DE102006033251A1

DE102006033251A1 - Schutzeinrichtung für einen Feuchtesensor in aggresiver Atmosphäre

Info

Publication number: DE102006033251A1
Application number: DE102006033251A
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Broedel; Mike Muhl
Original assignee: Testo SE and Co KGaA
Current assignee: Testo SE and Co KGaA
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2008-02-07
Also published as: WO2008009330A1; CN101490540A; JP2009544020A; US20100005881A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für einen Feuchtesensor, welche den Sensor vor aggressiven Substanzen in einem zu analysierenden Fluid schützen soll. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung für einen Feuchtigkeitssensor umfasst eine Schutzkappe (10), welche Öffnungen (11) aufweist, die derart mit einer Membran (12) bedeckt sind, dass ein Stoffaustausch zwischen einem in der Umgebung befindlichen Messmedium und dem Inneren der Schutzkappe (10) ausschließlich durch die Membran (12) stattfinden kann, wobei die Membran (12) aus einem Kunststoff mit hoher Permeabilität für Wasserdampf, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Beständigkeit gegen ätzende Substanzen besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für einen Feuchtesensor, welche den Sensor vor aggressiven Substanzen in einem zu analysierenden Fluid schützen soll.
Die Messung des Anteils an Feuchtigkeit in einer stark belasteten, chemisch aggressiven Atmosphäre ist ein messtechnisches Problem, da viele Verfahren gemäß des Standes der Technik wegen der zerstörerischen Wirkung gewisser im zu analysierenden Fluid (d. h. im Messmedium) vorhandener Substanzen nicht einsetzbar oder nur mit erheblichem Material- und Kostenaufwand adaptierbar sind. Des Weiteren weisen viele Feuchtesensoren Querempfindlichkeiten bezüglich verschiedener im zu analysierenden Fluid vorhandener Substanzen auf, welche das Messergebnis verfälschen können. Ein Beispiel für die Messung in einer stark belasteten und chemisch aggressiven Atmosphäre ist z.B. die Messung der Feuchte von Rauchgas in Abgasanlagen.
Ein Verfahren für solche Zwecke ist z.B. aus der deutschen Patentanmeldung DE 41 42 118 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Sauerstoffanteile in einem feuchten Rauchgasstrom und einem getrockneten Referenzgasstrom unter Verwendung eines Zirkon-Messelementes gemessen. Die Differenz der Sauerstoffanteile ist ein Maß für den Feuchteanteil im Rauchgas. Eine Voraussetzung für den Einsatz dieses Verfahrens ist allerdings, dass in dem Messgas Sauerstoff vorhanden ist. Darüber hinaus ist der aparative Aufwand enorm.
Viele bekannte Verfahren benützen auch Taupunktspiegel. Diese sind jedoch auch nur bedingt für stark belastete Umgebungen geeignet, denn gemessen wird der Gemischtaupunkt – in saurer Atmosphäre der Säuretaupunkt – wobei der Spiegel durch das Der Einsatz kostengünstiger Feuchtesensorik scheitert zumeist an der Unbeständigkeit des Sensormaterials gegen aggressive Substanzen, die im Messmedium vorhandenen sind, und an den meist vorhandenen Querempfindlichkeiten und Drifterscheinungen, deren Ursache im Einwirken dieser Substanzen liegt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen und einfach zu handhabenden Feuchtesensor zur Verfügung zu stellen, welcher für den Einsatz in stark belasteter, insbesondere in saurer Atmosphäre geeignet ist.
Dieses Ziel wird durch eine Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 und einer Messkammer nach Anspruch 7 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der wesentliche Aspekt der Erfindung besteht darin, dass statt der Verwendung eines entsprechend robusten Sensors ein kostengünstiger Standard-Feuchtesensor, beispielsweise ein kapazitiver Polymer-Feuchtesensor, eingesetzt wird, welcher mit Hilfe einer Schutzeinrichtung vor den schädlichen Einflüssen der ihn umgebenden Atmosphäre geschützt ist. Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung ist beispielsweise eine Schutzkappe, die den Sensor umgibt, oder ein abgetrennter Bereich einer Messkammer, in der der Sensor angeordnet ist. Der Sensor ist durch diese Schutzeinrichtung gasdicht von der ihn umgebenden Atmosphäre getrennt. Ein Austausch kann allein über eine in der Schutzeinrichtung vorgesehene Membran erfolgen.
Diese Membran muss einerseits dafür geeignet sein, sämtliche für den Sensor schädlichen Stoffe vom Sensormaterial fernzuhalten, gleichzeitig muss sie jedoch für Wasser bzw. Wasserdampf permeabel sein. Als Material für diesen Zweck eignet sich ein sulfoniertes Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE), das auch unter dem Handelsnamen Nafion bekannt ist, besonders gut.
Nafion hat als Material für Kationenaustauschmembranen z.B. bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse und auch in der Brennstoffzellentechnik große Bedeutung. Es besitzt eine strukturelle Ähnlichkeit mit Teflon, ist hydrophil, als dünne Folie kationenpermeabel und dennoch – wie Teflon – chemisch äußerst widerstandsfähig gegen Hitze (bis ca. 190°C) bzw. Säuren und Laugen.
Die Durchlässigkeit von Nafion für Wasserdampf ist nicht auf mechanische Eigenschaften wie z.B. eine gewisse Porengröße zurückzuführen, sondern auf einen Transport durch chemische Bindung von Wasser. Dieser Transport findet statt bis auf beiden Seiten der Nafion-Membran der gleiche Wasserdampfpartialdruck vorliegt. Ändert sich also der Feuchtigkeitsgehalt im Messmedium außerhalb der Schutzeinrichtung, dann findet durch die Membran solange ein Transport von Wasser bzw. Wasserdampf statt, bis auf beiden Seiten der Membran die gleichen Wasserdampfpartialdrücke herrschen.
Der Feuchtesensor innerhalb der Schutzeinrichtung misst unabhängig von der Zusammensetzung des Messmediums außerhalb der Schutzeinrichtung immer die Feuchtigkeit des Mediums (meist Luft oder einer anderen definierten Atmosphäre) innerhalb der Schutzkappe, wobei durch die Nafion-Membran garantiert wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt der Luft innerhalb der Schutzeinrichtung der gleiche ist wie in dem Messmedium außerhalb.
Solange die Membran nur Wasserdampf transportiert, können keine Querempfindlichkeiten auftreten, des Weiteren werden für den Sensor schädliche Stoffe durch die Membran vom Sensor ferngehalten.
Neben Wasserdampf gibt es jedoch noch weitere Stoffe für die Nafion permeabel ist. Dazu gehören z.B. Alkohole oder Aceton, also organische Lösungsmittel mit Hydroxylgruppe, Ammoniak und Wasserstoffperoxid. Für diese Stoffe ist der Schutzmechanismus nicht gegeben.
Die Hauptanwendung der Erfindung liegt in der Feuchtemessung in einer belasteten Luft-Atmosphäre. Grundsätzlich wäre es auch möglich eine Messung in Flüssigkeiten (z.B. Messung des Feuchtegehalt in Ölen) durchzuführen. Die Wirkungsweise der Membran unterscheidet sich jedoch nicht von einer Messung in einer Gasatmosphäre. Statt der Verwendung einer Nafion-Membran könnte der Sensor auch direkt mit einer Schicht aus Nafion beschichtet werden. Die Wirkungsweise einer solchen Schutzschicht wäre ähnlich die einer Membran.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Schutzkappe an einem Sondenrohr zur Aufnahme eines Feuchtesensors.
2 eine schematische Darstellung einer Messkammer, welche von dem zu analysierenden Messmedium durchströmt werden kann und bei der der Feuchtesensor durch eine Trennwand mit einer Nafion-Membran von der übrigen Messkammer getrennt ist.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt eine mögliche Ausführung einer zylinderförmigen Schutzkappe 10 aus Edelstahl. Diese weist schlitzförmige Öffnungen 11 auf, welche von einer Membran 12 aus Nafion abgedeckt werden, so dass Wasserdampf ausschließlich durch die Membran auf die oben beschriebene Art und Weise ins Innere der Schutzkappe gelangen kann. An einem ersten Ende 13 der Schutzkappe ist diese über eine Glasdurchführung 14 mit einem Sondenrohr 15 verbunden. Dieses dient zur Aufnahme der Zuleitungen zum Sensor und zur Aufnahme von Teilen der Sensor-Elektronik. Die Glasdurchführung 14 dient als gasdichte Kontaktdurchführung für die Zuleitungen zum Sensor. Die Verbindung zwischen Sondenrohr 15 und Schutzkappe 10 ist noch mit einem Schrumpfschlauch 16 gasdicht abgedichtet. Die Schutzkappe 10 weist an ihren beiden Ende ein Gewinde auf. In ein erstes Gewinde 18 am ersten Ende 13 der Schutzkappe 10 ist ein Feuchtigkeitssensor einschraubbar, dessen Zuleitungen in das Sondenrohr 15 führen. In ein zweites Gewinde 19 am zweiten Ende 17 der Schutzkappe 10 ist ein Verschluss 20 aus Teflon eingeschraubt. Diese Schraubverbindung ist ebenfalls mit einem Schrumpfschlauch 21 gasdicht abgedichtet, der zusätzlich mit einem Kleber 22 fixiert ist. Dazu ist zwischen dem Teflon-Verschluss 20 und dem Schrumpfschlauch 21 in einer umlaufenden Nut ein geeigneter Kleber 22 angeordnet. An dem der Schutzkappe abgewandten Ende des Verschlusses 20 ist noch ein Gewinde 23 angeordnet, auf das eine weitere zweiteilige Kappe 30 aus Teflon aufgeschraubt ist, welche die Schutzkappe vollständig umschließt und sich bis zum Sondenrohr 15 erstreckt. Der erste dem Sondenrohr 15 abgewandte Teil 31 der Kappe besteht aus massiven Teflon, der zweite, die Nafion-Membran 12 und die Edelstahl-Schutzkappe 10 umgebende Teil besteht aus einem porösen Teflon-Sinterkörper 32, welche für das Messgas durchlässig ist.
Der Teflon-Sinterkörper 32 kann zusätzlich noch mit einem katalytischen Material versehen sein, sodass gewisse Substanzen im Messgas beim Hindurchtreten durch die Poren des Sinterkörpers 32 katalytisch abgebaut bzw. zersetzt werden. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn im Messgas Substanzen vorhanden sind, für die Nafion-Membran durchlässig ist und dennoch den Sensor schädigen können.
Eine solche Substanz ist beispielsweise Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Die Nafion-Membran selbst ist für Wasserstoffperoxid durchlässig, sodass die Membran den Feuchtesensor nicht vor dem schädlichen Einfluss von H₂O₂ schützen kann. Aus diesem Grund ist in den Poren des Teflon-Sinterkörpers 32 ein katalytisches Material, in diesem Fall beispielsweise Braunstein (Manganoxid) angeordnet. Die Poren sind groß genug, damit das zu analysierende Messgas in ausreichendem Maße durch den Teflon-Sinterkörper 32 hindurchtreten und zum Feuchte-Sensor gelangen kann. Das im Messgas enthaltene Wasserstoffperoxid kommt dabei jedoch so stark mit dem Katalysator in Kontakt, wodurch eine chemische Reaktion erfolgt, durch die das Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff umgewandelt wird. Durch diese katalytische Reduktion wird das Wasserstoffperoxid beim Hindurchtreten durch den porösen Sinterkörper 32 praktisch vollkommen eliminiert.
Für den Verschluss 20 und die außen liegende Kappe 30 muss nicht unbedingt Teflon als Material verwendet werden, sondern es ist auch jedes andere Material mit hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Beständigkeit gegenüber Säuren, Laugen und ähnlichen schädlichen chemischen Einflüssen geeignet. Auch sind statt der Verwendung von Schraubverbindungen (18, 19, 23) auch andere Verbindungen, wie z. B. Klebeverbindungen, Löt- oder Schweißverbindungen denkbar.
Auch bei der Membran 12 ist statt Nafion auch der Einsatz eines beliebigen anderen Materials, welches – neben der oben erwähnten Temperaturbeständigkeit und chemischen Beständigkeit – zusätzlich eine hohe Selektivität und Permeabilität für Wasser bzw. Wasserdampf aufweist. Die Durchlässigkeit für Wasserdampf ist, wie schon erwähnt, nicht auf mechanische Eigenschaften zurückzuführen, sondern auf den Transport durch chemische Bindung von Wasser, sodass ein Transport von Substanzen aus der Umgebung in die Schutzkappe 10, mit Ausnahme über den beschriebenen Mechanismus durch die Membran, ausgeschlossen ist. Da nur Wasserdampf durch die Membran 12 ins Innere der Schutzkappe 10 gelangt, werden Beschädigungen des Sensors durch ätzende oder andere aggressive Substanzen ausgeschlossen und Querempfindlichkeiten vermieden.
In 2 ist der Feuchtesensor nicht mit einer Schutzkappe umgeben, sondern in eine Messkammer 50 eingebaut. Diese Messkammer wird über zwei Anschlüsse 51 und 52 mit dem Messgas durchströmt. Im einem Bereich des Innenraums 53 der Messkammer 50 ist eine Feuchtesensor 54 angeordnet, der durch eine Trennwand 55 vom restlichen Bereich des Innenraums 53 abgetrennt ist. Dadurch wird erreicht, dass das durchströmende Gas nicht direkt an den Sensor 54 gelangen kann, sondern – wie zuvor bei der Schutzkappe 10 – ein Feuchtigkeitsaustausch nur über eine oder mehrere von einer Nafion-Membran 56 bedeckte Öffnungen in der Trennwand 55 stattfindet. Die Wirkung der Membran 56 ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die gleiche wie bei dem in 1 gezeigten Beispiel.
Die Messkammer 50 kann in den Raum (z. B. ein Abgasrohr) mit dem Messgas platziert werden oder in eine Absaugsonde z.B. für die Rauchgasanalyse integriert werden. Die Zu- und Abfuhr des zu analysierenden Gases findet über die beiden Anschlüsse, nämlich eine Zuleitung 51 und eine Ableitung 52, statt.
In einer speziellen Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Messkammer 50 und/oder die Zuleitung 51 beheizbar ausgeführt und die Messkammer 50 ist in ein separates Analysegerät eingebaut. Die Membran 56 wird auf die Trennwand 55 entweder aufgeklebt oder wiederabnehmbar angebracht. In diesem Fall sind Dichtungen (Dichtringe) zwischen Membran 56 und Trennwand 55 notwendig. Als Material für die Messkammer 50 und auch für die Trennwand 55 eignet sich aus bereits diskutierten Gründen besonders gut Teflon.

10: Schutzkappe
11: schlitzförmige Öffnungen
12: Membran aus Nafion
13: erstes Ende von 10
14: Glasdurchführung
15: Sondenrohr
16: Schrumpfschlauch
17: zweites Ende
18: erstes Gewinde
19: zweites Gewinde
20: Verschluss
21: Schrumpfschlauch
22: Kleber
23: weiteres Gewinde
30: Kappe
31: erster Teil von 30
32: zweiter Teil von 30, Sinterkörper
50: Messkammer
51: erster Anschluss, Zuleitung
52: zweiter Anschluss, Ableitung
53: Innenraum von 50
54: Sensor
55: Trennwand
56: Membran aus Nafion

Claims

Schutzeinrichtung für einen Feuchtigkeitssensor mit einer Schutzkappe (10), welche Öffnungen (11) aufweist, die derart mit einer Membran (12) bedeckt sind, dass ein Stoffaustausch zwischen einem in der Umgebung befindlichen Messmedium und dem Inneren der Schutzkappe (10) ausschließlich durch die Membran (12) stattfinden kann, wobei die Membran (12) aus einem Kunststoff mit hoher Permeabilität für Wasserdampf, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Beständigkeit gegen ätzende Substanzen besteht.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Membran (12) aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer besteht.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Membran (12) aus Nafion besteht.
Schutzeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Schutzkappe als äußerste Schicht einen porösen Schutzkörper (32) aufweist, in dessen Poren eine katalytisch wirkende Substanz angeordnet ist, der störende Substanzen im Messmedium wenigstens teilweise eliminiert.
Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, bei der der Schutzkörper (32) ein poröser Teflon-Sinterkörper ist.
Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der die katalytisch wirkende Substanz Manganoxid ist.
Messkammer mit zwei Anschlüssen (51, 52), bei der im Innenraum (53) der Messkammer ein Sensor (54) angeordnet ist, wobei das Messmedium über die beiden Anschlüsse (51, 52) den Innenraum (53) der Messkammer durchströmt und wobei der Sensor (54) von dem ihn umgebenden Messmedium durch eine Trennwand (55) mit einer Membran (56) aus einem Kunststoff mit ho her Permeabilität für Wasserdampf, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Beständigkeit gegen ätzende Substanzen getrennt ist.
Messkammer nach Anspruch 7, bei der die Membran (56) aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer besteht.
Messkammer nach Anspruch 8, bei der die Membran (56) aus Nafion besteht.
Messkammer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die beiden Anschlüsse (51, 52) beheizbar ausgeführt sind.