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Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
Lesen Sie die Bedienungsanleitung vor dem Gebrauch des Gerätes gründlich durch, insbesondere die Hinweise unter Gliederungspunkt 2. Andernfalls könnten Gesundheits- oder Sachschäden auftreten. Die Bühler Technologies GmbH haftet nicht bei eigenmächtigen Änderungen des Gerätes oder für unsachgemäßen Gebrauch.
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
Bühler Technologies GmbH, Harkortstr. 29, D-40880 Ratingen,
Tel. +49 (0) 21 02 / 49 89-0, Fax. +49 (0) 21 02 / 49 89-20
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Sauerstoff Analysator BA 4510
Inhaltsverzeichnis Seite
Grundlagen der Anwendung potentiometrischer ZrO
-Rohrverschraubungen ........................................................... 26
2
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Sauerstoff Analysator BA 4510
1 Einleitung
Der Analysator BA 4510 dient zur kontinuierlichen Messung der Sauerstoffkonzentration in Industrie-,
Labor- und Schutzgasen sowie im Prozess der Mischung und Herstellung spezieller Formiergase. Dabei ist in Inertgasen die Messung der Konzentration des freien Sauerstoffs und in Gasgemischen auch die
Konzentration des gebundenen Sauerstoffs möglich. Der Sauerstoffgehalt eines Messgases wird kontinuierlich gemessen und angezeigt. Abweichungen von einstellbaren Sollwerten werden signalisiert.
Schutzgase werden auf ihre Reinheit und geforderte Schutzwirkung überwacht. Damit sind bestimmte
Produktionsprozesse unter Schutzgas kontrollierbar.
!
VORSICHT
Aggressive Medien
Beschädigung des Gerätes möglich.
Die Einleitung von Halogenen in hohen Konzentrationen und schwefelhaltigen
Gasen (z.B. SO
2
) in das Gerät ist nicht zulässig.
Der Kontakt mit silizium- oder phosphorhaltigen Verbindungen ist nicht zulässig.
!
GEFAHR
Explosionsgefahr bei Verwendung in Explosionsgefährdeten Bereichen
Schwere oder tödliche Verletzungen, erhebliche Sachschäden.
Die Verwendung des Gerätes in explosionsgefährdeten Räumen und das
Einleiten von explosiven Gasgemischen, Halogenen in hoher Konzentration und schwefelhaltigen Gasen (z.B. SO
2
) ist nicht zulässig.
Bitte überprüfen Sie vor Einbau des Gerätes, ob die genannten technischen Daten den Anwendungsparametern entsprechen. Überprüfen Sie ebenfalls, ob alle zum Lieferumfang gehörenden Teile vollständig vorhanden sind.
Der Einsatz der Geräte ist nur zulässig, wenn:
− das Produkt unter den in der Bedienungs- und Installationsanleitung beschriebenen Bedingungen, dem
Einsatz gemäß Typenschild und für Anwendungen, für die es vorgesehen ist, verwendet wird.
− die im Datenblatt und der Anleitung angegebenen Grenzwerte eingehalten werden.
− die Service- und Reparaturarbeiten, die nicht in dieser Anleitung beschrieben sind, von Bühler
Technologies GmbH durchgeführt werden.
− Originalersatzteile verwendet werden.
Diese Bedienungsanleitung ist Teil des Betriebsmittels. Der Hersteller behält sich das Recht vor, die
Leistungs-, die Spezifikations- oder die Auslegungsdaten ohne Vorankündigung zu ändern. Bewahren Sie die Anleitung für den späteren Gebrauch auf.
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Begriffsbestimmungen für Warnhinweise:
HINWEIS
Signalwort für wichtige Information zum Produkt, auf die im besonderen Maße aufmerksam gemacht werden soll.
VORSICHT
Signalwort zur Kennzeichnung einer Gefährdung mit geringem Risiko, die zu einem Sachschaden oder leichten bis mittelschweren Körperverletzungen führen kann, wenn sie nicht vermieden wird.
WARNUNG
Signalwort zur Kennzeichnung einer Gefährdung mit mittlerem Risiko, die möglicherweise
Tod oder schwere Körperverletzungen zur folge hat, wenn sie nicht vermieden wird.
GEFAHR
Signalwort zur Kennzeichnung einer Gefährdung mit hohem Risiko, die unmittelbar Tod oder schwere Körperverletzung zur folge hat, wenn sie nicht vermieden wird.
Warnung vor einer allgemeinen Gefahr
Warnung vor explosionsgefährdeten Bereichen
Netzstecker ziehen
Warnung vor elektrischer
Spannung
Warnung vor heißer
Oberfläche
Atemschutz tragen
Warnung vor dem
Einatmen giftiger Gase
Gesichtsschutz tragen
Warnung vor ätzenden
Flüssigkeiten
Handschuhe tragen
Das Gerät darf nur von Fachpersonal installiert werden, das mit den Sicherheitsanforderungen und den
Risiken vertraut ist.
Beachten Sie unbedingt die für den Einbauort relevanten Sicherheitsvorschriften und allgemein gültigen
Regeln der Technik. Beugen Sie Störungen vor und vermeiden Sie dadurch Personen- und Sachschäden.
Der für die Anlage Verantwortliche muss sicherstellen, dass:
− Sicherheitshinweise und Betriebsanleitungen verfügbar sind und eingehalten werden,
− Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossenschaften beachtet werden; in Deutschland:
Allgemeine Vorschriften” (VBG 1) und “Elektrische Anlagen und Betriebsmittel (VBG 4)”,
− die zulässigen Daten und Einsatzbedingungen eingehalten werden,
− Schutzeinrichtungen verwendet werden und vorgeschriebene Wartungsarbeiten durchgeführt werden,
− bei der Entsorgung die gesetzlichen Regelungen beachtet werden.
Wartung, Reparatur:
− Reparaturen an den Betriebsmitteln dürfen nur von Bühler autorisiertem Personal ausgeführt werden.
− Nur Umbau-, Wartungs- oder Montagearbeiten ausführen, die in dieser Bedienungs- und
Installationsanleitung beschrieben sind.
Bei Durchführung von Wartungsarbeiten jeglicher Art müssen die relevanten Sicherheits- und
Betriebsbestimmungen beachtet werden.
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!
GEFAHR
Elektrische Spannung
Gefahr eines elektrischen Schlages.
Trennen Sie das Gerät vor Beginn der Wartungsarbeiten vom Netz. Sichern
Sie das Gerät gegen unbeabsichtigtes Wiedereinschalten.
Anschluss und Wartung dürfen nur von geschultem Fachpersonal vorgenommen werden. Achten Sie auf die korrekte Spannungsversorgung!
!
GEFAHR
Giftige, ätzende Gase
Messgas kann gesundheitsgefährdend sein.
Sorgen Sie ggf. für eine sichere Ableitung des Gases.
Stellen Sie vor Beginn der Wartungsarbeiten die Gaszufuhr ab und sichern
Sie sie gegen unbeabsichtigtes Aufdrehen.
Schützen Sie sich bei der Wartung vor giftigen / ätzenden Gasen. Tragen Sie die entsprechende Schutzausrüstung.
!
GEFAHR
Explosionsgefahr bei Verwendung in Explosionsgefährdeten Bereichen
Das Betriebsmittel ist nicht für den Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen geeignet.
Durch das Gerät dürfen keine zündfähigen oder explosiven Gasgemische,
Halogenen in hoher Konzentration und schwefelhaltige Gase (z.B. SO
2
) geleitet werden.
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3 Produktbeschreibung
3.1 Messprinzip
Die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen ist in der Industrie, aber auch in Laboratorien eine häufig erhobene Forderung. Am häufigsten wird in Gasen gemessen, die eine merkliche, von der Temperatur unabhängige Sauerstoffkonzentration aufweisen. Als Grundlage für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen mit dem BA 4510 dient die NERNST-Gleichung.
(I)
U
=
RT
ln
zF p
O
2 ,
Luft p
O
2
,
Messgas
Dabei ist:
U
R
T
F z p p
O
2
,Luft
O
2
,Messgas
Zellenspannung in mV
Molare Gaskonstante, R=8,31441 J/mol
⋅K
Messtemperatur in K
Faraday-Konstante, F = 9,6485 · 10
4
C/mol
Wertigkeit der beteiligten Ionen
Partialdruck des Sauerstoffes an der
Bezugselektrode in trockener Luft in Pa
Partialdruck des Sauerstoffes an der Messelektrode im Messgas in Pa.
Der BA 4510 enthält einen Sensor, der die Oxidionenleitfähigkeit von Keramik aus Zirkoniumdioxid mit stabilisierenden Zusätzen nutzt. Die Oxidionenleitfähigkeit von Zirkoniumdioxid steigt exponentiell mit der
Temperatur an und erreicht oberhalb von 600 °C genügend große Werte.
Der keramische Oxidionenleiter wird als gasdichtes Rohr eingesetzt, durch das ein zu messendes Gas hindurchgeleitet wird. Das Keramikrohr befindet sich axialsymmetrisch in einem thermisch gut isolierten elektrischen Ofen. Die Elektroden der galvanischen Messzelle sind aus Platin hergestellt. Die Elektrode auf der Außenseite des Rohres, umgeben von trockener Luft, dient als Bezugselektrode mit konstantem, bekanntem Elektrodenpotential.
Unter der Voraussetzung, dass die Gesamtdrücke der Gase an beiden Elektroden in etwa gleich groß sind, kann man mit Volumenkonzentrationen ϕ anstelle der Partialdrücke rechnen, Damit ergibt sich nach
Einsetzen der Zahlenwerte für die Konstanten in Gleichung (I) folgende Bestimmungsgleichung für die
Sauerstoffkonzentration:
(II) ϕ
O
2
,
Messgas
ϕ
O
2
,
Messgas
Dabei ist:
= ϕ
O
2
,
Luft
⋅
e
(
zF
R
⋅
U
T
) ϕ
O ,
Messgas
=
20 , 64
⋅
e
(
−
46 , 42
⋅
U
)
T
U
T
Sauerstoffkonzentration im Messgas in Vol.-%
Potentialdifferenz in mV
Messtemperatur in K
20,64 Sauerstoffkonzentration in Luft mit relativer Feuchte von 50% in Vol.-%.
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3.2 Messbedingungen
Der Sauerstoff kann im Messgas in freier oder gebundener Form vorkommen. Wenn nicht genügend
„freier Sauerstoff“ neben brennbaren Gaskomponenten vorhanden ist, stellt sich an der heißen
Platinelektrode ein chemisches Gleichgewicht ein. Die Zelle misst dann die Konzentration des
„Gleichgewichtssauerstoffs“. (Die Grundlagen sind im Anhang Kapitel 10.1 erklärt.)
Dabei gelten folgende Abhängigkeiten:
U
~
T
– Sauerstoff in freier Form vorhanden
1
U
~
T
– Sauerstoff in gebundener Form vorhanden
Die Bestimmungsgleichung (II) gilt sowohl für Messgase mit freiem Sauerstoff als auch für reduzierende
Gasgemische, in denen Sauerstoff nur in gebundener Form vorliegt, z.B. in H
2
/H
2
O- oder CO/CO
2
-
Gemischen.
3.2.2 Messgas-Durchflussmenge
Zur Gewährleistung einer exakten Messung ist eine Durchflussmenge des Messgases zwischen 5 und
Gasleitungen (Lecks, Permeabilitäten, Desorptionen) fehlerhaft auf das Messergebnis aus. Bei zu großer
Durchflussmenge können asymmetrische Abkühlungen des Sensors Messfehler verursachen.
Mit einem Differenzdrucksensor erfolgt die Messung des Gasflusses. Bei Über- bzw. Unterschreitung der
Grenzwerte liefert das Gerät eine Fehlermitteilung, aber die Messung wird fortgesetzt.
Wird das Gerät mit der internen Gaspumpe betrieben, erfolgt über die Durchflussmessung eine Regelung der Pumpe. Es wird immer ein optimaler Gasfluss von 7 l/h eingestellt.
3.2.3 Genauigkeit der Messung
Der Hersteller garantiert einen Messfehler von < 5% (relativer Fehler) nur bei der Messung von
Sauerstoffkonzentrationen in der Größenordnung 2
⋅10 5
…10 ppm (Die Einheit ppm wird im gesamten
Handbuch im Sinne von Vol.-ppm gebraucht). Bei der Messung von Sauerstoffkonzentrationen von 10…1 ppm liegt der relative Fehler unter 5 %, wenn die Gaszuleitung keine Lecks oder Permeabilitäten aufweist.
Bei der Messung von Sauerstoffkonzentrationen < 10 ppm müssen bei der Auswertung des Messwertes anwenderseitig folgende Aspekte berücksichtigt werden:
• Zusammensetzung des Messgases (z.B. Anwesenheit reduzierender Gasbestandteile)
• spezifische Besonderheiten des Produktionsprozesses (z.B. Einsatzmaterialien)
• Temperatur des Messgases.
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!
HINWEIS
Zur Minimierung des Messfehlers bei der Messung geringer Sauerstoffkonzentrationen sind folgende mess- und apparatetechnische Voraussetzungen zu gewährleisten:
• Die Stelle, von der das Messgas abgesaugt werden soll, ist so zu wählen, dass eine eventuelle Strähnenbildung am Absaugort ausgeschlossen werden kann.
• Der Transportweg des Messgases bis zur Messzelle ist so kurz wie möglich zu gestalten, um eine Verlagerung des chemischen Gleichgewichtes auf dem
Transportweg weitestgehend auszuschließen.
• Alle Gaszuleitungen und -ableitungen müssen absolut dicht sein.
• Bei der Messung von Sauerstoffkonzentrationen < 1000 ppm ist der Einsatz von Edelstahlrohrleitungen notwendig.
• Enthält das Messgas reduzierende Bestandteile (z.B. Alkohole), kann die
Konzentration des freien Sauerstoffes nicht bestimmt werden, da an der
Elektrode chemische Reaktionen ablaufen. In solchen Fällen ist es zweckmäßig, das Messgas vor dem Gaseintritt durch einen Aktivkohlefilter zu leiten.
4 Aufbau des BA 4510
Das Gerät ist in einer transportablen, kompakten Laborausführung lieferbar. Die prinzipielle Struktur der
Abbildung 1: Prinzipieller Geräteaufbau, Gerätebaugruppen
8
Das Messgas wird mit geringem Überdruck in die Messzelle gedrückt bzw. in der Ausführung mit Pumpe durch die Messzelle gesaugt. Zur Regulierung der Durchflussmenge können ein Nadelventil und/oder ein
Druckminderer vor dem Gaseintritt installiert werden. Bei der Variante mit Pumpe wird die
Durchflussmenge über eine Regelung der Pumpenleistung konstant gehalten.
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4.1.2 Konstruktionsprinzip der Festelektrolytmesszelle
1 Keramikrohr
Referenzelektrode
3 Messelektrode
4 Referenzelektrode
5 Thermoelement
Referenzelektrode
Messelektrode
Abbildung 2: Konstruktion der Festelektrolytmesszelle
Die Messzelle ist in Form eines Rohres aus Zirkoniumdioxid-Keramik mit zwei Elektroden aus Platindraht ausgebildet. Innerhalb des Rohres, das vom Messgas durchströmt wird, befindet sich die Messelektrode.
Die Elektrode außerhalb des Rohres dient als Referenzelektrode mit konstantem Elektrodenpotential. Die
Elektroden und das Keramikrohr bilden eine galvanische Zelle (Festelektrolytmesszelle).
Um günstige Werte für die Oxidionenleitfähigkeit des Zirkoniumdioxids zu erhalten und Störreaktionen durch Nichtgleichgewichte mit brennbaren Komponenten des Messgases zu vermeiden, wird die Messzelle auf 750 °C aufgeheizt. Ein Thermoelement an der Messzelle ermittelt die aktuelle Messtemperatur T. Die konstante Messtemperatur wird durch eine elektronische Regelschaltung gewährleistet.
!
VORSICHT
Gefahr der Überhitzung
Überhitzung führt zur Beschädigung des Gerätes.
Durch die Heizung entsteht im Schutzgasmessgerät Verlustwärme. Deshalb dürfen keine Gegenstände auf dem Gerät oder in dessen unmittelbarer Nähe abgelegt werden.
Den prinzipiellen Aufbau der elektronischen Messwertverarbeitung veranschaulicht das Blockschaltbild (in
Abbildung 3 im nächsten Kapitel).
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Eine Übersicht über die Signalverarbeitung gibt das folgende Blockschaltbild.
Messzelle
Verstärker
Zellspannung
Verstärker
Thermospannung
Heizungsregler
Mikrokontroller
Display
Tastatur
Analogausgang
Relaisausgang
RS232
0,8 A (selbstrückstellend)
Netzteil
1,0 A
100…240 V AC, 47…63 Hz
Abbildung 3: Blockschaltbild des BA 4510
4.2 Aufbau des BA 4510
Beim SGM7 befinden sich alle Baugruppen (Hauptelektronik, Durchflussmesser, Pumpe, Netzfilter, Messzelle) in einem tragbaren
Gehäuse.
4.2.2 Netzanschluss
Das SGM7 wird über die mit dem Gerät fest verbundene Geräteanschlussleitung an das Netz angeschlossen.
Das SGM7 ist als Tischgerät konzipiert. Die Betriebslage des SGM ist horizontal, mit einem maximalen
Neigungswinkel von 30°.
4.2.3 Vorderseite
An der Vorderseite des Gerätes befinden sich Anzeige- und Bedienelemente. Der Messwert wird je nach
Größe und Programmierung in Vol.-% oder in Vol.-ppm auf einem Display angezeigt.
1 Vol.-% entspricht 10
4
Vol.-ppm, 1 Vol.-ppm entspricht 0,0001 Vol.-%.
Eine Leuchtdiode dient als Betriebsanzeige und signalisiert durch Farbe und ggf. Blinken bestimmte
Betriebs- bzw. Warnzustände (s. Kapitel 6.???).
Rechts befindet sich eine Tastatur, die zur Auswahl der Anzeige oder zur Programmierung des Gerätes dient.
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BA 4510
4.2.4 Rückseite
An der Rückseite des SGM7 befinden sich Gasein- und –austritt, eine Sub-D-Buchse für die RS232-
Schnittstelle und der Netzschalter. Das Netzkabel ist fest mit dem Gerät verbunden.
analog power
0
I gas in
RS 232 gas out
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5 Aufbauen und Anschließen
5.1 Aufstellungsbedingungen
Das Schutzgasmessgerät SGM7 ist in einem trockenen und weitestgehend staubfreien Raum auf einer stabilen, ebenen Unterlage aufzustellen.
• In der unmittelbaren Nähe des Aufstellungsortes ist eine Schutzkontaktsteckdose, möglichst als gesonderter Stromkreis, abgesichert mit 10 A, für den Netzanschluss vorzusehen.
• In der Nähe des Aufstellungsortes dürfen sich keine Wärmequellen oder Geräte befinden, die starke Magnetfelder erzeugen (z.B. Elektromotoren, Transformatoren).
• Die Betriebslage des BA 4510 ist horizontal.
!
!
VORSICHT
Wärmestau
Schäden am Gerät durch ungenügende Luftzirkulation.
Stellen das Gerät immer waagerecht auf. Eine senkrechte Aufstellung ist wegen möglicher Schäden am Gerät durch Wärmestau nicht zulässig.
!
!
VORSICHT
Eindringen von Flüssigkeit
Das Eindringen von Flüssigkeiten in das SGM kann zu schweren Beschädigungen bis hin zur vollständigen Zerstörung des Messgerätes führen.
Keine mit Flüssigkeiten gefüllte Gegenstände auf oder in unmittelbarer Nähe des BA 4510 aufstellen!
5.2 Herstellen der Betriebsbereitschaft
!
HINWEIS
Beim Transport aus kalter Umgebung zum Einsatzort mit höherer
Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit ist vor dem Einschalten des SGM eine Wartezeit von mindestens zwei Stunden zum Temperaturausgleich zu berücksichtigen.
¾ BA 4510 am gewünschten Ort aufstellen (s. Kapitel 5.1).
¾ Leitungsverbindungen von der Messstelle zu den Anschlüssen für Gasein- und -austritt herstellen.
Auf Dichtheit der Leitungsverbindungen achten.
¾ Bei Notwendigkeit einer Druckbegrenzung einen Druckregler mit einem Nadelventil (vom Hersteller des SGM7 lieferbar) vor dem Gaseintritt installieren.
¾ Wenn das Messgas Wasserdampf enthält, der in den kalten Anschlussleitungen kondensieren kann, muss das Kondensat vor dem Gerät aufgefangen werden. Wasser darf auf keinen Fall in die heiße Messzelle gelangen.
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Stelle beeinflussen mögliche Lecks das Messergebnis nicht).
¾ BA 4510 an die Netzversorgung anschließen.
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Anschlussmöglichkeiten
Möglich ist der Anschluss des Gerätes mit Umgehungsleitung (Bypass, interne Pumpe saugt das Messgas an!) bzw. mittels direkter Gaseinleitung (Nur 0,1 bar Überdruck zulässig).
Material der Verbindungsleitungen
Das Material der Verbindungsleitungen muss insbesondere bei langen Transportwegen und ungünstigen
Temperaturverhältnissen so gewählt werden, dass eine Sauerstoffpermeabilität ausgeschlossen ist. Der
Hersteller empfiehlt in Abhängigkeit von den herrschenden Messbedingungen folgende Materialien:
• Niedrige Messgastemperatur dickwandige PVC-Schlauchleitungen
• Höhere Messgastemperatur
Tygon R 3603 (Lieferer z.B. novodirekt Kehl)
• Sauerstoffkonzentration < 1000 ppm
Edelstahlrohrleitungen.
!
HINWEIS
Bei der Montage von Swagelok-Verbindungen für Stahlleitungen sind unbedingt die im Anhang gegebenen Hinweise des Herstellers zu beachten.
Siliconschlauchleitungen können wegen ihrer Sauerstoffpermeabilität
Messungenauigkeiten verursachen. Der Hersteller rät deshalb vom Einsatz derartiger Verbindungsleitungen ab.
!
!
VORSICHT
Eindringen von Wasser in die heiße Messzelle
Das Eindringen von Wasser in die heiße Messzelle kann diese zerstören und muss deshalb unbedingt verhindert werden.
Enthält das Messgas so viel Wasserdampf, dass die Gefahr der Kondensation von Wasser in einer kalten Verbindungsleitung besteht, muss vor dem Eintritt des Messgases in das SGM ein Wasserabscheider installiert werden.
!
HINWEIS
Das Messgas kann auch durch das ausgeschaltete SGM strömen.
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6 Bedienung und Parametrierung
6.1 Bedienung
6.1.1 Einschalten und Messwertanzeige
Nach Herstellen der Betriebsbereitschaft des Schutzgasmessgerätes und dem Verlegen aller Leitungen gemäß Kapitel 5.2 kann das Gerät eingeschaltet werden. Nach ca. 10 Minuten hat die Messzelle ihre
Betriebstemperatur von 750°C erreicht. Der aktuelle Messwert wird angezeigt, liegt aber bis zum völligen
Ausgleich der thermischen Verhältnisse in der Messzelle erst nach einer Stunde innerhalb der angegebenen Fehlergrenzen.
Der BA 4510 befindet sich nach dem Einschalten im Anzeigemodus. Auf dem Display wird die im Ausgang programmierte Größe (in der Regel die aktuelle Sauerstoffkonzentration) entsprechend der gewählten
Dimension (Vol.-% oder ppm) angezeigt.
6.1.2 Einstellung der Durchflussmenge des Messgases
!
HINWEIS
Zur Gewährleistung einer exakten Messung ist eine Durchflussmenge von
5 ... 10 l/h einzustellen. Bei Messungen mittels Bypass wird die
Durchflussmenge durch die interne Pumpe realisiert.
Bei Überdruck des Messgases empfiehlt der Hersteller, ein hochwertiges Nadelventil direkt am Gaseintritt des Gerätes zu installieren. Entsprechende Nadelventile können vom Hersteller des BA 4510 bezogen werden. Bei höheren Drücken sollte noch ein Druckregler vorgeschaltet werden, der an seinem Ausgang einen Druck von ca. 100 kPa (1 bar) Überdruck einstellt.
6.1.3 Messwertüberwachung
Im Gerät kann ein Grenzwert programmiert werden, der über einen Relaisausgang Meldungen liefert. Das
Relais ist im aktiven Zustand geöffnet. (Bei aktivem Grenzwert wird dieser Zustand auch in der Statuszeile angezeigt). Diese Signalisierung erfolgt verzögert. Die Ansprechzeit für die Messwertüberwachung
(Grenzwertverzögerungszeit) kann zwischen 1 und 99 Sekunden eingestellt werden.
6.1.4 Status-/Fehlermeldungen
Während des Messvorganges werden Funktionen der Messzelle überwacht. Im Störungs-/Fehlerfall werden Fehlermeldungen ausgegeben. Gleichzeitig wird der Relaisausgang zur Störungssignalisierung aktiviert.
Status Anzeige
0 OK
1 GRENZWERT
Bemerkung
2 BEREICH
3 BEREICH
4 FLOW <<< < 5 l/h
5 FLOW >>>
6
7
8
>10 l/h
14
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Status
9
10
11
Anzeige
WARMLAUF
ZELLTEMP.<<<
FEHLER
THERMOELEM.
Bemerkung
Zelltemperatur zu niedrig
(warten, nach ca. 15 Minuten müssen 750 °C erreicht sein)
Solltemp. -10° und > 30 min
Thermoelementbruch
12
13
14 SYSTEMFEHLER
Status 1...8:
Status 9...14:
Warnungen, nur Alarmrelais aktiv
Fehler, Alarmrelais aktiv und Stromsignal null
6.2 Parametrierung
Parameter
Analoger Ausgang
Maximaler Messwert
Ansprechzeit des
Messwertes t
Verzögerungszeit des
Grenzwertes
90
Bereich
Display O
2
: 0…21 (100) Vol-% oder in ppm
0…20 mA oder 4…20 mA alternativ 0…10 V oder 2…10 V
Ausgangsskala Linear
Unterdrückter Nullpunkt 0,00001…21 Vol.-% oder
Übertragungsrate der
RS-232-Schnittstelle
Messgas-Durchfluss
Logarithmisch (Basis 10)
0,1…21000,0 ppm
20,000…21,000 Vol.-% oder
200000…210000 ppm, größere Werte auf Anfrage
1 ... 99 s bzw. 0…999999 ppm
1 ... 99 s
4800, 9600, 19200 Baud
Interne Pumpe über Tastatur ein- oder ausschaltbar,
Bemerkungen
Messbereich 100 Vol.-% auf
Anfrage
Logarithmische Skala empfohlen, wenn der Messwert mehrere
Dekaden überstreicht.
Zweckmäßig für eine optimale
Auflösung in einem bestimmten
Bereich
Dieser Wert entspricht jeweils dem Endwert des analogen
Signals (z.B. 20 mA)
Gebildet durch rechnerische
Mittelwertbildung des
Messwertes
Wählbar als unterer oder oberer
Grenzwert mit den Zeichen ”>” oder ”<”
Zeit, die der Grenzwert
überschritten sein muss, bevor
Alarm signalisiert wird.
Die Pumpleistung wird über eine
Durchflussmessung geregelt
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6.2.2 Programmiermenüs
Über die Tasten unter dem Display sind die folgenden Menüs erreichbar (die aktuelle Bedeutung der
Tasten wird jeweils auf dem Display angezeigt). Dabei kann immer über die j -Taste ein bestimmter
Parameter gewählt werden, der mit den verschiedenen Tasten verändert werden kann und abschließend wieder mit der j -Taste bestätigt wird.
A Hauptanzeige
SAUERSTOFF:
Durchflussanzeige
20.64
Vol%
WARMLAUF
Statuszeile
PUMPE AUS 650°C
Pumpenstatus (ein/aus mittels Taste) und Zelltemperatur
Folgende Betriebszustände werden durch eine Leuchtdiode visualisiert:
Rot blinkend: Fehler
Grün: OK
Gelb: Grenzwert
B Einstellungen
EINSTELLUNGEN_
GRUNDEINSTELLUNGEN
GRENZWERT
ANALOGAUSGANG
KALIBRIERUNG
ZURUECK
B.1 Grundeinstellungen
GRUNDEINSTELLUNGEN
SPRACHE: DEUTSCH
BAUDRATE: 9600
KONTRAST: 0
SIGNALTON: EIN
ZURUECK
English, Deutsch
4800,9600,19200
+- 9
AUS
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B.2 Grenzwert
GRENZWERT
WERT: > 206000 ppm
0…999999 ppm bzw. 0…99,99 Vol.-%
VERZOEGERUNG: 1 s
0...99s
ZURUECK
B.3 Analogausgang
ANALOGAUSGANG
WERT: Vol% O2
BEREICH: 4-20 mA
NULLPUNKT: 0.00 %
ENDWERT: 10.00 %
DAEMPFUNG: 1 s
ZURUECK
B.4 Kalibrierung
KALIBRIERUNG
NULLGASKALIBRIERUNG
BEREICHSGASKALIBRIER.
ZURUECK
Vol% O2, ppm O2, O2[log10] Option:O2 NGW, H20/H2
0-20 mA oder 4-20mA Option: 0-10V oder 2-10V
1-99s
B.4.1 Nullgaskalibrierung
NULLGASKALIBRIERUNG
MESSWERT: 206400 ppm
Aktueller Messwert
NULLGAS : 206400 ppm Nullgas immer 20.64 %
NULLGASKAL.: WARTE 5
Status
ABGL.WERT: - 4.5
Abgleichwert
1)
ZURUECK
1)
wird diese Zeile aktiviert und die Taste Enter ca. 3s lang gedrückt wird der Kalibrierwert auf 0.0 gesetzt
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Bereichskalibrierung
BEREICHSGASKALIBR.
MESSWERT: 209000 ppm Aktueller Messwert
PRUEFGAS : 1000 ppm
BEREICHSKAL.: WARTE 5 Kalibrierstatus
ABGL. WERT: 1.00 Abgleichwert
*
2
ZURUECK
*
2 wird diese Zeile aktiviert und die Taste Enter ca. 3s lang gedrückt wird der Kalibrierwert auf 1.00 gesetzt
B.4.4 Speicherung
WERTE SPEICHERN ?
JA
NEIN
6.3 Kalibrierung
Besonders vor Messungen mit hoher Genauigkeitsforderung sollte eine Kalibrierung vorgenommen werden
(Die Stabilität der Messzelle und der Elektronik ist so hoch, dass eine Überprüfung pro Jahr ausreichend
ist).
!
HINWEIS
Vor jeder Kalibrierung muss sich das Gerät mindest 1 Stunde im
Betriebszustand befinden.
6.3.1 Nullgaskalibrierung
Die Überprüfung ist besonders wichtig, wenn in der Nähe von 20 Vol.-% gemessen werden soll. Durch kleine mechanische Instabilitäten oder Alterungen kann die Heizung sich so verändern, dass sich der
Temperaturunterschied der Elektroden und damit die Zellspannung geringfügig verändert. Diese
Fehlspannung wird bei der Nullpunktkalibrierung kompensiert. Zur Nullpunktkalibrierung muss
Umgebungsluft mit der späteren Messgas-Geschwindigkeit die Zelle durchströmen. Dieser Zustand wird entweder durch die interne Pumpe (Außenluftansaugung) oder eine externe Pumpe (z.B. Aquariumpumpe) realisiert.
Zunächst wird über die Tastatur „Kalibrierung“ und danach „Nullgaskalibrierung“ aufgerufen. Nach Wählen von „Nullgaskal.:“ wird mittels Enter die Kalibrierung gestartet. Nach ca. 5 s ist die Kalibrierung beendet.
Nun wird mittels Tastatur „Zurück“ gewählt und durch Enter das Menü verlassen. Die Speicherung muss mit „ja“ quittiert werden.
18
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
6.3.2 Bereichsgaskalibrierung
Konzentration, bei der später gemessen werden soll). Der Ablauf wird durch das Menü vorgeschrieben.
Zunächst wird über die Tastatur „Kalibrierung“ und danach „Bereichsgaskalibrierung“ aufgerufen. Die O
2
-
Konzentration des Prüfgases muss mittels Tastatur eingeben werden. Nach Anwählen von „Bereichskal.:“ wir die Kalibrierung mittels Enter gestartet.
Die Stabilität des Messwerts (O
2
-Konzentration) wird während der Kalibrierung überprüft. Der eigentliche
Kalibrierprozess beginnt erst, wenn das durch das Prüfgas erzeugte Signal stabil ist. Deshalb kann der
Kalibriervorgang unterschiedlich lange dauern (die Schwankungsbreite muss innerhalb von 4 s kleiner als
1% sein).
Ist die Stabilität nicht gegeben, wird die Kalibrierung nach 60 s abgebrochen.
Weiterhin wird die Abweichung des Messwertes vom Sollwert bewertet. Bei der Nullgaskalibrierung sind
±
20 mV (Zellspannung) erlaubt, bei der Bereichsgaskalibrierung
± 20 % vom Messwert (Zellspannung).
Für die Korrektur gilt folgende Gleichung: mit den Größen
U zell
(korr) = (U zell
+A)*B
U zell
= gemessene Zellspannung
A = Zellspannung im Nullpunkt
B = Faktor zur Endwertkorrektur
Nach Beendigung der Kalibrierung wird mittels Tastatur „Zurück“ gewählt und durch Enter das Menü verlassen. Die Speicherung muss mit „ja“ quittiert werden.
Meldung des Kalibrierstatus:
OK< (1.5)
WARTEN ! 5
ABBRUCH
FEHLER STABIL.
FEHLER BEREICH
FEHLER SENSOR
OK (1.5)
WAIT ! 5
BREAK
TIME OUT letzte Kalibrierung OK (Abgleichwert)
Kalibrierung läuft
Abbruch durch Tastendruck
Stabilität in 60s nicht erreicht
OUT OF RANGE Bereichsüberschreitung
FAILED Gerätefehler
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
19
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
7 Wartung und Lagerung
7.1 Lagerung
Originalverpackung zu lagern. Das Abstellen anderer Gegenstände auf der Oberseite des SGM ist dabei nicht gestattet.
Die Elektronik und die Messzelle sind wartungsfrei.
Bei Defekten an der Messzelle oder am Thermoelement ist das SGM an den Hersteller zur Instandsetzung einzusenden.
7.3 Auswechseln der Gerätesicherung
!
WARNUNG
Gefahr durch elektrische Spannung
Gefahr eines elektrischen Schlages
Schalten Sie den BA 4510 vor dem Auswechseln der Gerätesicherung aus und trennen Sie das gerät von der Netzversorgung.
!
WARNUNG
Heiße Oberfläche
Gefahr von Verbrennungen
Nach dem Ausschalten des Gerätes hat das Gehäuse der Messzelle längere
Zeit eine Übertemperatur von ca. 60 °C. Warten Sie vor Beginn der
Wartungsarbeiten, bis sich das Gerät abgekühlt hat.
Die Sicherung (1AT) befindet sich im Gerät (siehe
Pfeil) in der Nähe der Rückwand. Sie ist durch eine typgleiche Sicherung zu ersetzen.
20
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
8 Fehlersuche und Beseitigung
Störung
Display leuchtet nicht
Störungsmeldung „Flow zu gering“
Ursache
BA 4510 ausgeschaltet
Beseitigung
BA 4510 einschalten
Stromversorgung ausgefallen
Stromversorgung überprüfen
Korrekten Sitz der Netzanschlussleitung prüfen
Gerätesicherung wechseln Gerätesicherung ausgelöst
Gaszuführung verstopft , zu lang für den gewählten Querschnitt oder undicht
Leitung prüfen, Verstopfungen beseitigen, Dichtigkeit herstellen
Pumpe defekt Auswechslung durch Hersteller
Relativ hoher Messwert, obwohl ein niedrigerer Wert für die
Sauerstoffkonzentration erwartet wird
Gasdurchflussmenge zu gering Durchflussmenge erhöhen
Mikroleck in Gaszuführung
Schraubverbindungen nachziehen
Messwert ist abhängig von der
Durchflussmenge (je kleiner der
Durchfluss, desto größer der
Messwert bzw. umgekehrt)
Leck(s) in der Messgaszuleitung
Messwert ist wesentlich geringer als erwartet
Im Messgas liegen bei hohen
Temperaturen mit Sauerstoff reagierende Bestandteile vor
(z.B. Kohlenwasserstoffe)
Messgaszuleitung und
Schraubverbindungen auf
Dichtigkeit prüfen, nachziehen
Messgas durch ein Aktivkohlefilter leiten, Aktivkohlefilter ggf. auf Sättigung prüfen
Warnung: Warmlauf
Messzelle hat Betriebstemperatur noch nicht erreicht
Heizungssicherung ausgelöst
5 Minuten warten, danach aktuelle Temperatur im Display verfolgen
Gerät ausschalten und nach erneutem Einschalten prüfen, ob
Fehler erneut auftritt- in dem
Falle Service konsultieren
Fehler: Thermoelementbruch
Fehler: Systemfehler
Heizung bzw. Regelung defekt Service konsultieren
Thermoelement defekt Service konsultieren
Fehler Programm- oder
Datenspeicher
Service konsultieren
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21
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
9 Instandsetzung und Entsorgung
Sollte ein Fehler beim Betrieb auftreten, finden Sie unter Gliederungspunkt 8. Hinweise für die Fehlersuche und Beseitigung.
Sollten Sie Fragen haben, wenden Sie sich bitte an unseren Service
Tel.: +49-(0)2102-498955 oder Ihre zuständige Vertretung.
Halten Sie dazu bitte die Daten vom Typenschild bereit.
Ist nach Beseitigung eventueller Störungen und nach Einschalten der Netzspannung die korrekte Funktion nicht gegeben, muss das Gerät durch den Hersteller überprüft werden. Bitte senden Sie das Gerät zu diesem Zweck in geeigneter Verpackung an:
Bühler Technologies GmbH
- Reparatur/Service -
Harkortstraße 29
40880 Ratingen
Deutschland
9.1 Entsorgung
Bei der Entsorgung sind die gesetzlichen Vorschriften, insbesondere für die Entsorgung von elektronischen
Bauteilen, zu beachten.
10 Anhang
10.1 Grundlagen der Anwendung potentiometrischer ZrO
2
-Festelektrolytsensoren bei der optimalen Führung von Verbrennungsprozessen
Die Optimierung sowie reproduzierbare Führung von Verbrennungsprozessen ist bei vielen technologischen Verfahren (z.B. bei der Herstellung von Glas- oder Keramikfasern, beim Brennen von
Porzellan, bei der Gewinnung von Energie oder Rohgas aus festen oder flüssigen Brennstoffen usw.)
Voraussetzung für eine gleichbleibend gute Produktqualität und Ressourcennutzung. Qualizessrelevanter Daten zur Sicherstellung der Produktqualität vor. Als Regelgröße für die Überwachung und
Regelung solcher Anlagen benötigt man Messwerte, die in einem weiten Bereich der
Gaszusammensetzung möglichst in Echtzeit erfasst werden und vollständig eingestellten Gasgleichgewichten eindeutig zuzuordnen sind.
Derartige Messwerte werden heute in der Praxis generell mit potentiometrischen ZrO
2
-Festelektrolytsensoren gewonnen. Es stehen kurze und auch sehr lange Sonden mit solchen (unbeheizten oder elektrisch beheizten) Sensoren zur Verfügung, die in Verbrennungsanlagen verschiedener Art, in technischen Öfen oder Flammen in situ arbeiten und benötigte Signale liefern. Weiterhin sind Geräte mit elektrisch beheizten Sensoren zur Analyse von extern vorgemischten Brennstoff-Luft-Mischungen oder
Abgasen verfügbar.
Die chemischen, thermodynamischen und elektrochemischen Grundlagen, auf denen die Anwendung potentiometrischer Festelektrolytsensoren (= galvanischer Festelektrolytzellen) bei der Führung von
Verbrennungsprozessen beruht, werden im Folgenden dargestellt.
Sauerstoffkonzentration und Luftzahl Lambda
Die Beschreibung des Umsatzes von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen mit Luft erfolgt am besten mit der Luftzahl Lambda. Diese Größe gibt das Verhältnis der bei der Verbrennung zugeführten
Luftmenge zu der für einen stöchiometrischen Umsatz des verwendeten Brennstoffs notwendigen
Luftmenge an. Die Luftmenge kann in Volumina, Massen oder Stoffmengen (die nach dem idealen
22
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
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Sauerstoff Analysator BA 4510
Gasgesetz bekanntlich einander proportional sind) angegeben werden (Einheiten wie m
3
, kg oder mol kürzen sich bei der Verhältnisbildung). Mit den Volumina v ist
λ = v(zugeführtes Luftvolumen) / v(stöchiometrisch notwendiges Luftvolumen) .
Bei Zuführung von zuviel Luft (Luftüberschuss) ist
λ > 1, bei Zuführung von zu wenig Luft (Luftmangel) ist
λ < 1. Im Fall der exakt stöchiometrischen Verbrennung ist λ = 1.
(Nur in der Kfz-Technik gibt es eine abweichende Definition, weil auf Motorprüfständen der verbrauchte
Kraftstoff gewogen und das zugeführte Luftvolumen in Masse umgerechnet wird. Bei Division der
Luftmasse durch die Kraftstoffmasse ergibt sich dann z.B. für reines Oktan bei genau stöchiometrischem
Umsatz der Wert 15,3.)
Für die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs (in Motorkraftstoff, Erdgas, Flüssiggas) mit der Bruttoformel
C n
H m
erhält man bei vollständiger Verbrennung im Sauerstoffüberschuss mit
λ die Reaktionsgleichung
C n
H m
+
λ ⋅ (n + m/4) O
2
→ n CO
2
+ m/2 H
2
+ (
λ - 1) ⋅ (n + m/4) O
2
.
Bei Verbrennungen mit zu wenig Luft (Sauerstoffmangel) entsteht aus allen organischen Stoffen bei genügend hoher Temperatur und nötigenfalls mit Katalysatoren zur Herbeiführung von totalem
Gasgleichgewicht im wesentlichen eine Mischung von Stickstoff und Wasserstoff, Wasserdampf,
Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, dem sog. Wassergas (es lässt sich aus Kohle und Wasser produzieren).
Die Reaktionsgleichung für Umsätze bei Sauerstoffmangel lässt sich nicht nur mit
λ, n und m formulieren.
Vielmehr gilt
C n
H m
+ [(1-a/2)
⋅ n + (1-b) ⋅ m/4] O
2
→ (1-a) ⋅ n CO
2
+ a
⋅ n CO + (1-b) ⋅ m/2 H
2
O + b
⋅ m/2 H
2
, wobei a und b durch
λ und die Lage des temperaturabhängigen Wassergasgleichgewichts
CO + H
2
O
= CO
2
+ H
2 bestimmte Größen sind.
Die Gaspotentiometrie mit Festelektrolytzellen liefert zunächst nur die Sauerstoffkonzentration ϕ(O
2
) in den jeweiligen Messgasen. Gewünscht wird aber häufig die Bestimmung von
λ. Für dessen Berechnung lassen sich folgende Gleichungen ableiten:
λ
m
=
1
1
−
+ ϕ
(
O
2
1 ϕ
+
2
V
(
O
2
) ϕ
(
O
2
)
)
Luft
λ
f
=
1
−
1
1
+
2
V
⎜
⎜
1
+
V
ϕ
(
O
2
)
0 .
5
K
C
+
1
+
1 ϕ
(
O
2
)
0 .
5
K
H
⎟
⎟ .
Diese für einzelne Kohlenwasserstoffe bei
λ > 1 (mager) und bei λ < 1 (fett) gültigen Gleichungen enthalten das Kohlenstoff/Wasserstoff-Verhältnis im Kohlenwasserstoff, V = 2 n/m, und die thermodynamischen
Gleichgewichtskonstanten für die Reaktionen
CO
2
= CO + 1/2 O
2 lg K
C
= 4,505 - 14700 K / T ,
H
2
O
= H
2
+ 1/2 O
2 lg K
H
= 2,947 - 13008 K / T .
In der Praxis liegen allerdings meist Mischungen verschiedener Kohlenwasserstoffe vor, Brenngase können zusätzlich Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Stickstoff enthalten, weiterhin trägt die verwendete Luft mit ihrer Feuchtigkeit und ihrem Kohlendioxidgehalt zu den Gasgleichgewichten bei. In entsprechend modifizierte Gleichungen müssen mittlere V eingesetzt werden. Die Verdünnung mit Stickstoff beeinflusst
λ ein wenig im mageren Bereich, aber nicht im fetten, weil das Gleichgewicht zwischen den
Wassergaskomponenten vom Druck und damit von der Wassergaskonzentration unabhängig ist.
Ein besonderes Problem ist der Wechsel der Art der Gleichung zur Berechnung von
λ beim Wechsel zwischen Überschuss und Mangel an Sauerstoff. Die exakte Lösung besteht darin, dass zu jedem
Messpunkt die Konzentrationen der Wassergaskomponenten berechnet werden und je nachdem, ob ϕ(CO) + ϕ(H
2
) größer oder kleiner als 2 ϕ(O
2
) ist, die eine oder andere Gleichung angewendet wird
(DE 43 23 879). Die von der GO Messtechnik dazu entwickelte Software und Elektronik liefert die
Ergebnisse praktisch verzögerungsfrei.
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
23
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
Gaspotentiometrie mit Festelektrolytsensoren
Mischoxidkristalle aus ZrO
2
und CaO oder Y
2
O
3
haben im Oxidionenteilgitter Lücken, über die im heißen
Zustand Oxidionen wandern können. Sie sind damit Festelektrolyte (d.h. feste Ionenleiter). An
Platinschichten auf keramischen Körpern aus dem (durch die Zusätze gegen Bruch) stabilisierten ZrO
2
sind
Elektrodenreaktionen mit den Oxidionenlücken V
O
möglich:
1/2 O
2
(Gas) + 2 e
-
(Platin) + V
O
(Festelektrolyt)
= O
2
-
(Festelektrolyt) ,
H
2
O(Gas) + 2 e
-
(Platin) + V
O
(Festelektrolyt)
= O
2-
(Festelektrolyt) + H
2
(Gas) .
Sauerstoffatome, die aus molekularem Sauerstoff oder Wasserdampf abgespalten werden, nehmen an der
Oberfläche des Platins Elektronen auf und wandern zu Sauerstofflücken des Festelektrolyten, wo sie
Oxidionen bilden. Der Vorgang kommt allerdings schnell zum Stillstand, wenn die Elektrode in einem offenen Stromkreis liegt und weder Elektronen noch Oxidionen fließen können. In diesem Zustand ist die
Leistung chemischer Arbeit beim Teilchenübergang gleich dem Aufwand, der dabei an elektrischer Arbeit geleistet werden muss. Es besteht elektrochemisches Gleichgewicht, ein dynamisches Gleichgewicht, denn die Elektrodenreaktion läuft weiterhin ab, aber in beiden Richtungen gleich schnell. Je größer die sog.
Austauschstromdichte ist, umso unempfindlicher ist die Elektrode gegen Störungen.
Im Zustand des elektrochemischen Gleichgewichts hat das Platin entweder Elektronen abgegeben und ist positiv aufgeladen oder hat Elektronen aufgenommen und ist negativ geladen. Ersteres ist unter
Sauerstoff, letzteres unter Wasserstoff zu erwarten.
Befinden sich zwei Sauerstoffelektroden unter verschiedener Sauerstoffkonzentration auf gegen-
überliegenden Seiten eines gasdicht gesinterten ZrO
2
-Festelektrolyten, so wird im elektrochemischen
Gleichgewicht auf der Seite mit der größeren Sauerstoffkonzentrationen die Aufladung positiver sein als auf der Seite der kleineren Sauerstoffkonzentration. Zwischen den Elektroden ist dann eine Zellspannung messbar, die umso größer ist, je unterschiedlicher die Sauerstoffkonzentrationen an den beiden Elektroden sind.
Für den quantitativen Zusammenhang zwischen Zellspannung und Teilchenkonzentrationen an den
Elektroden hat zuerst NERNST 1889 die nach ihm benannte Gleichung angegeben. In der elektrochemischen Thermodynamik kann man diese Beziehung mit den (aus Energie- und Entropiekomponenten zusammengesetzten) chemischen Potentialen der an der Zellreaktion (= Summe der
Elektrodenreaktionen) beteiligten Teilchen ableiten. Für das chemische Potential des Sauerstoffs gilt
μ(O
2
) =
μ(O
2
)
,
+ R
⋅ T ⋅ ln p(O
2
) .
Bei einer Festelektrolytzelle mit zwei Sauerstoffelektroden ist die Zellreaktion einfach der Übergang von
Sauerstoff höheren auf niedrigeren Druck. Die chemische Arbeit bei Zellreaktionen wird mit der molaren freien Reaktionsenthalpie
Δ
R
G beschrieben, die hier gleich der Differenz der chemischen Potentiale ist:
Δ
R
G =
μ(O
2
)' -
μ(O
2
)" = R
⋅ T ⋅ ln [p(O
2
)'/p(O
2
)"] .
In isothermen Zellen fallen die beiderseits gleich großen Standardpotentiale
μ(O
2
)
,
heraus.
Δ
R
G ist gleich der maximalen Arbeit, die bei unendlich langsamem Ablauf der Zellreaktion, d.h. näherungsweise bei extrem kleinem Stromfluss über den äußeren Stromkreis, gewonnen werden kann und die sich mit der
Gleichgewichtszellspannung U eq
, der molaren Ladung F (Faraday-Konstante) und der Zahl der bei der
Zellreaktion pro Formelumsatz ausgetauschten Elektronen (für O
2
gleich 4) berechnen lässt :
W elektr
= 4
⋅ F ⋅ U eq
.
Damit ergibt sich für die Gleichgewichtszellspannung die NERNSTsche Gleichung
U eq
= (R
⋅ T / 4 ⋅ F) ⋅ ln [p(O
2
)'/p(O
2
)"] .
In der Gaspotentiometrie wird eine Elektrode mit einem bekannten Gas bespült und mit Messungen von
U eq
und T das Gas an der Messelektrode analysiert. Nach Umrechnung auf den lg ergibt sich dafür mit den
Naturkonstanten R und F und mit trockener Luft unter Normaldruck an der Bezugselektrode die
Zahlenwert-Gleichung
U eq
/mV = 0,049606
⋅ T/K ⋅ lg [0,2093 ⋅ 1013,25 mbar / p(O
2
)] .
In der Praxis wird häufig mit der Sauerstoffkonzentration ϕ(O
2
Auswertegleichung p(O
2
) = ϕ(O
2
) in Vol.-% gerechnet. Dazu ist in die
)
⋅ p / 100 einzusetzen. Wenn der Totaldruck p dem Normaldruck
1013,25 mbar annähernd gleich ist, rechnet man mit den Gleichungen
24
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
U eq
/mV = 0,049606
⋅ T/K ⋅ lg [20,93 Vol.-% / ϕ(O
2
)] ϕ(O
2
)/Vol.-% = 20,93
⋅ 10
(U eq
/mV)/(0,049606
⋅ T/K)
.
Wenn an der Messelektrode ein Gas mit überwiegend reduzierenden Komponenten vorliegt, verschwinden die chemischen Standardpotentiale bei der Ableitung der Zellspannungsgleichung nicht. Man erhält dann eine NERNSTsche Gleichung für Reaktionszellen mit konzentrationsunabhängigen Gliedern, beispielsweise für Zellen mit Wasserstoff, Wasserdampf- und Luft-Elektrode die von 400 bis 1000 °C gültige Gleichung
U eq
(H
2
,H
2
O-Luft)/mV = -1280,6 + { 0,3165 + 0,0992
⋅ lg [ϕ(H
2
O)/ ϕ(H
2
)] }
⋅ T/K ± 1 .
Bei verschiedenen technischen Prozessen interessiert der Quotient Q = ϕ(H
2
O)/ ϕ(H
2
), den man mit dieser
Gleichung berechnen kann. Wenn die Messelektrode den negativen Pol der Zelle bildet, gibt man der
Zellspannung ein negatives Vorzeichen.
Die Abhängigkeit der Gleichgewichtszellspannung von
λ, von der Sauerstoffkonzentration und von einem
CH
4
-Überschuss bei Methanverbrennung zeigt das nachfolgende Diagramm.
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
70 60
50
10
-18
40
30
10
-17
20
10
5
10
-16
10
-14 unverbrannter Anteil des eingesetzten CH
4
/ %
1 2 3 4 5 6 7 Vol.-% O
2
Brenngas-
überschuss
750 °C
Brenngas : CH
4
Sauerstoff-
überschuss
0
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
λ
Die oben in Gleichungen und im Diagramm dargestellten Zellspannungen gelten jeweils nur für Zellen mit gleicher Temperatur an beiden Elektroden. Derartige isotherme Zellen sind in den Produkten sehr sorgfältig realisiert. Dagegen sind die in Kraftfahrzeugen verwendeten Lambda-Sonden nicht isotherm ausgelegt. Sie erfüllen ihren Zweck im Wesentlichen zur Indizierung von
λ > oder < 1 und sind zu genauen gaspotentiometrischen Bestimmungen weniger geeignet.
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
25
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
10.2 Montageanleitung Swagelok
®
-Rohrverschraubungen
26
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
10.3 Aktivkohlefilter: Beschreibung und Anwendungshinweise
10.3.1 Aufbau des Filters
Der in der Zeichnung dargestellte Aktivkohlefilter (AKF) wird durch einen rohrförmigen Behälter gebildet. Er ist an den Enden durch Deckel mit daran befindlichen Anschlüssen für Rohrleitungen abgeschlossen.
Beide Deckel sind in das Rohr durch eine Presspassung und zusätzliche Verklebung eingepasst. Die verwendeten Rohranschlüsse sind 3 mm-Swagelok®-Verbindungen, in die Verschlusspfropfen gegen das
Herausfallen der Aktivkohle eingesetzt sind. Die Abdichtung der Swagelok®-Anschlüsse zu den Deckeln erfolgt mit speziellen Dichtscheiben. Um zu verhindern, dass Feinstaub in den Gasweg gelangt, befinden sich am Ausgang des AKF ein Vorfilter und ein Feinfilter. Die Füllung besteht aus gekörnter Aktivkohle.
10.3.2 Verwendung und Funktion des Filters
Durch das Aktivkohlefilter werden organische Restbestandteile (z.B. Alkohole) aus dem zu untersuchenden
Gas zurückgehalten und adsorbiert.
Nach längerem Einsatz des Filters kann bei unerwartetem Anstieg der Zellspannung bzw. deutlicher
Abnahme der Sauerstoffkonzentration am Schutzgasmessgerät darauf geschlossen werden, dass der
Filter mit organischen Bestandteilen gesättigt und damit unwirksam geworden ist. Der Filter ist durch einen neuen zu ersetzen oder die Aktivkohle ist auszutauschen.
Wird der Filter nacheinander in verschiedenen Messaufbauten verwendet, ist auf eine einheitliche
Strömungsrichtung des Messgases zu achten. Andernfalls kann eine Desorption der bisher aufgenommenen organischen Verbindungen erfolgen, die dann zu Fehlmessungen führt. Daher sollte das
Messgas stets in Richtung des Pfeils auf dem Filtergehäuse strömen.
10.3.3 Wechseln der Aktivkohle
Wenn eine Sättigung des Filters vorliegt, ist er zu erneuern. Will man den Wechsel der Aktivkohle selbst vornehmen, wird der Gasanschluss am EINGANG des Filters demontiert (Schlüsselweite 19) und die
Aktivkohle ausgeschüttet. Mit Hilfe eines kleinen Trichters wird die neue Aktivkohle aufgefüllt und durch
Klopfen mit einem Plaste- oder Holzgegenstand an die Wandung zusätzlich verdichtet. Nach Abschluss dieser Arbeiten wird die Verschraubung mit den Dichtscheiben wieder montiert. Damit ist der Filter für einen erneuten Einsatz bereit.
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
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Bedienungs- und Installationsanleitung
Sauerstoff Analysator BA 4510
!
HINWEIS
Der Verschlusspfropfen in den Swagelok
®
-Verbindungen darf nicht
entfernt werden!
10.4 Beigefügte Dokumente
− Konformitätserklärung
KX550011
− Datenblatt
DD550011
28
BD550013, 03/2007 Art. Nr. 90 31 140
EU-Konformitätserklärung gemäß EN 45014
EU-declaration of conformity according to EN 45014
Hiermit erklären wir, dass die nachfolgenden Produkte den wesentlichen Anforderungen der folgenden Richtlinien in ihrer aktuellen Fassung entsprechen:
- Richtlinie 73/23/EWG über elektrische Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen
- Richtlinie 89/336/EWG über die elektromagnetische Verträglichkeit
Herewith we declare that the following products correspond to the essential requirements of
-
Directive 73 / 23 EWG about electrical equipment for use with certain limits of voltage,
-
Directive 89 / 336 / EWG about electromagnetic compatibility,
Produkt / product
Sauerstoffanalysator
(Oxygen analyser
)
Typ / type BA 4510
Zur Beurteilung der Konformität wurden folgende harmonisierte Normen in der aktuellen
Fassung herangezogen:
The following harmonized standards in actual revision have been used
:
• EN 61000-6-3 - Elektromagnetische Vertäglichkeit- Fachgrundnorm Störaussendung
(Wohnbereich,Geschäfts und Gewerbebereich, Kleinbetriebe)
• EN 61000-6-2 - Elektromagnetische Störfestigkeit- Fachgrundnorm Störfestigkeit
(Industriebereich)
• EN 61000-3-2 - Elektromagnetische Verträglichkeit- Grenzwerte für Oberschwingungsströme
• EN 61000-3-3 - Elektromagnetische Verträglichkeit- Grenzwerte; Begrenzung von
Spannungsänderungen, Spannungsschwankungen und Flicker
• EN 61010 –1 - Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte
Ratingen, den 23.04.2007
________________________ __________________________________
G.R. Biller Stefan Eschweiler
Geschäftsführer – Managing Director Technischer Leiter – technical manager
23.04.07
Bühler Technologies GmbH, Harkortstr. 29, D-40880 Ratingen,
Tel. +49 (0) 21 02 / 49 89-0, Fax. +49 (0) 21 02 / 49 89-20
KX 55 0011
Tragbarer O -Analysator
2
BA 4510
®
Der tragbare Analysator BA 4510 dient zur Messung von Sauerstoffspuren in Inertgasen. Kernstück des
Messgerätes ist eine bewährte, wartungsfreie
Zirkoniumdioxid-Meßzelle. Dieser Sauerstoffionenleiter vereint den Vorteil hoher Selektivität mit einer hohen mechanischen Stabilität und Konstanz. In
Inertgasen liefert die Messzelle mit sinkendem
Sauerstoffpartialdruck eine steigende Spannung, wodurch Spuren besonders gut gemessen werden können. Das Messsignal wird von einem internen
Prozessor in die Sauerstoffkonzentration umgerechnet, auf dem LCD-Display angezeigt und als analoges Stromsignal zur Verfügung gestellt. Eine interne, zuschaltbare Gaspumpe sorgt für die notwendige Durchflussmenge, wenn das Messgas nicht über den nötigen Vordruck verfügt.
Die Bedienung erfolgt menügesteuert über Folientasten auf der Frontseite.
Für die Messung in Gasen mit brennbaren
Komponenten steht eine besondere Geräteversion
(BA 4510 KIZ) zur Verfügung.
DD 55 0011
04/2007
§
§
kalibrier- und nahezu driftfreie Messzelle
4 - 20 mA Ausgangssignal
§
RS 232-Schnittstelle
§
interne, zuschaltbare Pumpe
§
einfache Menüsteuerung
§
programmierbare Grenzwerte
§
keine Prüfgase erforderlich.
Bühler Technologies GmbH
D - 40880 Ratingen, Harkortstr. 29
Tel.: + 49 (0) 2102 / 49 89-0 Fax: + 49 (0) 2102 / 49 89-20 e-mail: [email protected]
Technische Daten
Messkomponenten
Messkomponente
Messbereich
Messprinzip
Messtechnische Daten
Genauigkeit
Reproduzierbarkeit
Nachweisgrenze
Linearitätsfehler
Nullpunktdrift
Empfindlichkeitsdrift
Gaseingangsbedingungen
Gastemperatur
Gasüberdruck
Gasdurchfluß ohne Pumpe
Messgasaufbereitung
Taupunkt
Klimatische Bedingungen
Umgebungstemperatur
Transport- und Lagertemp.
Relative Luftfeuchte
Signalausgänge
Stromsignal
Alarmrelais
Serielle Schnittstelle
Tastatur und Anzeigen
Meßwertanzeige
Tastatur
Stromversorgung
Spannung
Leistungsaufnahme
Konstruktion
Gehäuse
Abmessungen (H x B x T)
Meßgaseingang
Meßgasausgang
Gehäuseschutzart
Gewicht
Bestellhinweise
Typ
BA 4510
Artikel-Nr.
55 15 000
BA 4510 KIZ 55 15 001
Sauerstoff
0 Vol.-ppm … 20,9 Vol.-% O
2
Zirkoniumdioxid
< 5 % (vom Messwert)
< 1,5 % O
2
0,1 vpm O
2
< 5 s
< 0,4 vpm O
2
< 0,02% vom Messwert pro Woche oder 200 vpb pro Woche, je nachdem welcher Wert höher ist
+ 5 °C bis 80 °C max: 20 mbar
5 … 10 l/h
(wird bei Nutzung der internen Pumpe auf 7 l/h geregelt) mindestens 5 °C unterhalb der Umgebungstemperatur
10 °C bis 45 °C
- 20 °C bis + 60 °C
< 80% bei 20 °C
0/4 … 20 mA (im Fehlerzustand auf 0 mA gehend); skalierbar
1x Grenzwert, 200VDC, 0,5A, 10W
RS 232
LCD-Klartextanzeige
3 Tasten
100 - 240 V AC, 47 - 63 Hz
20 VA
Aluminumgehäuse mit Tragegriff
135 x 100 x 240 mm
3 mm Swagelok-Verschraubung
Schlauchstutzen aus Edelstahl für Schlauch mit Innendurchmesser 4 mm
IP 40 ca. 3 kg
Technische Änderungen vorbehalten
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