Teledyne 3000TA-XL Instruction Manual [de]

O2 Spurenanalysator

Modell 3000TA-XL

Bedienungsanleitung

Teledyne Analytical Instruments

A division of Teledyne Electronic Technologies

Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

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Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

Modell 3000TA-XL

Sauerstoffanalysator für den PPM/PPB-Bereich

CE-Version

WARNUNG

IN DIESEM GERÄT KÖNNEN SICH HOCHGIFTIGE UND/ODER BRENNBARE FLÜSSIGKEITEN ODER GASE BEFINDEN.

PERSÖNLICHE SCHUTZAUSRÜSTUNG KANN BEI WARTUNG UND REPARATUR DIESES SYSTEMS ERFORDERLICH SEIN.

AN EINIGEN KOMPONENTEN IM GERÄTEINNERN LIEGEN GEFÄHRLICHE ELEKTRISCHE SPANNUNGEN AN, DIE AUCH EINIGE ZEIT NACH ABSCHALTEN DES GERÄTS UND ENTFERNEN DER ZULEITUNG BESTEHEN BLEIBEN.

REPARATUR- UND WARTUNGSARBEITEN DÜRFEN NUR VON GESCHULTEM FACHPERSONAL DURCHGEFÜHRT WERDEN.

VOR DURCHFÜHRUNG VON WARTUNGS- UND REPARATUR-

ARBEITEN IST EINE AUTORISIERTE AUFSICHTSPERSON HINZUZUZIEHEN.

WIRD DAS GERÄT NICHT GEMÄSS DEN BESTIMMUNGEN DIESES HANDBUCHS, EINSCHLIESSLICH SEINER ERGÄNZUNGEN UND NACHTRÄGE , EINGESETZT, SO IST ES MÖGLICH, DASS DAS GERÄT SEINE SCHUTZFUNK-TION NICHT ODER NICHT ORDNUNGSGEMÄSS ERFÜLLT.

Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Handbuchs darf o hne vorherige schriftliche Zustimmung der Bernt GmbH, Düsseldorf, weder als Ganzes noch teilweise, in irgendeiner Form oder durch irgendwelche Mittel, gleich ob auf elektronischem, mechanischem, magnetischem, optischem, manuellem oder anderem Wege, reproduziert, gesendet, kopiert, in einer Datenbank gespeichert oder in irgendeine Fremdsprache oder Computersprache übersetzt werden.

Garantie

Dieses Gerät wird vereinbar ungsgemäß durch uns frei von Material- und Verarbeitungsfehlern geliefert . Unsere Haftung beschränkt sich auf kostenlose - ausgenommen Transportkosten - Ersatz- oder Reparaturleist ung in unserem Werk oder nach unserer Wa hl im Werk des Kunden, für Fehler in Material oder Verarbeitung, di e innerhalb eines Jahres ab Versanddatum geltend gemacht werden, soweit nicht per Bekanntgabe oder Üb ereinkunft eine kürzere Garantiefrist gilt.

Teile, die von Dritten hergestellt wurden, unterliegen der Garantie ihres Herstellers.

Ausgeschlossen von die s er Garantie sind Schäden, die durch Verschleiß, Unfall, mißbrä uchliche Benutzung, Fahrlässigkeit od er Reparaturen, die nicht von T eledyne oder dur ch von Teledyne autorisiertes Servic epersonal durchgeführt wurden, sowie die Meßzel len. Für die Meßzellen gelten gesonderte Gara nt iebedingungen (siehe Abschn.

5.2.5)

Die Bernt GmbH übernimmt keine Haftung für di rekte oder indirekte Schäden gleich welcher Art. M it Abnahme des Geräts über ni mmt der Käufer die gesa mte Haftung für Schäden, die durch Gebrauch oder Mißbrauch des Ge räts entstehen.

Wir behalte n uns das Recht vor, j egliches geeignetes Material zur Fert i gung unserer Geräte zu verwenden sowie Abmessungen, Form oder Ge wicht beliebiger Teile des Geräts zu ändern, soweit solche Änderungen nicht unsere Garantie berühren.

Wichtiger Hinweis

Dieses Instrument stellt dem Benutzer Meßwerte zur Verfügung und dient als Werkzeug z um Sammeln wertvoller Daten. Die I nformationen, die das Gerät liefert, können de m Benutzer helfen, mögliche Gefahren, d ie durch seinen Prozeß entstehen, zu beseitigen. In jedem Fall ist es wichtig, daß alle Personen, die mit dem Meßgerät oder dessen Schnittstelle zum Prozeß, der überwacht werden soll, umgehen, gründlich auf den Prozeß und die damit verbundene Instrumentierung geschult si nd.

Die Sicherheit des Personals liegt letztendlich in der Verantwortlichkeit dessen, der die Prozeßbedingungen festlegt. Obgleich dieses Instrument in der Lage ist, vor drohenden Gefahren frühzeitig zu warnen, besitzt es keine Kontrolle über die Prozeßbed i ngungen, und es kann mißbräuc hlich benutzt werden. Insbesondere müssen Systeme zur Alarmierung oder Prozeßsteue rung getestet und in ihre r Funktion verstande n werden, sowohl in ihrer Arbeitsweise, als auch wie sie umgangen werden können. Jegliche Sicherunge n wie Sc hl össer, Verriegelungen, Beschrift ungen oder Redundanzen müssen vom Benut zer selbst vorge s ehen oder zum Zeitpunkt der Bestellung bei der Bernt GmbH gesondert angefragt werden.

Diesbezüglich muß sich der Käufer selbst der Gefahren seines Prozesses bewußt sein. Der Käufer ist verantwortlich für die Schulung des Personals und da s Errichten von Warneinrichtungen und Verwendung einer Instrumenti erung gemäß den geltenden Richtlinien. Darüber hinaus hat er sicherzuste llen, daß Meß- und W arneinrichtungen ordnungsgemäß gewartet und betrieben werden.

Teledyne Analytical Instruments, der Hersteller dieses Instruments, kann keinerlei Verantwortung für Sachverhalte übernehmen, die sich unserem Wissen und unsere r Zuständigkeit entziehen.

Keine Aussage diese s Dokuments oder irgendeiner Information, die vom Hers teller oder seinen Vertretungen herausgegeben wurde, weder ausdrücklich noch sinngemäß, ist als Ga rantie dafür auszul egen, daß das Gerät eine angemessene Sicherheitseinrichtung unter den Prozeßbedingungen des Anwenders darstellt.

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Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

Modellspezifische I nfor m ati onen

Das Instrument, mit dem dieses Handbuch ausgeliefert wird, kann eine oder mehrere Optionen enthalten, die nicht zum Standardumfang des Geräts gehören. Die allgemein verfügbaren Optionen sind im folgenden aufgelistet; Optionen, die in dem Gerät, zu dem dieses Handbuch gehört, eingebaut sind, sind angekreuzt.

Gerät / Seriennummer _______________

enthält folgende Optionen:

! 3000 TA-C: Zusätzlich zur Standardausstattung verfügt dieses Gerät über

separate Anschlüsse für Null- und Bereichsgas sowie eingebaute Steuerventile. Die eingebauten Ventile werden komplett von der Elektronik des 3000TA-XL gesteuert, um die Gase entsprechend der Funktion des Analysators automatisch umzuschalten.

! 3000TA-XL-V: Der Gasfluß durch den Zellenblock erfolgt bei diesem Modell

durch Ansaugung hinter dem Zellenblock (Meßgasausgang) anstatt durch Überdruck vor dem Zellenblock (Meßgaseingang). In Anpassung an diese Konfiguration sitzt die interne Flußbegrenzung hier hinter dem Zellenblock. Im übrigen sind alle Standardeigenschaften verfügbar.

! 19” Rack Mont.: Die 19” Rack-Einbaurahmen sind wahlweise mit einem oder

zwei Ausschnitten für die 3000-Serie, montagefertig für Standard-Racks, erhältlich.

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Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

Konformitätserklärung

Das Modell Teledyne 3000TA-XL entspricht allen Anforderungen der EMV-Richtlinie der Europäischen Union. (siehe beigeheftetes Zertifikat am Anfang des Handbuches)

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Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Allgemeines.............................................................................1-1

1.2 Typische Anwendungen.........................................................1-1

1.3 Haupteigenschaften des Analysators...................................1-1

1.4 Geräteausführungen ..............................................................1-2

1.5 Frontplatte (Bedienelemente)................................................1-3

1.6 Rückwand (Anschlußelemente).............................................1-4

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Einleitung ................................................................................2-1

2.2 Die “Micro-Fuel” - Zelle..........................................................2-1

2.2.1 Funktionsprinzip.............................................................2-1

2.2.2 Aufbau einer “Micro-Fuel”-Zelle .....................................2-1

2.2.3 Elektrochemische Reaktionen........................................2-2

2.2.4 Einfluß von Druckänderungen........................................2-3

2.2.5 Charakteristik der Kalibrierung.......................................2-3

2.3 Das Probennahmesystem......................................................2-4

2.4 Elektronik und Signalverarbeitung .......................................2-5

3 Installation

3.1 Auspacken des Analysators..................................................3-1

3.2 Montage des Analysators ......................................................3-1

3.3 Anschlüsse auf der Rückseite...............................................3-2

3.3.1 Gasanschlüsse ..............................................................3-3

3.3.2 Elektrische Anschlüsse..................................................3-4

3.3.2.1 Stromversorgung ..............................................3-4

3.3.2.2 50-poliger Geräteanschluß ...............................3-4

3.3.2.3 RS 232-Schnittstelle .........................................3-9

3.4 Einsetzen der "Micro-Fuel" - Meßzelle..................................3-10

3.5 Test des Systems...................................................................3-10

4 Betrieb

4.1 Einleitung ...............................................................................4-1

4.2 Dateneingabe- und Funktionstasten....................................4-2

4.3 Die System - Funktion...........................................................4-3

4.3.1 Einfrieren der Analogausgänge & Alarmverzögerung...4-4

4.3.2 Automatische Kalibrierung (Auto-Cal) einstellen...........4-5

4.3.3 Passwortschutz.............................................................4-5

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Modell 3000TA-XL Bedienungsanleitung

4.3.3.1 Passwort eingeben ...........................................4-6

4.3.3.2 Einrichten und Ändern des Passwortes............4-7

4.3.4 Abmelden - Logout.........................................................4-8

4.3.5 Automatische Systemdiagnose......................................4-8

4.3.6 Versionsanzeige.............................................................4-9

4.4 Die Nullpunkt (Zero) - und Bereichs (Span)- Funktionen....4-9

4.4.1 Nullpunkt (Zero) - Abgleich ............................................4-9

4.4.1.1 Automatischer Nullpunktabgleich......................4-10

4.4.1.2 Manueller Nullpunktabgleich.............................4-10

4.4.1.3 Zellenausfall......................................................4-11

4.4.2 Bereichs (Span) - Abgleich ............................................4-12

4.4.2.1 Automatischer Bereichsabgleich.......................4-12

4.4.2.2 Manueller Bereichsabgleich..............................4-13

4.5 Umschalten auf verschiedene Trägergase...........................4-13

4.6 Alarmeinstellungen ................................................................4-14

4.7 Meßbereiche............................................................................4-15

4.7.1 Einstellung der Meßbereiche .........................................4-16

4.7.2 Betrieb mit festem Meßbereich......................................4-16

4.8 Der Analysemodus.................................................................4-17

4.9 Ausgangssignale....................................................................4-17

5 Wartung

5.1 Regelmäßige Wartung............................................................5-1

5.2 Zellenwechsel .........................................................................5-1

5.2.1 Lagerung und Handhabung der Reservezellen..............5-1

5.2.2 Wann ist ein Zellenwechsel nötig?.................................5-2

5.2.3 Entnehmen der “Micro-Fuel”-Zelle.................................5-2

5.2.4 Einsetzen einer neuen “Micro-Fuel”-Zelle......................5-3

5.2.5 Zellen-Garantie..............................................................5-4

5.3 Sicherungswechsel................................................................5-4

5.4 System-Selbstdiagnose.........................................................5-5

5.5 Interne Gerätekomponenten..................................................5-6

5.6 Reinigung................................................................................5-7

5.7 Problembehebung..................................................................5-7

Anhang

A-1 Technische Daten.................................................................... A-1

A-2 Empfohlene Ersatzteilliste für 2 Jahre..................................... A-2

A-3 Zeichnungsliste........................................................................ A-3

A-4 19” - Rack - Montagerahmen................................................... A-3

A-5 Applikationshinweise zu Druck und Durchfluß......................... A-4

A-6 Sicherheitsdatenblätter............................................................ A-5

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Modell 3000TA-XL Allgemeines

Die analytischen Geräte von Teledyne revolutionieren die Welt der Sauerstoff-Meßzellen

• kürzeste Wartezeit

• kein Umleiter-Produkt

• kein Umschalt-Wechsel-Analysegerät

• keine flüssige Rücksteuerung

INSTA TRACE

, die von Teledyne patentierte Innovation, eliminiert die größte Unannehmlichkeit, die

bei der Messung mit elektochemischen Sauerstoffzellen in Verbindung gebracht wird - die Wartezeit.

Wenn eine typische elektrochemische Sauerstoffmeßzelle aus ihrer luftdichten Verpackung genommen wird, um einen defekten Sensor zu ersetzen, so kommt diese mit der Außenluft in Verbindung (209.000ppm O Während dieses Wechsels aus einer sauerstofffreien Umgebung in einen Raum mit normaler Sauerstoffzufuhr wird der Sensor von auflösendem Sauerstoff durchdrungen. Je länger sie dieser Situation ausgesetzt sind, desto länger dauert deren Regenerierungszeit. Die typische Regenerierungszeit eines Sensors, der dieser Situation ausgesetzt wird, beträgt zwischen 6 und 24 Stunden.

Die INSTA TRACE Micro-Fuel Sauerstoffmeßzelle ist in der Lage, Werte von unter 1ppm Sauerstoffgehalt innerhalb von 15 Minuten nach der Installation zu messen. Indem die Regenerierungszeit von mehreren Stunden auf wenige Minuten herabgesetzt wird, müssen die Benutzer nicht mehr länger auf nicht-analytische Produkte zurückgreifen, zu flüssigen Sicherheitsverfahren wechseln (wie im Falle der Luftzerlegungsindustrie) oder die Analysegeräte austauschen. Der eigentliche Wert dieser Innovation hat somit eine sehr große Bedeutung für die Industrie.

Mit dem Teledyne INSTA TRACE beträgt die Wartezeit für Werte unterhalb von 1 ppm nur ca.15 Minuten.

Ohne INSTA TRACE kann die Wartezeit mehr als 6 Stunden betragen.

Wie es gemacht wird:

Die Lösung, die Teledyne entwickelt hat um diesen Rückstellprozeß zu vollziehen, ist sehr einfach und dennoch effektiv.

Durch den Schutz des Sensors mittels einer Membran, wird die Zelle vor der Außenluft geschützt.

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Modell 3000TA-XL Theoretische Grundlagen

Die Einführung der neu gestalteten Zellhalterung schützt den INSTA TRACE Senor vor der Kontaktstelle. Da der Zellkern geschlossen ist, berührt die Kontaktstelle die Membran und ermöglicht somit den Ausfluß von Gas zu einer Kathode und damit den Beginn des kontrollierten Ablaufs. Diese neue Zellfassung ist entwickelt worden, um zu gewährleisten, daß die Kontakte nicht mit der reaktiven Sensoroberfläche in Berührung kommen.

6 Anwendungsmöglichkeiten für INSTA TRACE

Alle in Betrieb befindlichen Micro-Fuel Sauerstoffanalysatoren können mit diesen Sensoren nachrüstet werden. Die Nachrüstung umfaßt den Sensorhalter sowie den INSTA TRACE Sensor. Indem Sie das entsprechende Nachrüstpaket bestellen, profitieren Sie bereits von dieser Neuerung.

Teledyne ist der einzige Sauerstoffanalysegeräte Hersteller, der in der Lage ist, diese Arbeitsleistung in einem verfügbaren/disposable elektrochemischen Sauerstoffsensor anzubieten.

6.1 Die Vorteile der Micro Fuel Zelle

Die elektrochemischen Micro-Fuel Zellen von Teledyne werden schon seit langem als Industriestandard bei der akuraten ppm-Messung von Sauerstoff in Betracht gezogen. Unsere Sauerstoffsensoren haben diesen Standard aufgrund der zahlreichen Merkmale und Vorzüge, die sie dem Endverbraucher bieten, erreicht.

• keine Wartungsvoraussetzungen

• einfache Handhabung und einfacher Austausch

• für den Gebrauch mit einer Vielzahl von Gasen geeignet

• lineares Ansprechverhalten während der ganzen Analyse

• vibrations- und schock-resistent

• geringe Erneuerungskosten

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Modell 3000TA-XL Allgemeines

1 Einleitung

1.1 Allgemeines

Der TAI 3000TA-XL Sauerstoffspuren-Analysator ist ein vielseitiges Instrument auf Mikroprozessorbasis zur Detektion des Sauerstoffanteils im ppm-Bereich in einer Reihe von Trägergasen. Dieses Handbuch beschreibt nur die 3000TA-XL-Geräte in der Standardversion und in der 19”-RackVersion. Diese Einheiten sind für den Gebrauch innerhalb geschlossener Gebäude und außerhalb von Gefahrzonen konzipiert.

1.2 Typische Anwendungen

Einige typische Anwendungen des Teledyne 3000TA-XL sind:

• Überwachung von Reinstgasversorgungen

• Luftzerlegung und -verflüssigung

• Überwachung chemischer Reaktionen

• Halbleiterproduktion

• Steuerung petrochemischer Prozesse

• Qualitätssicherung

• Zertifizierung in der Gasanalyse

1.3 Haupteigenschaften des Analysators

Der 3000TA-XL - Sauerstoffspuren-Analysator ist trotz seiner ausgereiften Funktionen ein einfach zu bedienendes Gerät. Er zeichnet sich durch folgende Ausstattungsmerkmale aus:

• Zweizeiliger alphanumerischer Anzeigebildschirm, mikroprozessorgesteuert

• Hohe Auflösung, genaue Messung des Sauerstoffgehalts von wenigen ppm bis zu

25%. Große, helle Meßwertanzeige.

• Meßgassystem und Zellenblock aus Edelstahl

• “Micro-Fuel”- Meßzelle,Typ B2C-XL ausgelegt für den 0 – 1 ppm-Bereich.

• Vielseitige Meß- und Überwachungsmöglichkeiten in einem breiten

Anwendungsspektrum.

• Mikroprozessorbasierte Elektronik. 8-Bit CMOS Mikroprozessor mit 32KB RAM

und 128KB ROM.

• Drei anwendereinstellbare Meßbereiche ( von 0 - 1 ppm bis 0 - 10.000 ppm )

ermöglichen optimale Anpassung an den Prozeß.

• Kalibrationsmöglichkeit mit Umgebungsluft auf 20,9% O

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Modell 3000TA-XL Allgemeines

• Durch automatische Bereichswahl stellt sich der Analysator bestmöglich auf eine

gegebene Meßaufgabe ein. Der Analysator kann aber auch manuell auf einen gewünschten Meßbereich fixiert werden.

• Zwei einstellbare Alarmschwellen und eine Systemfehlermeldung.

• Umfassende Selbstdiagnose beim Einschalten und auf Anforderung mit

kontinuierlicher Spannungsüberwachung.

• EMV-Schutz, CE-Zertifizierung

• Serielle RS-232-Schnittstelle zum Anschluß an Computer oder andere digitale

Kommunikationsgeräte.

• Analogausgänge zur Ausgabe des Meßwertes und des aktuellen Meßbereichs

• Handliches und vielseitiges Stahlgehäuse für Schrankeinbau oder Rackmontage

mit ausziehbarem Elektronikeinschub.

1.4 Geräteausführungen

3000 TA-XL : Standardmodell.

3000 TA-XL-C: Zusätzlich zur Standardausstattung verfügt dieses Gerät über

separate Anschlüsse für Null- und Bereichsgas sowie eingebaute Steuerventile. Die eingebauten Ventile werden komplett von der Elektronik des 3000TA-XL angesteuert, um die Gase entsprechend der Funktion des Analysators automatisch umzuschalten.

3000TA-XL-V: Der Gasfluß durch den Zellenblock erfolgt bei diesem Modell

Die oben genannten Optionen sind miteinander kombinierbar. Die -C und die -V Optionen können als Modell 3000TA-XL-C-V miteinander kombiniert werden.

1-2  2000 Bernt GmbH, Düsseldorf / M ünchen

Modell 3000TA-XL Allgemeines

1.5 Frontplatte (Bedienelemente)

Die Standardausführung des 3000TA-XL ist in einem robusten Metallgehäuse untergebracht. Alle Bedienund Anzeigeelemente befinden sich auf der Vorderseite des Geräts (siehe Bild 1-1). Die Frontplatte enthält 13 Bedientasten, eine Digitalanzeige für den Meßwert, eine alphanumerische Anzeige und ein Fenster zur Beobachtung der Durchflußanzeige.

Bild 1-1: Frontplatte des 3000TA-XL

Funktionstasten: Sechs Folientasten dienen zur Änderung der aktuellen Gerätefunktion:

• ANALYZE : Messung des Sauerstoffgehalts im Meßgas (Analyseprinzip)

• SYSTEM: Systembezogene Aufgaben durchführen (Detaillierte Beschreibung in Kapitel 4, Betrieb)

• SPAN : Bereichs-Kalibrierung durchführen

• ZERO: Nullpunktabgleich durchführen

• ALARMS : Einstellung der Alarmpunkte und der Alarmeigenschaften

• RANGE : Einstellung der drei benutzerdefinierbaren Meßbereiche

Dateneingabetasten: Sechs Folientasten dienen zur Dateneingabe über das alphanumerische LCD-Display:

• Links- / Rechts- Pfeiltasten: Wechseln zwischen den momentan angezeigten Funktionen

• Auf- / Ab- Pfeiltasten: Wert der aktuell angezeigten Funktion erhöhen oder vermindern

• ENTER (Eingabe) : Übernimmt die eingestellten Werte und schaltet jeweils weiter zum nächsten

Bildschirm. Nach dem letzten Bildschirm schaltet ENTER zurück in den Analysemodus.

• ESCAPE (Abbruch) : Verwirft die letzten Änderungen und geht jeweils zurück zum vorherigen

Bildschirm. Beim ersten Schirm schaltet ESCAPE zurück in den Analysemodus.

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Modell 3000TA-XL Allgemeines

Digitale Meßwertanzeige: Die Digitalanzeige ist bei jeder Beleuchtung ablesbar und besteht

aus 7-Segment-Anzeigen mit großen hellen Leuchtdioden. Der Anzeigebereich beträgt 0 - 10000ppm und schaltet bei Überschreitung auf eine Anzeige von 1-25% um. Die Anzeige ist über alle Meßbereiche gleichermaßen genau, anders als bei einer analogen Meßbereichsumschaltung.

Alphanumerische Datenanzeige: Die hintergrundbeleuchtete LCD-Anzeige ist gut lesbar und sorgt

für eine einfache Bedienung des Analysators. Auf ihr werden Parameterwerte, Optionen und Meldungen dargestellt.

Durchflußanzeige: Ermöglicht die Überwachung des Gasflusses am Sensor. Der

Ablesebereich beträgt 0,2 bis 2,4 l/min (Standardliter/Min.= SLPM).

Nadelventil Ermöglicht die Justierung des Durchflusses (nominal 1,5 l/min)

Standby-Taste: Die Standby-Taste schaltet das Gerät auf Standby-Betrieb. Dabei

ACHTUNG: Um das Gerät spannungslos zu machen, muß das Gerät vollständig vom Netz

Gerätetür: Um an die “Micro-Fuel”- Meßzelle und die Elektronik der Frontplatte zu gelangen,

An die andere Platine gelangt man durch Lösen der Schrauben auf der

1.6 Rückwand (Anschlußelemente)

getrennt werden. Bei geöffnetem Gehäuse und angeschlossener Zuleitung ist höchste Vorsicht vor dem Berühren spannungführender Teile geboten!

läßt sich die Frontplatte öffnen, indem die Lasche in der rechten oberen Ecke der Frontplatte mit einem schmalen Werkzeug vollständig hineingedrückt und wieder losgelassen wird (Kugelschreiberprinzip).

Gehäuserückwand und Herausziehen des Elektronikeinschubs.

ist die interne Elektronik weiterhin aktiv, die Anzeigen und Ausgangssignale sind jedoch abgeschaltet.

Die Rückwand, in Bild 1-2 dargestellt, enthält die elektrischen Anschlüsse für die externen Ein- und Ausgänge und die Stromversorgung sowie die Gasanschlüsse. Die Null- (ZERO-) und Bereichs- (SPAN-) Gasanschlüsse sind optional und sind möglicherweise in Ihrem Gerät nicht vorhanden. Die Anschlüsse werden im folgenden Abschnitt in Kürze und detailliert im Kapitel Installation dieses Handbuchs beschrieben.

1-4  2000 Bernt GmbH, Düsseldorf / M ünchen

Modell 3000TA-XL Allgemeines

Bild 1-2: Modell 3000TA-XL: Rückwand

• Netzanschluß: Stromversorgung des Geräts

• Gasein- und -ausgang: Ein Eingang und ein Ausgang bei der Standardversion.

Drei Eingänge bei der Option “-C”.

• RS-232 Schnittstelle: Serieller, digitaler Ausgang für den Meßwert und Steuerungsein- gang.

• 50-poliger Geräteanschluß:

− Analogausgänge: 0-1V Meßwertausgang und 0-1V Meßbereichsidentifikation,

sowie galv. getr. 4-20mA Meßwertausgang und 4-20mA Meßbe- reichsidentifikation.

− Alarmausgänge: Zwei Konzentrations-Alarme und eine Systemfehlermeldung

− Null- / Bereichs-Steuerung: Digitaleingänge ermöglichen externe Steuerung der Kalibration

(siehe Bemerkung unten).

− Kalibrier-Kontakt: Zur Signalisierung des Kalibriermodus an externe Einheiten.

− Kontakte zur Vier separate Relaiskontakte zur Signalisierung des

Meßbereichsidentifikation: Bereichs: Niedrig, Mittel, Hoch, Kalibrieren

− Netzwerkanschluß: Serielle digitale Schnittstelle für lokale Datennetze. Für zukünftige Erweiterungen. Derzeit noch nicht implementiert.

Optional:

− Anschlüsse f. Kalibriergas: Separate Eingänge für Null-, Bereichs- und Meßgas, mit internen Ventilen zur Umschaltung des Gasweges.

Bemerkung:

Falls Sie eine zeitlich hochgenaue, aut omat i sche Kalibrierung

benötigen, sollten Sie nach Mögli chkei t eine externe Steuerung der Auto-Kalibrierung verwenden. Die eingebaute Zeitbasis ist auf ca. 2- 3% genau. Entsprechend kann die Abweichung bei interner automatischer Kalibrierung 2-3% pro Tag betragen.

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Modell 3000TA-XL Allgemeines

(Raum für Notizen)

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Modell 3000TA-XL Theoretische Grundlagen

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Einleitung

Der Analysator besteht aus drei Einzelsystemen:

1. “Micro-Fuel”-Meßzelle

2. Probennahmesystem

3. Elektronische Signalverarbeitung, Anzeige und Steuerung

Das Probennahmesystem hat die Aufgabe, das Meßgas aufzunehmen und durch den Analysator zu leiten, ohne daß die Probe vor dem Erreichen der Meßzelle kontaminiert oder verändert wird. Die “Micro-Fuel”-Meßzelle ist ein elektrochemisches, galvanisches Element, das den Sauerstoffanteil im Meßgas in eine elektrische Stromstärke umsetzt. Die elektronische Signalverarbeitung, Anzeige und Systemkontrolle vereinfacht die Bedienung des Analysators und verarbeitet die gesammelten Daten mit höchster Genauigkeit. Ein Mikroprozessor steuert die gesamte Signalverarbeitung, die Ein/Ausgabefunktionen und die Anzeige des Analysators.

2.2 Die “Micro-Fuel”-Meßzelle

2.2.1 Funktionsprinzip

Der im Modell 3000TA-XL verwendete Sauerstoffsensor ist eine “Micro-Fuel”-Meßzelle, die von Teledyne Analytical Instruments entwickelt wurde. Es handelt sich dabei um einen versiegelten elektrochemischen Sensor im Kunststoff-Einweggehäuse.

Die aktiven Bestandteile der "Micro-Fuel" - Meßzelle sind eine Kathode, eine Anode und eine wäßrige 15%-ige KOH-Lösung als Elektrolyt, in die beide Elektroden eintauchen. Die Zelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion um in einen elektrischen Strom. Sie verhält sich also ähnlich wie eine Batterie.

Es besteht allerdings ein entscheidender Unterschied zwischen einer Batterie und dieser elektrochemischen Meßzelle: In einer Batterie sind alle an der Reaktion beteiligten Stoffe enthalten; in der elektrochemischen Meßzelle hingegen kommt ein Reagent - der Sauerstoff - als ein Bestandteil des Probengases von außerhalb der Zelle hinzu. Auf diese Weise ist die "Micro-Fuel" Meßzelle ein Mittelding aus einer Batterie und einer reinen Brennstoffzelle. Bei einer reinen Brennstoffzelle sind alle Reagenten extern gelagert.

2.2.2 Aufbau einer "Micro-Fuel" - Meßzelle

Die "Micro-Fuel" - Meßzelle ist ein Zylinder von nur 3,1 cm (1 ¼”) Durchmesser und 3,1cm (1¼”) Höhe. Sie besteht aus einem höchst inerten Kunststoff, der ohne Schwierigkeiten in nahezu jeder Umgebung und in jeder Art von Probengasstrom eingesetzt werden kann. Sie ist sehr gut versiegelt, wobei eine Seite für den Sauerstoff des Probengases durchlässig ist. Auf der anderen Seite der Zelle befindet sich eine Kontaktplatte mit zwei konzentrischen Kontaktringen. Die Ringe erhalten über federnde Kontakte im Sensorblock des Analysators elektrischen Anschluß zu der Geräteelektronik.

Bild 2-1: “Micro-Fuel”-Meßzelle

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Modell 3000TA-XL Theoretische Grundlagen

Bild 2-2 zeigt einen Querschnitt durch die "Micro-Fuel" - Meßzelle. Im folgenden Abschnitt werden die inneren Bestandteile näher beschrieben.

Bild 2-2: Querschnitt durch eine "Micro-Fuel" - Meßzelle

Am oberen Ende der Zelle befindet sich eine Diffusionsmembran aus Teflon mit präziser, gleichmäßiger Dicke. Unter der Diffusionsmembran liegt das sauerstoffempfindliche Element - die Kathode- mit einer Oberfläche von fast 4 cm beschichtet und vielfach perforiert, um eine hinreichende Benetzung der Membranoberseite mit Elektrolyt sicherzustellen.

Die Anode befindet sich unterhalb der Kathode und besteht aus Blei. Durch die besondere konstruktive Auslegung der Anode steht ein Maximum an Metall für die chemische Reaktion zur Verfügung.

Am hinteren Ende der Zelle, direkt unter der Anodenstruktur, befindet sich eine flexible Membran zum Ausgleich der inneren Volumenschwankungen während der Lebensdauer der Zelle. Diese Flexibilität stellt sicher, daß die Sensormembran in der richtigen Position - und damit das elektrische Ausgangssignal konstant bleibt.

Der komplette Raum zwischen der Diffusionsmembran über der Kathode und der rückwärtigen flexiblen Membran unter der Anode ist mit Elektrolyt gefüllt. Kathode und Anode tauchen in diesen gemeinsamen Behälter ein. Sie sind über eine Leitung mit je einem der externen Kontaktringe auf der Kontaktplatte am Boden der Zelle verbunden.

2.2.3 Elektrochemische Reaktionen

. Die Kathode ist mit einem chemisch inaktiven Metall

Das Meßgas diffundiert durch die Teflonmembran. Jeglicher Sauerstoff im Meßgas wird an der Kathodenoberfläche nach folgender HALBREAKTION reduziert:

+ 2H2O + 4e- " 4OH-

(Vier Elektronen, zusammen mit einem Sauerstoffmolekül, produzieren mit H2O aus dem Elektrolyt vier Hydroxyl-Ionen)

Wenn der Sauerstoff an der Kathode reduziert wird, wird gleichzeitig das Blei an der Anode durch folgende HALBREAKTION oxidiert:

2Pb + 4OH

(Zwei Elektronen werden pro oxydiertem Bleiatom verschoben. Daher werden zwei derartige Reaktionen benötigt, um das Gleichgewicht herzustellen und vier Elektronen zu verschieben)

" 2PbO + 2H2O + 4e-

2-2  2000 Bernt GmbH, Düsseldorf / M ünchen

Modell 3000TA-XL Theoretische Grundlagen

Die an der Anode freigesetzten Elektronen fließen zur Kathode, wenn ein externer Strompfad vorhanden ist. Der dabei fließende Strom ist proportional zur Menge des Sauerstoffs, der die Kathode erreicht. Er dient als Maß zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Probengasgemisch.

Die Gesamtreaktion für die Brennstoffzelle ist die SUMME der beiden Halbreaktionen von oben, oder:

2Pb + O

(Diese Reaktionen gelten, solange keine gasförmigen Komponenten wie Jod, Brom, Chlor oder Fluor im Probengas enthalten sind, die in der Lage sind, Blei zu oxidieren).

Der Ausgangsstrom der Zelle ist zum einen begrenzt durch die aktuelle Gesamtmenge des Sauerstoffs in der Zelle, zum anderen durch die Menge des vorrätigen Anodenmaterials.

In Abwesenheit von Sauerstoff wird kein Strom erzeugt.

2.2.4 Einfluß von Druckänderungen

Um den Sauerstoffgehalt in der Gasprobe als Prozentsatz des Gasgemisches feststellen zu können, ist es notwendig, daß das Probengas unter konstantem

Wenn der Gesamtdruck ansteigt, steigt die Rate des Sauerstoffs, der durch die Diffusionsmembran an die Kathode gelangt, ebenfalls an. Der Elektronenaustausch - und damit der externe Strom - wird somit in gleichem Maße ansteigen, obwohl sich der prozentuale Sauerstoffgehalt des Probengases nicht geändert hat. Daher ist es wichtig, daß der Druck des Probengases an der Brennstoffzelle (üblicherweise atmosphärischer Druck) zwischen zwei Kalibrierungen konstant bleibt.

2.2.5 Charakteristik der Kalibrierung

" 2PbO

Druck in die Zelle diffundiert.

Konstanten Druck des Probengases an der Oberfläche der "Micro-Fuel" - Meßzelle vorausgesetzt, besitzt die Zelle die angenehme Eigenschaft, daß der Strom im externen Stromkreis direkt proportional zu der Rate ist, mit der Sauerstoffmoleküle die Kathode erreichen, und diese Rate ist direkt proportional zur Sauerstoffkonzentration im Probengasgemisch. Mit anderen Worten, die Zelle besitzt eine lineare Ausgangskurve, wie in Bild 2-3 gezeigt. Ein Ausgleich von Nichtlinearitäten durch die Meßelektronik ist nicht notwendig.

Zusätzlich besitzt die charakteristische Kurve in Abwesenheit von Sauerstoff einen fast absoluten Nullpunkt (im Bereich von ca. ±1ppm ). Im Prozentbereich muß die Zelle selbst nicht auf Null abgeglichen werden. In der praktischen Anwendung wird bei ppm-Messungen trotzdem eine Nullpunkteinstellung verwendet, um Nullpunktfehler in der Elektronik auszugleichen bzw. um den Grundpegel der Meßzelle auszublenden. (Die Elektronik wird beim Einschalten automatisch auf Null abgeglichen.)

Bild 2-3: Charakteristische Eingangs-/Ausgangskurve einer “Micro-Fuel”-Meßzelle

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Modell 3000TA-XL Theoretische Grundlagen

2.3 Das Probennahmesystem

Das Probennahmesystem leitet Gase zur "Micro-Fuel" - Meßzelle vom Gaseingang auf der Rückseite des Gerätes. Abhängig vom Betriebsmodus wird Meß- oder Kalibriergas zur Zelle geführt.

Das Probennahmesystem des 3000TA-XL ist so ausgelegt und gefertigt, daß das Probengas auf seinem Weg zur Meßzelle nicht verändert wird. Die Probe trifft unterwegs auf fast keinen Totraum. Dadurch werden Nischen minimiert, in denen sich Restgas ansammeln kann, das die Messung in sehr niedrigen Bereichen verfälschen würde.

Das Probennahmesystem des Standardmodells umfaßt ¼”-Rohr-Fittings an den Gaseinlaß- und Auslaßanschlüssen auf der Rückwand. Für metrische Installationen können 6mm-Adapter optional geliefert werden. Der Gasfluß wird mit Hilfe eines Durchflußmessers hinter der Meßzelle überwacht. Bild 2-4 zeigt die Verrohrung für die Standardausführung.

Bild 2-4: Verrohrungsplan und Durchflußschema für die Standardausführung

Bild 2-5 zeigt das Durchflußdiagramm für das Probennahmesystem. Im Standardinstrument können unter Verwendung eines T-Stücks und entsprechender Ventile das Null- und das Bereichsgas direkt mit dem Meßgaseingang (SAMPLE IN) verbunden werden. Der gerasterte Teil der Zeichnung zeigt die Optionen, die bei Bestellung der “-C”-Geräteoption hinzugefügt werden. Der Ventilblock wird in das 3000TA-XL-C-Gehäuse eingebaut und von der internen Elektronik des Geräts angesteuert.

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Modell 3000TA-XL Theoretische Grundlagen

Bild 2-5 : Gasflußdiagramm der Standardausführung

Billd 2-5-1: Gasflußdiagramm der Vakuumausführung

Billd 2-5-1: Gasflußdiagramm der Ausführung mit Kalibrierventilen (Option C)

2.4 Elektronik und Signalverarbei tung

Der 3000TA-XL Analysator besitzt einen 8031-Mikrocontroller mit 32KB RAM und 128KB ROM, der die gesamte Signalverarbeitung, die Ein- und Ausgabe und die Anzeigefunktionen des Analysators steuert. Die Stromversorgung geschieht durch ein universelles Netzteilmodul, das zu sämtlichen internationalen Stromnetzen kompatibel ist. Zeichnung 2-6 zeigt die Lage der Stromversorgung und der Hauptelektronikplatinen.

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