolzen und getrocknet wird, und zwar in einer reinen
Inertgas-Atmosphäre. Das Kalziumkarbid wird zweckmäßig dadurch präpariert, daß man reines Kalzium mit
Graphit in einer Inertgas-Atmosphäre reagieren läßt.
Wenn die Erfindung zum Messen <,rs Kohlenstoffgehaltes
von geschmolzenem Natrium oder einer Ofenatmosphäre verwendet werden soll, so kann das Gehäuse
Eisen. Nickel oder deren Legierungen umfassen, wobei dies alles Materialien siiij. die von jeglichem Wasserstoff,
der in der Gasatmosphäre vorhanden ist. durchdringbar sind. So wild Wasserstoff in das Innere
des Gehäuses eindringen, aber dies ist kein Nachteil bei
der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Gleichgewichtsreaktionen. die innerhalb eines
Ofens stattfinden, können wie folgt dargestellt werden:
( H4 f - O2 ^=^ (O + :H2()
60
(5 innerhalb des Ofens. Von den in der OfenatmosphäFe
vorhandenen Stoffen gehen Wasserstoff und Kohlenstoff durch das Gehäuse hindurch, wobei die Geschwindigkeit
des Durchgangs von Wasserstoff von dem Material des Gehäuses abhängig ist, aber im Falle eines
Eisengehäuses sehr schnell ist.
Bei geschmolzenem Natrium werden normalerweise keine anderen Stoffe als Kohlenstoff vorhanden sein,
welche durch das Gehäuse hindurchwandern.
Die Messung ist eine Gleichgewichtsmessung. Ist einmal das Gleichgewicht erreicht, so hängt die
Kohlenstoffgehalt-Konzentration im Metall des Gehäuses in kalkulierbarer Weise von der Kohlenstoffkonzentration
des Strömungsmittels ab, welches in Kontakt mit der Außenoberfläche des Gehäuses steht. Während des
Gehäuses in Kontakt mit dem Strömungsmittel gehalten wird, verursachen Änderungen der Kohlenstoffkonzeniration
des Strömungsmittels eine entsprechende Änderung dieser Konzentra*;on im Metall des
Gehäuses und folglich im Poteniw! zwischen dem
Gehäuse und der ersten Elektrode. Somit kann eine laufende Überwachung des Kohlenstoffgehaltes des
Strömungsmittels durchgeführt werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung wird nunmehr anhand der Zeichnung
beschrieben, welche einen schematischen Schnitt durch die Anordnung wiedergibt.
In der Zeichnung ist schematisch ein Ofen 11 dargestellt, in welchem ein Strömungsmittel 12 von
unbekanntem Kohlenstoffgehalt über einen Einlaß 13 einfließt. Das Strömungsmittel 12 verläßt den Ofen 11
über einen Auslaß 14.
Ein Gehäuse wird durch eine dünnwandige Tauchhülse 15 aus einem Metall gebildet, welches (wie oben
erläutert) der Wesensart des Strömungsmittels 12 angemessen ist. Die Tauchhülse 15 ist an einem
dickerwandigen Halterohr 16 dicht befestigt, welches so montiert ist, daß die Tauchhülse 15 sich innerhalb des
Ofens befindet und in das Strömungsmittel 12 hinrmagt, während sich das Halterohr 16 über eine
entsprechende Abdichtung (nicht dargestellt) durch eine Aussparung im Ofen 11 nach außen erstreckt
Das obere Ende des Halterohres 16 ist durch einen elektrisch isolierenden Verschlußbauteil verschlossen,
der eine Bezugselektrode 18 trägt.
Die Bezugselektrode 18 weist Kohlenstoff auf. welcher in einer Metallmatrix dispergiert ist. und
erstreckt sich zentrisch durch den Verschlußbauteil 17 hindurch nach unten bis kurz oberhalb des Bodens der
Tauchhülse 15. Fine reine Graphit-Bezugselektrode kann verwendet werden, aber eine Elektrode mn
Kohlenstoff, dispergiert in einer Metallmatrix, hat den
Vorteil, daß der Kohlenstoff fest gebunden ist und die
Gefahr vermieden wird, daß Kohlenstoff'eilchen aus
der Bezugselektrode nach der Tauchhi'lsenoberfläche wandern.
In der Tauchhülse 15 befindet sich der Elektrolyt 19.
weither in Kont .kt mit der Innenoberfläche der
TiHK hhülse 15 und mit der Bezugselektrode 8 steht.
Ein Potentiometer 21 ist zur Messung der Potentialdifferenz zwischen der Tauchhiilsc -/5 und der
Bezugselektrode 18 vorgesehen·
Beim Betrieb wandert Kohlenstoff aus dem Strömungsmittel 12 in das Metall der Tauchhülse 15, und bei
Gleichgewicht wird die Konzentration von Kohlenstoff in der Wandung der Tauchhülse in einer kalkulierbaren
Weise mit der Konzentration von Kohlenstoff in dem die Tauchhülse 15 umgebenden Strömungsmittel in
Beziehung gesetzt. Die Ablesung des Potentiometers Zf
steht in Beziehung zur Kohlcnstoffkonzeniration im1
Metall derTauchhülse 15 uhd liefert somit eine Anzeige für den Kohlenstoffgehalt im Strömungsmittel.
Es ist selbstverständlich eine Zeitverzögerung zwi- ϊ genug,
sehen einer Änderung des Kohlenstoffgehaltes des
Strömungsmiuels und der entsprechenden Anzeige
Potentiometer vorhanden) aber in der Praxis ist Zeitverzögerung für eine zufriedenstellende kontinu
liehe Überwachung eines fließenden Mediums k
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Anordnung zum Messen des Kohlenstoffgehalts strömungsfähiger Medien, insbesondere eines flüssigen
Metalls, mit einem in das zu messende Medium eintauchbaren Gehäuse aus einem Metall, in
welchem Kohlenstoff bei der Temperatur des zu messenden Mediums sowohl löslich als auch
beweglich ist, gekennzeichnet durch
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-
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US3769189A (en) | 1973-10-30 |
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