Gas – Messmethoden

Inhalt

1. Grundlagen
2. Gas-Mengenmessgerät mit Plastikflasche
2.1 Bauteile
2.2 Funktionsprinzip
2.3 Bauanleitung
2.3.1 Plastikflasche
2.3.1 Bodenplatte PVC-Rohr
2.3.1.1 Abstandhalter
2.3.2 Metallrohr und Schlauchanschluss
2.3.3 Schlauchanschluss mit Rohr verschrauben
2.3.4 PVC-Platte auf Halterung kleben
2.3.5 PVC-Rohr aufkleben.
2.3.6 Aufbau mit Regenrohr
3. Digitale Durchflussmessgerät mit Arduinoboard und FLW-122
4. Digitale Durchflussmessgerät
4.1 Video – Digitale Durchflussmessgerät
5. Wasserstoffanteil bestimmen
5.1 Fertige Geräte
6. H2-Sensoren
6.1 H2-Sensor MQ-8
6.2 H2-Sensor Typ-813
6.2.1 Mögliche Aufbau
6.2.2 Offene Punkte Typ 813
7. Buchempfehlungen
Autor: Arnd Koslowski

1. Grundlagen

Irgendwann möchte jeder, der eine Elektrolysezelle für die Knallgasherstellung hat, wissen wieviel Liter Gas produziert die Zelle pro Minute und wieviel Wasserstoff ist in der Luft.

Es gibt handelsübliche Gasmengenmessgeräte und auch Messgeräte zur Bestimmung des Wasserstoffanteils zu kaufen. Die Preise liegen hier meist im Bereich von mehreren Hundert bis Tausend Euro. Das es auch günstiger geht, wird hier beschrieben.

• Im Kapitel 2 finden Sie Bauanleitungen zu einfachen Gasmengenmessgeräten.
• Im Kapitel 3 wird ein sehr guter und günstiger Messaufbau beschrieben der mit Arduinoboard und FLW-122 arbeitet.
• Im Kapitel 4 Ansätze zum Bau günstiger digitaler Durchflusmessgeräte.
• Im Kapitel 5 finden Sie hinweise zu Messgeräten.
• Im Kapitel 6 finden Sie Informationen zu Sensoren, mit denen Sie den Wasserstoffanteil ermitteln können.

2. Gas-Mengenmessgerät mit Plastikflasche

Das es auch einfach und preiswerter geht, möchte ich hier zeigen. Unter den Forschern weit verbreitet, ist die Mengenmessung mit einer leeren Plastikflasche und einen PVC-Rohr. Der Gesamtaufbau kostet nicht mehr als 30.- € und erfüllt voll und ganz die Messung der Gasmenge pro Minute (LPM).

Hinweis: Dieser Aufbau ist nicht als kontinuierlicher Durchflussmesser geeignet.

Gasmengenmessgeraet_Prinzip

2.1 Bauteile

Das Messgerät besteht aus:

Standplatte aus Holz (hier braunrot)
Bodenplatte Gefäß (110mm Rohrabschluss)
Messrohr außen (PVC-Rohr klar außen 120mm)
Halter Metallrohr innen (Schlauchanschluß 90°)
Metallrohr innen (Messingrohr 6 oder 8mm)
Messflasche (2 Liter aus Plastik)
Schlauchanschluss aussen (6 oder 8mm flex.)

2.2 Funktionsprinzip

Bei diesem Messaufbau befindet sich eine umgedrehte leere Flasche in einem klaren PVC-Rohr, das mit Wasser gefüllt ist.

Das Gas wird über ein dünnes Metallrohr in der Mitte des PVC-Rohres zugeführt. Das Messingrohr ist in der Bodenmitte mit einem Schlauchanschluss fest verbunden. So kann das Wasser im PVC-Rohr nicht ausfliessen.

Der Wasserstand im PVC-Rohr hört ein Stück unterhalb der Metallrohrhöhe auf, damit kein Wasser in das Gasrohr strömen kann.

In das befüllte PVC-Rohr wird eine leere Plastikflasche ohne Boden aufgesetzt. An der Plastikflasche wurde vorher die genaue Füllmenge von einem Liter angezeichnet.

Die Flasche sinkt nun in das Wasser herab. Die in der Flasche vorhandene Luft kann über das Metallrohr und den Schlauch ausströmen. Sobald die Flasche komplett auf dem Metallrohr aufsitzt, kann die Messung beginnen.

Das ausströmende Gas wird an den Schlauch des Gasmengenmessgerätes angeschlossen. Genau in dem Moment muss mit einer Stoppuhr die Zeit gestoppt werden.

Das Gas strömt nun über das Metallrohr in die Plastikflasche und hebt Diese an. Sobald die Plastikflasche soweit angehoben wurde, dass der 1 Liter-Strich der Plastikflasche in der Höhe des Metallrohrendes ist, wird die Zeit gestoppt.

Nun kann umgerechnet werden, wieviel LPM die Zelle geliefert hat.

2.3 Bauanleitung

Für ein besseres Verständnis der Aufbauschritte, ist auf dem folgenden Bild das fertige LPM-Mengenmessgerät zu sehen.

2.3.1 Plastikflasche

Um eine passende 1,5 oder 2 Liter Plastikflasche zu finden, die genau in das PVC-Rohr passt, sollten Sie mit dem PVC-Rohr in einen Einkaufsladen gehen und dort prüfen ob die Flasche nicht zu weit und nicht zu eng im PVC-Rohr anliegt.

Ich habe die 2 Liter Flasche eines bekannten großen Getränkeherstellers verwendet, da Sie stabil und gross ist.

Sie wurde noch mit mit Abstandshaltern auf den Innendurchmesser des PVC-Rohres eingepasst. Mehr dazu im Kapitel 2.3.1.1.

Als PVC-Rohr wurde ein transparentes Rohr mit 120 Außen- und ca. 113mm Innendurchmesser verwendet.

Nehmen sie einen Messbecher und füllen Diesen genau mit einem Liter Wasser. Anschließend füllen Sie das Wasser in die Plastikflasche, und drehen diese um.

Wenn zur Hand, prüfen Sie den geraden Stand der Flasche mit einer Wasserwaage. Nur so können Sie sicherstellen, dass später die 1 Liter-Linie gerade um die Flasche gezeichnet wird.

Sobald das Wasser eine glatte Oberfläche hat, zeichnen Sie mit einem dünnen Stift die Wassergrenze an.

Nun haben sie die Füllmenge von genau 1 Liter angezeichnet.

Wie auf den folgenden Bildern zu sehen, können Sie die gezogene Linie noch mit einem Isolierband rundherum abkleben.

Als letztes wird nun das Wasser abgelassen und der Boden abgeschnitten. Achten Sie darauf, dass Sie nicht direkt unterhalb der 1 Liter-Linie abschneiden, sondern noch etwas mehr Rand stehen lassen!

Bevor die Frage aufkommt. Die Flasche die Sie hier sehen ist eine 1,5 Liter Flasche und keine 2 Literflasche, die am Ende auf den folgenden Bildern zu sehen ist. Den Grund dafür können Sie im Kapitel 2.3.6 nachlesen.

2.3.1.1 Abstandhalter

Zwischen der Flasche und dem PVC-Rohr sollten rundherum ca. 2-3mm Abstand sein.

Falls die Flasche nicht genau bündig in das PVC-Rohr passt, oder nicht über die gesamte Seitenfläche den gleichen Durchmesser hat, können noch Abstandhalter im Abstand von 120° angebracht werden. Wie genau, zeigen die folgenden beiden Bilder.​

Für den oberen Bereich wurden schmale Lüsterklemmen vom Innenleben befreit und einzeln abgetrennt. Für den unteren Bereich wurde von kleinen Kabelbindern die Kopfstücke verwendet. Alle 6 Abstandhalter sind mit Powerkleber, im Winkel von 120° zueinander, oben und unten angeklebt.

2.3.2 Bodenplatte PVC-Rohr

Als Bodenplatte für das PVC-Rohr eignet sich ein 110mm Rohrabschluss, der im Baumarkt für graue Regen- oder Wasserrohre verwendet wird.

Das Gas wird über ein Metallrohr in der Mitte des PVC-Rohres zugeführt. Wenn Sie einen 90°-Schlauchanschluss mit z.B. 8mm auf G 1/4″ haben, müssen Sie nun in den Boden ein 13mm Loch bohren. Alle Bauteile der Bodenplatte sehen Sie auf dem folgenden Bild, inclusive Forstnerbohrer für das 13’er Loch.

2.3.2 Metallrohr und Schlauchanschluss

Es empfiehlt sich als Metallrohr ein dünnwandiges Messingrohr zu nehmen.

Welches Messingrohr kommt in Frage?

Der Außendurchmesser des Messingrohres ergibt sich aus dem Innendurchmesser des Schlauchanschlusses. Der Schlauchanschluss den ich verwendet habe, hatte am 1/4″-Ende einen Innendurchmesser von ca 5,8mm. Daher wurde hier ein 6mm Messingrohr verwendet.

Damit das Messingrohr in den Schlauchanschluss reingesteckt werden kann, muss es noch auf 6mm oder 6,1mm aufgebohrt werden.

Wenn das Messingrohr in das gebohrte Loch passt, säubern Sie das Messingrohr und den Schlauchanschluss gut mit Seife. Danach tragen Sie im unteren Bereich dünn Powerkleber auf das Messingrohr auf, und stecken es in den Schlauchanschluss. Achten Sie dabei genau darauf, dass ihr Messingrohr gerade im Schlauchanschluss steckt. Ansonsten würde es später schief im PVC-Rohr stehen.

Gehen Sie nach dem verkleben sicher, dass kein Kleber im Rohr steckt. Zum Beispiel indem Sie von oben durch das Loch blasen. Danach den Kleber gut aushärten lassen!

2.3.3 Schlauchanschluss mit Rohr verschrauben

Verschrauben Sie nun den Schlauchanschluss im PVC-Rohrboden.

Den fertige Bodenplattenaufbau können Sie auf den folgenden beiden Bildern sehen.

Bodenplatte aufgebaut 01

2.3.4 PVC-Platte auf Halterung kleben

Nehmen Sie nun ein Stück flexiblen Schlauch und stecken Diesen auf den Schlauchanschluss, der unten aus der Bodenplatte kommt. Sie können den Schlauch noch mit Kabelbindern oder einer Schlauchschelle befestigen.

Da der Schlauchanschluss aus der Bodenplatte raussteht, müssen Sie einen Ständer für die Bodenplatte bauen, bei dem der Schlauch vorne rausgeführt werden kann. Ich habe den Ständer aus 2 runden Holzplatten gebaut, die innen großzügig ausgefräst wurden.

Die beiden Holzplatten und die Bodenplatte können Sie nun miteinander verkleben.

2.3.5 PVC-Rohr aufkleben.

Wenn die Bodenplatte fest auf der Halterung steht, streichen Sie den Außenrand der Bodenplatte großzügig mit Powerkleber oder Silikonkleber ein.

Das PVC-Rohr hat einen Innendurchmesser von ca. 113mm und passt damit recht genau auf die Bodenplatte. Nehmen Sie nun das PVC-Rohr und schieben es langsam und gleichmäßig auf die Bodenplatte. Überschüssigen Kleber können Sie am Rand abstreichen. Das Ganze danach gut trocknen lassen.

Zum Schluss zeichnen Sie die 1 Liter-Linie außen am PVC-Rohr an. Messen Sie von der oberen PVC-Rohröffnung aus den Abstand, Obere Rand zu obere Messingrohrende. Dann zeichnen Sie außen am PVC-Rohr an mehreren Stellen diese Höhe an und ziehen eine Linie. Wie bei der Flasche können Sie auch hier wieder mit Klebeband einen Rand ziehen. Sie sehen Dies auf dem folgenden Bild.

Sie müssen nun Wasser in das PVC-Rohr bis kurz unterhalb des Messingrohrrandes füllen. Zum Schluss wird die Plastikflasche umgedreht aufsetzen.

Fertig ist ihr LPM-Messgerät!

2.3.6 Aufbau mit Regenrohr

Der oben gezeigte Aufbau mit 110’er Regenrohrbodenplatte sollte zuerst mit einem 110’er Regenrohr aufgebaut werden, in das zwei seitliche Löcher eingesägt wurden. Der damalige Aufbau ist auf den folgenden beiden Bildern zu sehen:

Regenrohrvariante Seitenansicht
Regenrohrvariante Ansicht oben

Es stellte sich relativ schnell raus, dass sich nach aussägen der beiden Seitenlöcher, das Hauptrohr verzogen hat. Wie eine Feder wurde das runde Rohr oval zusammengezogen, wodurch sich die Plastikflasche nicht mehr locker im Rohr hoch und runter bewegen konnte. Weitere Nachteil dieser Variante ist, dass sich die seitlich angeklebten Klarsichtfolien ebenfalls so stark verziehen, wodurch das Rohr undicht wird.

Daher würde ich immer ein transparentes PVC-Rohr diesem Aufbau vorziehen, auch wenn es etwas teurer ist!

3. Digitale Durchflussmessgerät mit Arduinoboard und FLW-122

Dave hat es geschafft einen Gas- und HHO-Durchflussaufbau zu realisieren, der wenig kostet und professionell aufgebaut ist. Er verwendet den Sensor FLW-122, der über ein Arduinoboard mit LCD-Anzeige ausgewertet wird. Den Programmcode, das Schaltungslayout und alle weiteren Details zum Aufbau können Sie als PDF-Dokument unter Download herunterladen.

Damit ist der Aufbau, der aktuell noch auf dieser Homepage im Kapitel 4. beschrieben wird hinfällig.

4. Digitale Durchflussmessgerät

Für eine Dauermessung eignet sich das unter Kapitel 2. genannte Gasmengenmessgerät nicht. Auch der Suche nach einer günstigen Alternative für ein Durchflussmessgerät, habe ich einen Bausatz für ein Mengenmessgerät von ELV gefunden.

Dies Messgerät ist normalerweise dafür gedacht, Flüssigkeitsmengen und den aktuellen Durchfluss in ml/h oder min oder sec. anzuzeigen.

Da das dazugehörige Präzisionsflowmeter jedoch Drücke bis 20 Bar aushält, könnte es vielleicht gut für die HHO Messung dienen. Die passende Präzisionsturbine kann maximal 10 LPM messen. Wenn die Zelle mehr liefern sollte, müssten ggf. mehrere Turbinen gekoppelt werden.

Das Messgerät wird als Bausatz geliefert. Die SMD-Bauteile sind netterweise bereits aufgelötet. Der weitere Aufbau sollte von einem Elektroniker durchgeführt werden, oder jemanden der löten kann. Ein Tipp, die beiden kleinen IC’s (8 und 14pol) sollen laut Bauplan nicht gesockelt werden. Hier habe ich mich trotzdem für IC-Sockel entschieden und diese verbaut, um so im Schadensfall die ICs schnell austauschen zu können.

Weiterhin wie immer darauf achten, das der uC-IC mit allen Beinen gut in dem Sockel steckt. Hier ist schnell ein Beinchen umgeknickt und hat dann keinen Kontakt im Sockel.

Die Idee ist es, mit dem im Kapitel 2. gezeigten LPM-Messgerät die Anzahl der Pulse vom Flowmeter je Liter zu ermitteln, damit das Durchflussmessgerät einzustellen, und dann zu prüfen ob dies digitale Durchflussmessgerät für die Gasmessung geeignet ist.

4.1 Video – Digitale Durchflussmessgerät

Nachfolgende sehen Sie das fertig aufgebaute Durchflussmessgerät. Das Messgerät ist noch nicht auf den Sensor geeicht.

5. Wasserstoffanteil bestimmen

Welcher Wasserstoffanteil ist in der Umgebungsluft oder noch im Abgas einer KAT-Heizung vorhanden? Um hier Sicherheit über den Wasserstoffanteil in der Luft zu haben, wird ein Messgerät benötigt.

Welche günstigen und tragbaren Geräte es fertig zu kaufen gibt, wird nachfolgend beschrieben.

5.1 Fertige Geräte

Auf der Suche nach einem tragbaren Gerät, das geeichte Werte anzeigt, wurde mir der Gasman “Wasserstoff” empfohlen. Er wird normalerweise bei Feuerwehr oder in der Industrie zum Personenschutz verwenden. Mit knappen 700.- € ist er nicht gerade ein günstiges Messgerät, im Vergleich zu mehreren tausend Euro teuren Geräten in der Industrie aber immer noch günstig.

Das Messgerät kann Werte von 0-100% auswerten. 100% entspricht einem Wasserstoffanteil von 3-4% in der Umgebungsluft. Die Anzeige zeigt leider keinen prozentualen Wasserstoffanteil an, sondern nur zwei Schwellwerte, die im Gerät gesetzt werden können. Beispiel:

• 0% Wasserstoff = kein Alarm
• 1,5% Wasserstoff = Warnung
• 3% Wasserstoff = Alarm

Am dem Gerät wird ein Aufsatz für den Sensor mitgeliefert. Dieser besteht aus einer Gummikappe, mit zwei Schlauchanschlüssen. Für den Forscher ist es so möglich, über eine kleine Pumpe Luft von einer bestimmten Messstelle aus, dem Messgerät zuzuführen.

Es muss nur darauf geachtet werden, das die Maximaltemperatur von 60°C nicht überschritten wird. Das nur als Hinweis, wenn nach einem Oxikat die Abgase abgezapft werden sollten, um nach restlichen Wasserstoff zu analysieren.

Das Gerät eignet sich somit in erster Linie als Schutz bei den eigenen Forschungen im Räumen. Durch die fehlende Anzeige 0-3% Wasserstoff/Luft ist es nur bedingt für genauere Messungen geeignet.

6. H2-Sensoren

Welche günstigen Wasserstoffsensoren gibt es, die Sie für eigene Messaufbauten verwenden können? Falls Ihnen noch andere Sensor bekannt sind, wäre ich Ihnen dankbar wenn Sie sich mit mir in Verbindung setzen könnten.

6.1 H2-Sensor MQ-8

Ich bekam den Tipp, dass sich der H2-Sensor Typ MQ-8 von Hanwei Electronics gut für die Messung von Wasserstoff eignen würde.

Der Sensor ist hochsensibel bei Wasserstoff, und hat einen Messbereich von 100 – 10000 ppm. Er ist günstig zu erwerben und liegt bei 7.- €. Die Verschaltung ist identisch zum Sensor Typ 813 , siehe Kap. 5.2.1.

Der Sensor MQ-8 hat laut Datenblatt eine sehr geringe Temperaturdrift. Der Widerstand Rs/Ro verändert sich nur minimal im Temperarturbereich von 20-60°C.

Der Sensor und ein analoges Drehspulmesswerk 0-5V DC wurden bestellt. Im Jan 2014 wird der Messaufbau gebaut und das ganze mit einem genaueren Messgerät geprüft.

6.2 H2-Sensor Typ-813

Bei Conrad wird ein Gas-Sensor Figaro Typ 813 angeboten. Dieser Sensor kann mit einer Gleichspannung von 0-24V betrieben werden. Die eingebaute Heizung benötigt 5V.

Es ist möglich den Eingang und die Heizung gemeinsam an eine 5V-Spannungsquelle anzuschließen. Am Ausgang kann über ein analoges Drehspulmessgerät geprüft werden, ob Wasserstoff in der Luft vorhanden ist wie im Kapitel 4.2.1 zu sehen. Für genaue Messungen muss rund um den Sensor eine Schaltung gebaut werden, die eine stabile Spannung sicherstellt und Temperatur- und Feuchtigkeitsunterschiede ausgleicht. Daher hier die Vorstellung des Sensors nur als Anregung falls Sie auf der Suche nach einem Sensor zur Messung von Wasserstoff sind.

6.2.1 Mögliche Aufbau

Der folgende Aufbau zeigt die einfachste Art den Sensor zu verschalten. Er dient definitiv nicht dazu genaue Gasmengen zu ermitteln.

6.2.2 Offene Punkte Sensor Typ 813

Temperatur- und Luchtfeuchtigkeit Drift:

Im Datenblatt wird angegeben das der Sensor Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängig ist. Daher wird eine Kompensationsschaltung benötigt, um diese Faktoren auszugleichen.

Die Temperatur- und Feuchtigkeitsveränderung könnte durch Einbau eines zweiten Sensors und eines Kompensationsverstärker (OpAmp) ausgeglichen werden.

Spannung:

Die angelegte Spannung muss sehr stabil sein. Jede kleine Änderung der Spannung im Bereich von 0,1V führt zu großen Änderungen bei der Messung.

Eichen:

Auch wenn die analoge Anzeige sich bei veränderten Wasserstoffanteil bewegt, müsste mit einem genauen und geeichten Messgerät ermittelt werden, wieviel % Wasserstoffanteil bei welcher Spannung auftritt.

Ein grober Richtwert des H-Anteils in ppm geht aus dem Datenblatt hervor.

7. Buchempfehlungen

Der Wassermotor – zum Selbernachbauen für Motorräder und Autos!

In diesem Buch werden zahlreiche Verfahren beschrieben, wie ein Benzinauto auf Mischtreibstoff mit Bio-Ethanol oder auf eine Mischung mit bis 80% Wasser und 20% Benzin umgestellt werden kann. Auch wer nur mit normalem Wasser fahren möchte, findet zahlreiche Möglichkeiten, um Wasser mit geringem Einsatz an elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten und das Fahrzeug dann mit reinem Wasserstoff zu betreiben.

Pläne zum Nachbau von Wassermotoren

Anleitung zum Selbstbau – Die jüngsten Meldungen über umgebaute Fahrzeuge, deren Motoren mit Wasser fahren, lassen immer mehr Umweltexperten und Autobenützer aufhorchen. Grossfirmen wie BMW und Mercedes entwickeln zwar Fahrzeuge für die Wasserstofftechnologie, doch zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff braucht es nach gängiger Lehrmeinung immer noch mehr Energie, als eine einfache Lichtmaschine im Auto liefern kann. Dies änderte sich schlagartig, als überraschenderweise am 1. Februar 2002 … mehr lesen im Shop.

Browns Gas – eine unerschöpfliche Energiequelle

In diesem Buch wird der energietechnisch interessierte Leser Schritt für Schritt an das Thema dieses immer noch geheimnisvollen Gases herangeführt. Browns Gas ist nicht nur unerschöpflich, sondern auch weitgehend unerforscht und unbekannt, obwohl es in den Bereich der Wasserstofftechnologien gehört. Gerade deshalb hat es der Autor unternommen, mit dem vorliegenden Werk ein erstes Signal zu setzen, das diesem Umstand abhelfen soll. Nach derzeitiger Information ist über Browns Gas bis jetzt noch nie in dieser Form ein Buch geschrieben worden.