CH697670B1 - Sensor zum Überwachen einer Konzentration gasförmiger Brennstoffe in einer Brennkammer. - Google Patents

Abstract

Es ist ein Sensor zum Überwachen und Messen von Gaskonzentrationen in Brennkammeranwendungen bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Elektroden (174, 176) aufweist, die mit einer einzelnen Elektrolytzelle (172) zum Erfassen des Vorhandenseins und der Konzentration gasförmiger Komponenten eines Rauchgases zusammenwirken. Basierend auf dem Ionenfluss, der durch unterschiedliche Gaskonzentrationen, welche die Elektroden quer über den Elektrolyten feststellen, verursacht wird, wird eine Spannung erzeugt. Die Spannungsänderung wird in Wechselbeziehung gebracht und verwendet, um die Konzentration festgestellter Gase, zum Beispiel brennbarer Gase, Stickstoffoxide, Kohlenmonoxid, etc., die im Rauchgas enthalten sind, zu bestimmen. Der Betrieb der Brennkammer kann dann optimiert werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern und unerwünschte Gaskonzentrationen im Rauchgas auf wünschenswerte Art und Weise zu minimieren. Ein Kalibriergas kann eingeleitet werden, um die Vorrichtung zu kalibrieren, und ein Vergleichsgas kann als Grundlage für die Wechselbeziehung der Gaskonzentrationen zu einer Elektrode geleitet werden.

Description

  Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Verbrennungssystemen und Vorrichtungen zum Überwachen und Messen von Gasen, wie zum Beispiel Bestandteilen von Rauchgasen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf das Gebiet von Sondenaufbauten zur Verwendung in Verbrennungssystemen und Verfahren und Vorrichtungen, die Gase, wie zum Beispiel Bestandteile von Rauchgasen, überwachen und messen.

   Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf das Gebiet von Sondenaufbauten als Bestandteil von Sensoren zur Verwendung bei der Überwachung und Messung von Gasen in Verbrennungsanwendungen, wie zum Beispiel, aber nicht ausschliesslich, Heizkessel, Brennkammern, Verbrennungsgasturbinen oder Brenner für fossile Brennstoffe.

[0002] Verschiedene Verfahren und Systeme zur Überwachung und Messung von Gasen in Verbrennungssystemen sind bereits vorgeschlagen worden. Diese Verfahren und Systeme weisen Sensoren auf, die in Verbrennungssysteme, wie zum Beispiel eine Kohleheizkesselumgebung, eingeführt werden. Solche Sensoren sind üblicherweise dafür geeignet, Gase, zum Beispiel Sauerstoff (O2) und Kohlenmonoxid (CO) in relativ gemässigten Temperaturbereichen, d.h. weniger als 600 deg.

   C, zu überwachen.

[0003] Darüber hinaus sind diese bekannten Sensoren üblicherweise für eine stagnierende, periodische oder gelegentliche Grundmessung konstruiert. Diese Sensoren stellen im Allgemeinen keine ausreichende Aufbauanordnung bereit, um eine dynamische Messung des Gasstroms im Verbrennungssystems zu schaffen, wie sie wünschenswert ist, um genaue Sensormessungen in Echtzeit bereitzustellen.

   Des Weiteren stellen diese herkömmlichen Sensoraufbauanordnungen keine Aufbauanordnung für einen Sensor bereit, mit denen Gasschwankungen im Verbrennungssystem aufgenommen und gemessen werden könnten, während die Messzelle geschützt wird und ein Kalibrierbereich geschaffen werden kann, wenn Kalibriergas ins Verbrennungssystem strömt.

[0004] Des Weiteren sind diese bekannten Sensoren üblicherweise zur Verwendung in einem eingeschränkten Temperaturbereich, üblicherweise nicht über 600 deg. C, konstruiert. Diese Temperatur herrscht oft im Innenbereich eines Verbrennungssystems, wo dynamische Messungen vorgenommen werden sollten, um genaue Messungen bereitzustellen. Die herkömmlichen Versuche, Sensoren im Innenbereich eines Verbrennungssystems anzuordnen, haben oft keine Anordnungen bereitgestellt, welche Temperaturen von zum Beispiel 700-800 deg.

   C oder mehr aushalten könnten.

[0005] Ein Kohlenwasserstoffbrennstoff kann in einem Brenner oder Verbrennungssystem (im Folgenden als "Verbrennungssystem" bezeichnet), wie zum Beispiel, aber nicht eingeschränkt, auf Heizkessel, Brennkammern, Verbrennungsgasturbinen oder Brennern für fossile Brennstoffe, verbrannt werden, um Hitze zu erzeugen, mit der die Temperatur eines strömungsfähigen Mediums erhöht wird. Verschiedene Behörden haben Grenzwerte für Verbrennungsprodukte/-nebenprodukte angeordnet, die Betreiber von Verbrennungssystemen einhalten müssen, um Umweltbestimmungen und Konstruktionsbeschränkungen zu erfüllen.

   Damit ein Verbrennungssystem wirtschaftlich arbeitet und eine angemessen "vollständige" Verbrennung (eine Verbrennung, bei der Verbrennungsprodukte/-nebenprodukte die durch Umweltbestimmungen auferlegten Grenzwerte und Konstruktionsbeschränkungen einhalten), sollten die einzelnen Brenner des Verbrennungssystems sauber und wirtschaftlich arbeiten. Des Weiteren sollten Nachbrennverbrennungskontrollsysteme richtig ausgeglichen und eingestellt sein, so dass das Verbrennungssystem die Umweltbestimmungen und Konstruktionsbeschränkungen erfüllt.

[0006] Die Emission von unverbranntem Kohlenstoff, Stickstoffoxiden (womit in dieser Patentanmeldung NO, NO2, NOX gemeint ist), Kohlenmonoxid oder anderen Nebenprodukten wird gewöhnlich überwacht, um sicherzustellen, dass Umweltbestimmungen eingehalten werden.

   Wie hierin und in den Ansprüchen verwendet umfasst der Begriff Stickstoffoxide Stickstoffmonoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2) und Stickoxid (NOX, wobei NOX die Summe aus NO und NO2 ist). Vormals erfolgte die Überwachung von Emissionen notwendigerweise über die Gesamtemissionen aus dem Verbrennungssystem. Diese Überwachung ist unter Verwendung der gesamten Brennergruppe des Verbrennungssystems ausgeführt worden. Einige Emissionen, wie zum Beispiel die Konzentration von gasförmigen Brennstoffen in heissen Rauchgasen in den zentralen Innenbereichen, sind im Betrieb und laufend schwierig und/oder teuer zu überwachen. Diese heissen Rauchgasemissionen werden üblicherweise nur periodisch oder gelegentlich gemessen.

   Wird entdeckt, dass ein bestimmtes Verbrennungsnebenprodukt in unangemessen hohen Konzentrationen entsteht, sollte die Brennkammer eingestellt werden, um den ordnungsgemässen Betrieb wiederherzustellen. Die Messung der Gesamtemissionen, oder die periodische oder gelegentliche Messung von Emissionen stellt jedoch wenig oder gar keine brauchbaren Informationen darüber bereit, welche Brennkammerparameter geändert werden sollten, um eine solche Einstellung zu erreichen.

[0007] Drei wichtige Verbrennungsvariablen, nämlich O2, CO und NOX sollten laufend überwacht werden, um einen Verbrennungsprozess zu optimieren und das Ziel eines verbesserten beziehungsweise möglichst optimalen Wirkungsgrades bei niedrigem beziehungsweise möglichst optimalem Emissionsgrad zu erreichen. Verbrennungssensoren auf Festkörperelektrolyt-Basis (z.B.

   Zirkoniumdioxid) sind bekannt und werden in Brennkammern für fossile Brennstoffe weitgehend verwendet, um Sauerstoff und Brennstoffe zu messen. Diese Sensoren werden üblicherweise verwendet, indem Vergleichsluft zu einer oder zwei Elektroden geleitet wird, sind extraktiv und aufwendig zu warten.

[0008] In jüngster Zeit haben einige Lieferanten Sauerstoffsensoren eingeführt, die keine ständige Zuführung von Vergleichsgas verwenden.

   Stattdessen weisen diese Sensoren eine versiegelte innere Elektrode auf, die mit einer Mischung aus Metall/Metalloxid gefüllt ist, die innerhalb des versiegelten Volumens einen konstanten Partialdruck von O2 erzeugt.

[0009] Des Weiteren ist bekannt, dass Nernst'sche Festkörperelektrolytsensoren bei Verfahren verwendet werden, bei denen NOX in Verbrennungssystemrauchgas gemessen wird, indem ein potentiometrischer Mischpotentialmodus verwendet wird. In solchen Nernst'schen Festkörperelektrolytsensoranordnungen passiert das analysierte Gas einen porigen Filter, bevor es eine Messelektrode erreicht. Der Filter soll dazu dienen, die Empfindlichkeit des Nernst'schen Festkörperelektrolytsensors auf NO oder NOX, der Summe von NO und NO2, zu verbessern.

   Die praktische Verwendung solcher "gefilterten" NOx-Sensoren ist jedoch aufgrund der nachteiligen Auswirkungen auf andere Rauchgaskomponenten, vor allem CO und O2, schwierig.

[0010] Daher besteht ein Bedarf, einen Sensor zu schaffen, der in Verbrennungssystemen bei Temperaturen von 700-800 deg. C oder mehr und in erster Linie zum Messen von O2 und CO verwendet werden kann.

   Darüber hinaus besteht ein Bedarf, eine Sensoranordnung zu schaffen, die Gasschwankungen im Verbrennungssystem aufnehmen und messen kann, während sie die Sensorzelle schützt und ein Kalibrierbereich geschaffen werden kann, wenn Kalibriergas ins Verbrennungssystem strömt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0011] Die vorliegende Erfindung überwindet die oben angeführten Probleme und bietet zusätzliche Vorteile, indem sie einen verbesserten Sensor zur Überwachung von Gasen in Verbrennungssystemen bereitstellt. Die Erfindung kann in einer Reihe von Anwendungen verwendet werden, einschliesslich Energieheizkessel und Brennkammern für fossile Brennstoffe.

   In einer Ausführungsform schafft die Erfindung eine gleichzeitige Überwachung und/oder Messung von wichtigen Verbrennungsbestandteilen, wie zum Beispiel Sauerstoff, NOx und CO, indem ein potentiometrischer Sensor auf Festkörperelektrolytbasis vor Ort verwendet wird. Solche Sensoren können gruppenweise verwendet werden, um die erforderliche Profilierung und Auswertung von Verbrennungsvariablen als wirksames Werkzeug zur Verbrennungsoptimierung bereitzustellen.

[0012] Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Brennstoffschwankungssensor einen kombinierten potentiometrischen O2+CO-Sensor bereit. Bei dieser Ausführungsform wird ein Vergleichsgas (Luft) zu einer Elektrode (der Vergleichselektrode) des Brennstoffsensors geleitet, so dass dieses Vergleichsgas durch den Sensor strömt. Diese Anordnung kann als O2+CO-Durchflusssensor bezeichnet werden.

   Die O2-Komponente des Sensors funktioniert wie ein herkömmlicher Nernst'scher Sensor, da er gemäss der Nernst'schen Gleichung betrieben ist. Der Name Nernst wird jedoch oftmals allgemein verwendet, um Sensoren zu bezeichnen, die auf Festkörperelektrolytzirkoniumdioxid basieren und nicht gemäss der Nernst'schen Gleichung arbeiten. Die CO- und NOX-Aspekte des Sensors sind keine "Nernst'schen" Aspekte im technischen Sinn.

   Vielmehr arbeiten die CO- und NOX-Sensoranordnungen der vorliegenden Erfindung in einem Mischpotentialmodus, indem die Verarbeitung in Zusammenhang mit der Bestimmung der Konzentration von CO und NOX auf Grundlage einer Reihe von Faktoren, wie zum Beispiel Temperatur, verwendete Materialien, etc., von der Nernst'schen Gleichung abweicht.

[0013] In einem Aspekt kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um bestehende Sensoren oder Sensorkonstruktionen, wie zum Beispiel den MK-CO-Sensor, in einen kombinierten potentiometrischen O2+CO-Sensor umzuwandeln. Diese Vorgehensweise bietet eine weniger komplizierte Sensorkonstruktion, bei der der Sensor eine Festkörperelektrolytzelle mit zwei Messelektroden aufweist. Der potentiometrische In-Situ-Sensor erzeugt ein Ausgabesignal, das aus zwei Komponenten, nämlich Gleichstrom und Wechselstrom, besteht.

   Früher ist die Gleichstromkomponente verwendet worden, um O2 unter Verwendung der Nernst'schen Gleichung zu berechnen, und die Wechselstromkomponente ist aus dem Signal herausgefiltert worden. In jüngerer Zeit ist die schwankende Wechselstromkomponente verwendet worden, um die Konzentrationen von Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NOX) oder anderen gasförmigen Brennstoffen zu bestimmen, wie in US-Patentschrift Nr. 6 277 268 beschrieben.

[0014] Arbeitet eine Brennkammer im "balanced-draft"-Modus (bei Unterdruck), kann der Naturzug als Antriebskraft für eine Vergleichsluftzufuhr verwendet werden.

   Die Vergleichsluftzufuhrleitung kann auch verwendet werden, um sowohl O2- als auch CO-Sensoren regelmässig zu kalibrieren, indem Kalibriergase zu einer Vergleichselektrode geleitet werden.

[0015] Statt einer laufenden Sensorerhitzung und Temperaturkontrolle, ist der Sensor in der Rauchgaszone in einem passenden Temperaturfenster, bei vielen Heizkessel-/Brennkammeranwendungen zum Beispiel bei einer Rauchgastemperatur zwischen ungefähr 480-815 deg. Celsius (900 bis 1500 deg. Fahrenheit), angeordnet. Die Temperatur wird laufend gemessen und zur Korrektur verwendet.

   Der Sensorkopf ist innerhalb einer Schutzhülle angeordnet, um seine Kalibrierung zu erleichtern, die Auswirkung der Rauchgasgeschwindigkeit zu verringern und seine Oberfläche vor Aschenablagerungen zu schützen.

[0016] Gemäss einem anderen Aspekt der Erfindung ist der oben beschriebene In-Situ-Festkörperelektrolytsensor mit einem rostfreien Schlauch oder einer Leitung versehen, um Verpackung, Zusammenbau, Einbau und Wartung in einem Heizkessel zu vereinfachen. Die tatsächlichen Gasmesssonden könnten eine beträchtliche Länge von 6,1 bis 9,1 Meter (20 bis 30 Fuss) oder mehr aufweisen. Weisen die Gasmesssonden eine beträchtliche Länge (mehr als 1,8 bis 2,4 Meter (6 bis 8 Fuss)) auf, müssen die Sonden vor Ort zusammengebaut werden, was Zusammenbau-, Transport-, Einsatz- und Herausziehvorgänge kompliziert.

   Das Verwenden eines biegsamen Schlauchs bietet grössere Flexibilität beim Einbau vor Ort zusammen mit einer Stützleitung, die in der Nachbrennzone montiert ist, und ermöglicht die Fertigung der gesamten Sonde im Werk. Die Einheit wird dann vollständig zusammengebaut zum Einbauort befördert, und das Einsetzen und Herausziehen der Sensorsonde ist, insbesondere in überfüllten Werksumgebungen, stark vereinfacht.

[0017] Demgemäss ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine gleichzeitige und sofortige Messung verschiedener Schlüsselverbrennungsvariablen, wie zum Beispiel der Konzentration von Sauerstoff und anderen gasförmigen Brennstoffen (zum Beispiel CO), unter Verwendung eines potentiometrischen In-Situ-Sensors auf Festkörperelektrolytbasis bereitzustellen.

   Bestehende potentiometrische In-Situ-Verbrennungssensoren auf Festkörperelektrolytbasis erlauben nur die Messung einer einzigen Verbrennungsvariablen und weisen bedeutende Betriebsschwierigkeiten auf. Ein Verbrennungssensor, der mehrere Schlüsselverbrennungsvariable gleichzeitig und sofort anzeigt, bietet bedeutende Vorteile für eine erfolgreiche Verbrennungsdiagnostik und -optimierung im Betrieb.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0018] 
<tb>Fig. 1<sep>ist ein veranschaulichendes Beispiel eines Heizkessels, der Festkörperelektrolytsensoren aufweist, die im Rauchgas angeordnet sind, um Signale, welche den Stand gasförmiger Brennstoffe angeben, zu erzeugen;


  <tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Abbildung des gesamten Sensorsystems;


  <tb>Fig. 3<sep>ist eine axiale Querschnittsansicht eines Endes eines Sensors;


  <tb>Fig. 4A-4D<sep>sind schematische Abbildungen verschiedener Möglichkeiten zum Einführen von Prozessgas in ein Volumen angrenzend an die Sensorzelle, und gleichzeitigem Bereitstellen von ausreichendem Raum zur Kalibrierung;


  <tb>Fig. 5<sep>ist eine schematische Abbildung eines Kalibriergaskreislaufs mit einem Thermoelement im Kalibriergaskanal;


  <tb>Fig. 6<sep>ist eine Ansicht ähnlich Fig. 3, die radiale Löcher für Kalibriergas abbildet;


  <tb>Fig. 7-12<sep>sind Ansichten ähnlich Fig. 6, die verschiedene Ausführungsformen des Sensors abbilden;


  <tb>Fig. 13<sep>ist eine schematische Abbildung einer Vorrichtung zum Reinigen der Sensorfläche; und


  <tb>Fig. 14<sep>ist eine perspektivische Teilansicht eines federbelasteten elektrischen Kontakts mit der Vergleichselektrode.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0019] Die Erfindung kann in einer Reihe von Verbrennungsanwendungen verwendet werden, einschliesslich Energieheizkessel und Brennkammern für fossile Brennstoffe. Auf eine Art schafft die Erfindung die gleichzeitige Überwachung und/oder Messung von Sauerstoff, CO und anderen gasförmigen Brennstoffen, indem sie einen herkömmlichen In-Situ-Sensor, der im potentiometrischen Modus arbeitet, verwendet.

   Solche Sensoren können in Gruppen zusammengefasst werden (zum Beispiel in einem Gitternetz mit gleichen Abständen, wobei die Sensoren strategisch entsprechend spezifischen Veränderungen des Brenners angeordnet sind), um die erforderliche Profilierung und Auswertung von Verbrennungsvariablen als wirksames Werkzeug zur Verbrennungsoptimierung bereitzustellen.

[0020] Ein Kohlenwasserstoffbrennstoff kann in einer Brennkammer oder einem Verbrennungssystem (im Folgenden bezeichnet als "Verbrennungssystem"), wie zum Beispiel, aber nicht eingeschränkt auf, Heizkessel, Brennkammern, Verbrennungsgasturbinen oder Brennern für fossile Brennstoffe, verbrannt werden, um Hitze zu erzeugen, mit der die Temperatur eines strömungsfähigen Mediums erhöht wird.

   Verschiedene Behörden haben Grenzwerte für Verbrennungsprodukte/-nebenprodukte angeordnet, die Betreiber von Verbrennungssystemen einhalten müssen, um Umweltbestimmungen und Konstruktionsbeschränkungen zu erfüllen. Damit ein Verbrennungssystem wirtschaftlich arbeitet und eine angemessen "vollständige" Verbrennung (eine Verbrennung, bei der Verbrennungsprodukte/-nebenprodukte die durch Umweltbestimmungen auferlegten Grenzwerte und Konstruktionsbeschränkungen einhalten), sollten die einzelnen Brenner des Verbrennungssystems sauber und wirtschaftlich arbeiten.

   Des Weiteren sollten Nachbrennverbrennungskontrollsysteme richtig ausgeglichen und eingestellt sein, damit das Verbrennungssystem die Umweltbestimmungen und Konstruktionsbeschränkungen erfüllt.

[0021] Emissionen von unverbranntem Kohlenstoff, Stickstoffoxiden (NO, NO2, NOx), Kohlenmonoxid oder anderen Nebenprodukten werden gewöhnlich überwacht, um sicherzustellen, dass Umweltbestimmungen eingehalten werden. Wie hierin und in den Ansprüchen verwendet, umfasst der Begriff CO (Kohlenmonoxid) gasförmige Brennstoffe, einschliesslich CO, sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und andere reaktionsfähige Produkte einer unvollständigen Verbrennung. Vormals erfolgte die Überwachung von Emissionen notwendigerweise über die Gesamtemissionen aus der Brennkammer (d.h. der gesamten Brennergruppe als Gesamtheit).

   Einige Emissionen, wie zum Beispiel die Konzentration von gasförmigen Brennstoffen in heissen Rauchgasen, sind im Betrieb und laufend schwierig und/oder teuer zu überwachen. Diese Emissionen werden üblicherweise nur periodisch oder gelegentlich gemessen. Wird entdeckt, dass ein bestimmtes Verbrennungsnebenprodukt in unangemessen hohen Konzentrationen entsteht, sollte die Brennkammer eingestellt werden, um den ordnungsgemässen Betrieb wiederherzustellen.

   Die Messung der Gesamtemissionen, oder die periodische oder gelegentliche Messung von Emissionen stellt jedoch wenig oder gar keine brauchbaren Informationen darüber bereit, welche Brennkammerparameter geändert werden sollten, um eine solche Einstellung zu erreichen.

[0022] Zwei wichtige Verbrennungsvariablen, nämlich O2 und CO, sollten laufend überwacht werden, um einen Verbrennungsprozess zu optimieren und das Ziel eines optimalen Wirkungsgrades bei minimalem Emissionsgrad zu erreichen. Verbrennungssensoren auf Festkörperelektrolyt-Basis (z.B. Zirkoniumdioxid) sind wohlbekannt und werden in Brennkammern für fossile Brennstoffe weitgehend verwendet, um Sauerstoff und Brennstoffe zu messen (gewerbliche Lieferanten sind unter anderem Rosemount Analytical, Ametek Thermox und Yokogawa).

   Diese Sensoren werden üblicherweise verwendet, indem Vergleichsluft zu einer oder zwei Elektroden geleitet wird. In den meisten Fällen sind die bestehenden Sensoren extraktiv und aufwendig zu warten.

[0023] Ein Verfahren zum Messen von Rauchgasbrennstoffen (in erster Linie CO) unter Verwendung von Festkörperelektrolyten basiert auf der Verwendung eines schwankenden Signals in einer potentiometrischen In-Situ-Festkörperelektrolytzelle, die direkt im Hochtemperaturrauchgasstrom angeordnet ist, wie in US-Patentschrift Nummer 6 277 268 (Khesin et al.) mit dem Titel "System And Method For Monitoring Gaseous Combustibles In Fossil Combustors" (hierin im Folgenden bezeichnet als  ¾268-Patent) beschrieben. Diese Sensoren sind relativ einfach aufgebaut und stellen ein unmittelbares Ergebnis bereit.

   Ein Beispiel eines bestehenden Sensors, der hergestellt und am Markt angeboten wird, ist der MK-CO-Sensor hergestellt von der Firma General Electric Reuter-Stokes in Twinsburg, Ohio.

[0024] Das  ¾268-Patent offenbart unter anderem eine Vorrichtung zum Überwachen von Änderungen der Konzentration von Gasmolekülen zumindest einer ersten Art in einer Umgebung. Die Vorrichtung umfasst eine Materialmasse sowie eine erste und eine zweite Elektrode. Die Materialmasse ist durchlässig für Ionen, die gebildet werden, wenn Gasmoleküle der ersten Art ionisiert werden.

   Die erste und die zweite Elektrode sind so auf der Materialmasse angeordnet, dass Gasmoleküle der ersten Art an der ersten Elektrode ionisiert werden, um Ionen zu bilden, die durch die Materialmasse von der ersten zur zweiten Elektrode strömen und an der zweiten Elektrode rekombiniert werden, um Gasmoleküle der ersten Art zu bilden, wodurch ein Signal zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird, wenn eine Konzentration der Gasmoleküle der ersten Art an der ersten Elektrode anders ist, als eine Konzentration der Gasmoleküle der ersten Art an der zweiten Elektrode.

   Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode sind in Verbindung für strömungsfähige Medien mit der Umgebung.

[0025] Genauer gesagt offenbart das  ¾268-Patent ein System zur Überwachung von Änderungen der Sauerstoffkonzentration in einer Umgebung, wobei das System zumindest einen Nernst'schen Gassensor umfasst. Der Sensor umfasst eine Masse aus Festkörperelektrolytmaterial sowie eine erste und eine zweite Elektrode. Die erste und die zweite Elektrode sind jeweils so auf der Masse aus Festkörperelektrolytmaterial angeordnet, dass sie ein Signal zwischen sich erzeugen, das einen Unterschied zwischen einer Sauerstoffkonzentration an der ersten Elektrode und einer Sauerstoffkonzentration an der zweiten Elektrode anzeigt. Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode steht in Verbindung für strömungsfähige Medien mit der Umgebung.

   Der Nernst'sche Gassensor kann jedoch verwendet werden, um die Konzentration einer beliebigen Anzahl von Gasen zu überwachen. Die im Sensor enthaltene Materialmasse ist durchlässig für Ionen, die gebildet werden, wenn Gasmoleküle einer ersten Art ionisiert werden. Als Reaktion auf Änderungen der Konzentration der Gasmoleküle der ersten Art in der Umgebung entsteht ein Signal zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Des Weiteren muss der Sensor keine Temperaturkontrollvorrichtung aufweisen.

[0026] Das  ¾268-Patent offenbart des Weiteren ein Verfahren zum Kalibrieren eines Gassensors, wobei das Verfahren das Zuführen eines ersten Gases, das ein erstes Profil aufweist, und eines zweiten Gases, das ein zweites Profil, das sich vom ersten Profil unterscheidet, aufweist, zum Gassensor in einer vorbestimmten Abfolge umfasst.

   Der Gassensor oder ein damit zusammenhängender Signalanalysator wird auf Basis eines Ausgangssignals des Gassensors eingestellt, um den Gassensor zu kalibrieren. Eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines Gassensors umfasst ein Schaltsystem und einen Sequenzer. Das Schaltsystem steht in Verbindung für strömungsfähige Medien mit einem ersten Tank, der ein erstes vorbestimmtes Gasprofil aufweist, sowie einem zweiten Tank, der ein zweites vorbestimmtes Gasprofil aufweist. Der Sequenzer bewirkt, dass das Schaltsystem in einer vorbestimmten Abfolge Gas vom ersten beziehungsweise vom zweiten Tank zum Gassensor leitet.

[0027] Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Überwachen und Messen von Gasen, um den stabilen und wirksamen Betrieb eines Verbrennungssystems oder einer Verbrennungsvorrichtung (im Folgenden bezeichnet als "Verbrennungssystem") zu bieten.

   Das Verbrennungssystem wie es durch die Erfindung verkörpert ist, einschliesslich der Sensoren zum Überwachen und Messen von Gasen, ist hilfreich, um eine laufenden Überwachung von verschiedenen Verbrennungsvariablen sowie deren Verteilungsprofilen in verschiedenen Verbrennungszonen im Betrieb zu erzielen. Erreicht man eine Verbrennungssystemüberwachung, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, können einzelne Brenner als auch Nachbrennverbrennungskontrollen eingestellt werden, um verbesserte Verhältnisse zwischen den Brennstoff- und Luftströmen, eine verbesserte Verteilung einzelner Luftströme und Rückbrennstoffströme und eine Optimierung anderer Heizkesseleinstellungen zu erzielen.

   Diese Verbesserungen können entweder einzeln oder miteinander kombiniert funktionieren, um den Wirkungsgrad der Brennkammer zu erhöhen.

[0028] Die Verwendung von Sauerstoffsensoren in Verbrennungssystemen (vor Ort), um die Sauerstoffkonzentration zu überwachen, ist bekannt. Üblicherweise verwenden solche In-Situ-Sauerstoffsensoren ein Paar von porigen Metallelektroden (zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, Platin), die nebeneinander auf den gegenüberliegenden Seiten eines Festkörperelektrolytelements (zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, yttrium(Y2O3)-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (ZrO2) (YSZ)) angeordnet sind. Eine der Elektroden (eine "Vergleichselektrode") ist üblicherweise von einem Gas umgeben, das eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufweist, und die andere Elektrode (eine "Messelektrode") ist üblicherweise dem zu überwachenden Gas ausgesetzt.

   In diesen In-Situ-Sauerstoffsensoren wird das Festkörperelektrolytelement durchlässig für Sauerstoffionen, wenn es auf eine ausreichend hohe Temperatur (zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, mehr als ungefähr 600 deg. C) erhitzt wird.

[0029] Wenn in diesem In-Situ-Sauerstoffsensor die Konzentration von Sauerstoffmolekülen an einer Elektrode grösser ist als an der anderen Elektrode, wandern Sauerstoffionen von einer der Elektroden zur anderen Elektrode. Dadurch arbeiten die Oberflächen der Elektroden als katalytische Oberflächen, die es Sauerstoffmolekülen erlauben, sich in Sauerstoffionen umzuwandeln. Das Elektronenungleichgewicht, das sich durch diesen Strom von Sauerstoffionen und der Ionisierung/Entionisierung, die an den jeweiligen Elektroden stattfindet, ergibt, kann eine Spannung zwischen den Elektroden erzeugen.

   Die Spannung ist eine Funktion eines Verhältnisses der Partialdrücke von Sauerstoff an den beiden Elektroden sowie einer Temperatur des Festkörperelektrolytmaterials. Die zwischen den Elektroden erzeugte Spannung ist durch die so genannte Nernst'sche Gleichung wie folgt definiert:
E = (RT/4F) X Ln(P1/P2) + C
wobei:
E die Ausgabespannung ist;
T die absolute Temperatur des Sensors ist;
R die allgemeine Gaskonstante ist;
F die Faradaykonstante ist;
P1 der Partialdruck von Sauerstoff im Vergleichsgas ist;
P2 der Partialdruck von Sauerstoff im überwachten Gas ist;
C eine Konstante für jeden einzelnen Sensor ist; und
Ln(P1/P2) der natürliche Logarithmus des Verhältnisses P1/P2 ist.

[0030] Die Variablen der Nernst'schen Gleichung sind E, T, P1 und P2.

   Wird der Partialdruck von Sauerstoff im Vergleichsgas (P1) konstant gehalten, wird der Signalausgang E eines solchen In-Situ-Sauerstoffsensors nach dem Stand der Technik beeinflusst durch: (1) Änderungen des Partialdrucks von Sauerstoff im überwachten Gas P2, und (2) Änderungen der Temperatur T des Sensors. Durch Ausschalten der Auswirkung der Sensortemperatur T auf den Spannungswert E, reagiert die Spannungsausgabe E eines solchen Sensors einzig auf Änderungen des Werts P2. Dadurch kann die Spannung E als genauer Indikator der Sauerstoffkonzentration im gemessenen Gas verwendet werden (d.h. E = f (P2)).

   Die Auswirkung der Temperatur T eines Nernst'schen Gassensors auf den ausgegebenen Spannungswert E wird üblicherweise durch eine von zwei Methoden ausgeschaltet.

[0031] Gemäss einer Methode zur Verwendung eines bekannten In-Situ-Sauerstoffsensors ist eine Heizvorrichtung innerhalb des In-Situ-Sauerstoffsensors bereitgestellt, und die Heizvorrichtung kann gezielt aktiviert werden, um den Sensor auf einer konstanten Temperatur T zu halten. Gemäss einer anderen Methode zur Verwendung eines bekannten In-Situ-Sauerstoffsensors ist ein Thermoelement innerhalb des Sensors angeordnet, um die Sensortemperatur T zu messen, und die Spannung E wird abgestimmt, um Änderungen der Temperatur T auszugleichen.

   Wie in dieser Spezifikation verwendet, ist mit dem Begriff "Temperaturkontrollvorrichtung" jegliche Vorrichtung, Schaltung, Hardware, Software oder irgendeine Kombination davon gemeint, welche die Auswirkung der Temperatur T eines Nernst'schen Gassensors auf die von diesem ausgegebene Spannung E ausschalten kann, indem sie eine der beiden oben beschriebenen Methoden verwendet.

[0032] Wenn gasförmige Brennstoffe unter angemessenen Bedingungen in Kontakt mit der katalytischen Elektrode in Nernst'schen Gassensoren, die zumindest eine porige, katalytische Elektrode (zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, eine porige Platinelektrode), kommen, werden gasförmige Brennstoffe dazu gebracht, sich chemisch in einer verbrennungsähnlichen Reaktion mit Sauerstoff zu verbinden, um unbrennbare Nebenprodukte zu bilden.

   Zum Beispiel, jedoch in keiner Weise die Erfindung einschränkend, können sich zwei Kohlenmonoxidmoleküle (2CO) mit einem Sauerstoffmolekül (O2) verbinden, um zwei Kohlendioxidmoleküle (2CO2) zu bilden (2CO + O2 = 2CO2). Stattdessen können sich auch zwei Wasserstoffmoleküle (2H2) mit einem Sauerstoffmolekül (O2) verbinden, um zwei Wassermoleküle (2H2O) zu bilden (2H2 + O2 = 2H2O).

[0033] Wie in dieser Spezifikation verwendet, bezieht sich der Begriff "gasförmiger Brennstoff" auf jegliches gasförmige Molekül, das imstande ist, sich chemisch in einer verbrennungsähnlichen Reaktion mit Sauerstoff zu verbinden. Aufgrund von chemischen Reaktionen zwischen gasförmigen Brennstoffen und Sauerstoff an der katalytischen Elektrode bewirkt ein Anstieg der Konzentration an gasförmigen Brennstoffen einen zusätzlichen Verbrauch von Sauerstoffmolekülen in der Nähe der Elektrode.

   Dieser Vorgang vermindert die Sauerstoffkonzentration an der Elektrode und ändert dadurch die Spannungsausgabe des Sensors. Gleichermassen kann ein Rückgang der Konzentration an gasförmigen Brennstoffen in der Nähe der Elektrode bewirken, dass weniger Sauerstoffmoleküle in der Nähe der Elektrode verbraucht werden, wodurch sich die Sauerstoffkonzentration an der Elektrode erhöht und somit die Spannungsausgabe des Sensors entsprechend ändert.

[0034] Im Rauchgas in der Nachbrennzone (weiter unten beschrieben) eines Verbrennungssystem, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, ist Kohlenmonoxid (CO) üblicherweise der vorherrschende gasförmige Brennstoff. Kohlenmonoxid ist üblicherweise für ungefähr fünfundneunzig Prozent der gasförmigen Brennstoffe, die im Rauchgas vorhanden sind, verantwortlich.

   Daher kann ein Ausgabesignal eines Nernst'schen Gassensors, der das Rauchgas einer Brennkammer misst, als verlässlicher Indikator für die im Rauchgas vorhandene CO-Konzentration dienen.

[0035] Im Allgemeinen umfassen Signale von Nernst'schen Gassensoren zwei Komponenten: (1) die Intensität ("die Gleichstromkomponente"), und (2) die Schwankungsfrequenz ("die Wechselstromkomponente"). Gemäss der Nernst'schen Gleichung ist die Gleichstromkomponente eine Funktion verschiedener Parameter, darunter die Sensortemperatur und die Sauerstoffkonzentration im analysierten und im Vergleichsgas. Die Gleichstromkomponente ist die interessante Komponente in Verbrennungssystemen, die Sensoren zur Bestimmung von O2-Konzentrationen verwenden, gewesen.

   Eine schwankende Wechselstromkomponente wird üblicherweise aus dem Ausgabesignal eines Sauerstoffsensors herausgefiltert, da eine schwankende Wechselstromkomponente oftmals als Störung angesehen wird. Bei Nicht-In-Situ-Sensoren, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf, extraktive Anordnungen, bei denen das Sensorelement ausserhalb eines Nachbrennzonenbereichs angeordnet ist, und Proberauchgas abgesaugt und zum externen Sensor geleitet wird, ergeben sich üblicherweise Verzögerungen, und die Genauigkeit der schwankenden Wechselstromkomponente ist deutlich beeinträchtigt beziehungsweise tatsächlich verloren.

   Demgemäss ist die schwankende Wechselstromkomponente üblicherweise als wenig hilfreich bei solchen Systemen angesehen worden.

[0036] Ein Test von Heizkesseln, unterstützt durch theoretische Analyse, hat gezeigt, dass die schwankende Wechselstromkomponente eines In-Situ-Sauerstoffsensors als Indikator für den Verbrennungswirkungsgrad verwendet werden kann. Dieser Nachweis ist in mindestens zwei Artikeln erörtert worden: (1) Khesin, M. J., Johnson A. J., Combustion Control: New Environmental Dimension, American Power Conference, Chicago, 1993; und (2) Khesin, M. J., Ivantotov, A. A., Fluctuations of Flue Gas Oxygen as Indicator of Combustibles, Teploenergetika, 1978, 5, die hiermit beide durch Bezugnahme hierin eingeschlossen werden.

   Wie in diesen Artikeln erörtert, kann ein Ausgabesignal, das durch einen Festkörperelektrolyt-In-Situ-Sauerstoffsensor erzeugt wird, verwendet werden, um gasförmige Brennstoffe zu überwachen, indem die schwankende Wechselstromkomponente eines solchen Signals mit den gasförmigen Brennstoffen in Wechselbeziehung gebracht wird.

[0037] Das in diesen Entgegenhaltungen (1) und (2) beschriebene Nernst'sche Phänomen kann in praktischer und hilfreicher Weise in Überwachungsverfahren und -systemen für Gase in einem Verbrennungssystem, das die Sensoren, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind, umfasst, angewandt werden.

[0038] Um das Nernst'sche Phänomen in Verbrennungsüberwachungssystemen, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind, zu verwenden, wird der Sensor hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt, wobei hohe Betriebstemperaturen bedeuten,

   dass Temperaturen von mehr als ungefähr 500-800 deg. C realisiert werden müssen. Um des Weiteren einen Sensor, der das Nernst'sche Phänomen benützt, in Verbrennungsüberwachungssystemen, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind, zu verwenden, sollten der Sensor und das Verbrennungsüberwachungssystem imstande sein, sich an die allmähliche Verringerung der katalytischen Kapazität einer Sensorelektrode anzupassen und diese sowie die sich daraus ergebende Unbeständigkeit der Ergebnisse und damit eine Unsicherheit der Signalverarbeitungsalgorithmen, die zur Erlangung solcher Ergebnisse verwendet werden, zu überwinden.

[0039] Die vorliegende Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten,

   indem sie einen verbesserten anpassungsfähigeren Sensor bereitstellt.

[0040] In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere Festkörperelektrolytgassensoren im Rauchgasstrom in der Nachbrennzone einer Brennkammer angeordnet, um Schwankungen der Sauerstoffkonzentration des Rauchgases zu messen. Die durch die Sensoren gemessenen Schwankungen können verwendet werden, um Werte zu berechnen, die den Echtzeitkonzentrationen von gasförmigen Brennstoffen entsprechen.

[0041] Ohne dass dies als Einschränkung auszulegen ist, kann jeder Sensor ein Feststoffelektrolytenelement (z.B. YSZ) und mindestens zwei vorzugsweise porige Metallelektroden (z.B. Platin), die damit in Verbindung stehen, umfassen.

   Gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung steht zumindest eine der Elektroden in Verbindung für strömungsfähige Medien mit einem Rauchgas, um im Rauchgas enthaltene Gemenggasmoleküle zu überwachen. Zumindest eine andere Elektrode ist isoliert, um nicht in direktem Kontakt für strömungsfähige Medien mit dem Rauchgas zu stehen, und kann mit einem Vergleichsgas versorgt werden. Das zu überwachende Gas kann zum Beispiel Sauerstoff (O2), CO, NOX oder ein anderes brennbares Gas sein. Beispielsweise wird die vom Rauchgas isolierte Elektrode mit einem Vergleichsgas, z.B. Luft, versorgt, und die andere Elektrode steht in Verbindung mit dem Rauchgas. Beide sind in einem System zur Überwachung der Konzentration von Sauerstoff oder zur Bestimmung der Konzentration irgendeines anderen Gases basierend auf der Sauerstoffkonzentration verbunden.

   Auf diese Weise ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Sauerstoffkonzentration an der Rauchgaselektrode vom ersten Wert auf den zweiten Wert ändert, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Rauchgas von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ändert, anders als die Geschwindigkeit, mit der sich die Sauerstoffkonzentration an der isolierten Elektrode, sofern sie sich überhaupt ändert, vom ersten Wert auf den zweiten Wert ändert.

   Mit anderen Worten, jede der Elektroden kann so eingerichtet und angeordnet sein, dass eine Zeitkonstante mit ihr verbunden ist, die bestimmt, wie schnell der Sauerstoffkonzentrationswert an der Elektrode auf einen neuen Sauerstoffkonzentrationswert in der Rauchgasumgebung beziehungsweise der isolierten Umgebung steigt oder sinkt.

[0042] Jede beliebige Anzahl verschiedener Beziehungen, die eine Zeitkonstante umfassen, kann zwischen der Sauerstoffkonzentration an jeder der Elektroden und der Sauerstoffkonzentration in den jeweiligen Umgebungen bestehen, und die Beziehung ist auf keine bestimmte Art von Beziehung beschränkt.

   Ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration an einer Elektrode und der Sauerstoffkonzentration in der betreffenden Umgebung ist eine Exponentialbeziehung unter Einschliessung einer Zeitkonstante Tc, wie folgt:
CE = Cc + delta CC * (1-e<-t/Tc>),
wobei:
CE die Sauerstoffkonzentration an der Vergleichselektrode ist,
Cc die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung ist,
delta CC die Änderung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung ist,
e das Exponentialoperationszeichen ist,
t die Zeit, die vergangen ist, seit sich die Änderung der Sauerstoffkonzentration ereignet hat, ist, und
Tc eine für die Elektrode spezifische Zeitkonstante ist.

[0043] Die Elektroden stehen in unterschiedlichen "Graden" in Verbindung für strömungsfähige Medien mit deren jeweiliger Umgebung, wenn die Zeitkonstanten Tc der beiden Elektroden unterschiedlich sind.

   Die Elektroden können auf verschiedenste Arten eingerichtet und/oder angeordnet sein, so dass sich ihre Zeitkonstanten Tc voneinander unterscheiden, und die Erfindung ist nicht beschränkt auf eine bestimmte Methode zur Erreichung dieser Situation. In verschiedenen veranschaulichenden Ausführungsformen kann dieses Ziel zum Beispiel einfach erreicht sein, indem Elektroden verwendet sind, die sich hinsichtlich Konstruktion, Material und/oder Eigenschaften voneinander unterscheiden.

   Zum Beispiel können die Elektroden unterschiedliche Geometrien aufweisen, können mit Materialien beschichtet sein, die unterschiedliche Porigkeit aufweisen, können mit verschiedenen Materialien beschichtet sein und/oder können mit unterschiedlichen Mengen eines Materials, zum Beispiel einem porigen Hochtemperaturepoxid, beschichtet sein.

[0044] Sind die Elektroden so eingerichtet und angeordnet, dass sie unterschiedliche Zeitkonstanten aufweisen, stellt ein gemessenes Potential zwischen den Elektroden in erster Linie die schwankende Wechselstromkomponente der Sauerstoffkonzentration im gemessenen Gas dar, anstatt sowohl die Wechselstrom- als auch die Gleichstromkomponente oder in erster Linie die Gleichstromkomponente darzustellen, wie es bei den oben beschriebenen Sensoren nach dem Stand der Technik der Fall war, bei denen ein Sensorenpaar von einem Gas umgeben war,

   das eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration aufwies. Was einen geeigneten Unterschied zwischen den Zeitkonstanten der Elektroden darstellt, kann von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich sein, und dieser ist nicht auf irgendeinen bestimmten Unterschied zwischen den Zeitkonstanten beschränkt.

   In verschiedenen Ausführungsformen können sich die Zeitkonstanten der Elektroden durch einen Wert zwischen einigen (z.B. zwei) Millisekunden und mehreren (z.B. zehn) Minuten voneinander unterscheiden.

[0045] Man sollte verstehen, dass der hierin beschriebene Sensor nicht auf Anwendungen beschränkt ist, bei denen die Sauerstoffkonzentration gemessen wird, da dieser Sensor auch zum Messen der Konzentration zahlreicher anderer Arten von Gasen, zum Beispiel Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxid (NOX), etc., Anwendung finden kann.

[0046] Das Ausgabesignal eines In-Situ-Sauerstoffsensors wird in einen Signalanalysator, zum Beispiel einen programmierten Computer, eingegeben, wo es analysiert und verwendet wird, um einen oder mehrere Verbrennungsparameter zu erzeugen,

   die mit Verbrennungsbedingungen in Wechselbeziehung gebracht werden.

[0047] Auf eine Art werden die Sensorausgabesignale analysiert, um einen Ausgabebereich mit einer bestimmten Gaskonzentration in Wechselbeziehung zu bringen. Beispielsweise kann bei einer bestimmten Anwendung und einem bestimmten Brennstoff der NOx-Bereich, der von besonderem Interesse ist, zwischen 0 und 500 ppm (parts per million) an NOx liegen. Daraus kann eine Ansprechcharakteristik ermittelt werden, indem der Sensor bekannten Mengen von NOX ausgesetzt, und die gemessenen Ausgabespannungswerte (zum Beispiel in mVolt) mit der bekannten NOx-Konzentration aufgezeichnet werden.

   Ebenso kann der Sensor für einen Sauerstoffbereich von 0-10% bekannten Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt werden, und die daraus resultierende Spannungsansprechcharakteristik wird verwendet, indem die empfangenen Signale in der beabsichtigten Anwendung verarbeitet werden. Gleichermassen wird für einen CO-Bereich von 0-1000 ppm eine Spannungsansprechcharakteristik erstellt und zur Verarbeitung gemessener Konzentrationen in beabsichtigten Anwendungen verwendet.

   Obwohl sich vorzugsweise Sensoren, die nach einer gegebenen Konstruktion gebaut sind, im Wesentlichen gleich verhalten werden, können einige Einstellungen oder Verschiebungen vor Ort oder im Werk erforderlich sein, um einen bestimmten Sensor einzustellen oder ihn auf andere Weise in Übereinstimmung mit der Auslegungsansprechcharakteristik zu bringen.

[0048] Das Ausgabesignal kann im Frequenzbereich verarbeitet werden, indem ein Frequenzbereichamplitudenspektrum des Signals verwendet wird, um eine Extremalfunktion zu erzeugen, und ein oder mehrere Verbrennungsparameter werden auf Grundlage einer oder mehrerer der auf diese Weise erzeugten Eigenschaften der Extremalfunktion berechnet.

   Bei einer anderen Ausführungsform wird das Signal im Zeitbereich verarbeitet (wie unten beschrieben), indem eine oder mehrere Eigenschaften einer Zeitbereichsdarstellung des Signals während eines ausgewählten Zeitraums analysiert werden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Signal sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich verarbeitet, und die Ergebnisse der Berechnungen in jedem Bereich werden kombiniert, um einen oder mehrere Verbrennungsparameter zu ergeben. Die Konzentrationen der gasförmigen Brennstoffe können dann geschätzt werden, indem eine Kombination dieser berechneten Verbrennungsparameter gemeinsam mit einschränkenden Bedingungen, die zum Beispiel von der Temperatur, der Sauerstoffkonzentration und/oder der Brennstoffkonzentration in den geprüften Gasen abhängen können, verwendet wird.

   Diese einschränkenden Bedingungen können zum Beispiel aus der Gleichstromkomponente des Sensorsignals ermittelt werden. Man sollte verstehen, dass dieser Aspekt der Erfindung hinsichtlich neuartiger Verfahren zum Verarbeiten von Signalen von Sauerstoffsensoren im Frequenz- und/oder Zeitbereich, um Verbrennungsparameter zu erhalten, entweder mit den oben beschriebenen Sauerstoffsensoren nach dem Stand der Technik, die eine Elektrode mit einem Vergleichsgas umgeben, mit den oben beschriebenen Sauerstoffsensoren, in denen zumindest zwei Elektroden in Verbindung für strömungsfähige Medien mit einer gemeinsamen gasförmigen Umgebung stehen, oder mit jeglicher anderen Art von Sensor, der ein Signal erzeugt, das eine schwankende Wechselstromkomponente umfasst, die eine Konzentration eines Gases (zum Beispiel Sauerstoff) oder eines anderen strömungsfähigen Mediums darstellt,

   verwendet werden kann.

[0049] Wird ein einzelner Sensor verwendet, erzeugt dieser ein Signal, das die Konzentration gasförmiger Brennstoffe an genau dem Punkt, an dem das analysierte Gas in Kontakt mit dem Sensor kommt, angibt. Das Signal eines solchen einzelnen Sensors kann eine ausreichende Menge an Informationen bereitstellen, um die Optimierung eines kleinen Industriebrenners mit einer einzigen Brennkammer zu erlauben. Werden mehrere Sensoren in den Rauchgasstrom eines Brenners eingeführt (zum Beispiel über die gesamte Breite oder in mehreren Reihen, um ein Gitternetz zu formen), stellt die Ausgabe der Sensoren ein Verteilungsprofil der gasförmigen Brennstoffe innerhalb des Brenners dar. Ein solches Profil kann verwendet werden, um den Brenner auszugleichen und zu optimieren.

   Zum Beispiel können einzelne Brenner und/oder Nachbrennverbrennungssysteme eingestellt werden, um das erzeugte Profil zu verändern, bis es zeigt, dass optimale und ausgeglichene Verbrennungsbedingungen erzielt worden sind. Ein Verständnis davon, (1) wie das Profil aussehen sollte, wenn solche optimalen und ausgeglichenen Verbrennungsbedingungen erzielt worden sind, und (2) wie einzelne Brenner und/oder Nachbrennverbrennungssysteme die verschiedenen Aspekte des Profils beeinflussen, kann durch empirische Messungen erlangt werden, die entweder nach manueller Erfassung, oder durch automatische statistische Systeme, wie zum Beispiel neurale Netze analysiert werden.

   Dieser Heizkesselausgleich und diese Optimierung können besonders hilfreich für grössere, Multibrenner-Verbrennungssysteme sein.

[0050] Bezug nehmend auf Fig. 1 ist eine Querschnittsabbildung eines Brenners 100 und die übliche Anordnung mehrerer In-Situ-Sauerstoffsensoren 102, die über die Breite eines Nachbrennrauchgaskanals 104 des Brenners 100 angeordnet sind, um den Strom heisser Rauchgase, die durch diesen Kanal strömen, in einer Nachbrennzone zu überwachen. Die Sensoren 102 können zum Beispiel Festkörperelektrolytsensoren, welche die Konzentration von (und/oder Änderungen der Konzentration von) Sauerstoff in den Rauchgasen messen, oder irgendwelche anderen Sensoren, die imstande sind, ein Signal zu erzeugen, das die Konzentration von (und/oder Änderungen der Konzentration von) einer oder mehrerer Arten von Gasen, die in den Rauchgasen vorhanden sind, anzeigt, sein.

   In der Praxis kann jegliche Anzahl von Sensoren 102 (vorzugsweise in einer Reihe) über die Breite des Rauchgaskanals 104 angeordnet sein. Die Sensoren können auch in einer senkrecht ausgerichteten Reihe, oder in der Art eines Gitternetzes oder in einem anderen wirksamen Muster angeordnet sein, und können sich unterschiedlich tief in den Kanal erstrecken, um das Verteilungsprofil gasförmiger Brennstoffe zu überwachen.

[0051] Der Brenner 100 kann mehr als 30 (einhundert), 61 (zweihundert) oder sogar 91 Meter (dreihundert Fuss) hoch sein. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann der Brenner 100 eine Mehrzahl an Verbrennungsvorrichtungen (zum Beispiel Verbrennungsvorrichtungen 106) umfassen, die Brennstoff und Luft mischen, um Feuer in einer Flammenhülle 108 innerhalb des Brenners 100 zu erzeugen.

   Die Verbrennungsvorrichtungen können verschiedenste Arten von Flammen erzeugenden Vorrichtungen sein, und die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art von Verbrennungsvorrichtung beschränkt. Gemäss einer Ausführungsform können die Verbrennungsvorrichtungen zum Beispiel Brenner (zum Beispiel gasbetriebene Brenner, kohlegefeuerte Brenner, ölbetriebene Brenner etc.) umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform können die Brenner auf jede erdenkliche Weise angeordnet sein, und die Erfindung ist auf keine bestimmte Anordnung beschränkt. Zum Beispiel können die Brenner in einer wandgefeuerten, gegenüberliegend gefeuerten, tangential gefeuerten oder zyklongefeuerten Anordnung angeordnet sein, und können so angeordnet sein, dass sie eine Mehrzahl getrennter Flammen, einen gemeinsamen Feuerball oder eine Kombination davon erzeugen.

   Stattdessen kann auch eine Verbrennungsvorrichtung, die "Beschickungseinrichtung" genannt wird und einen Wanderrost oder Rüttelrost umfasst, verwendet werden, um Flammen innerhalb des Brenners 100 zu erzeugen.

[0052] In dieser Spezifikation und wie hierin beansprucht, bezieht sich "Flamme" auf "den sichtbaren oder anderen physischen Nachweis des chemischen Prozesses der raschen Umwandlung von Brennstoff und Luft in Verbrennungsprodukte" und eine "Flammenhülle" bezieht sich auf "die (nicht notwendigerweise sichtbaren) Grenzen eines unabhängigen Prozesses der Brennstoff und Luft in Verbrennungsprodukte umwandelt". Diese Bedeutung stimmt überein mit der Definition, die in einer Veröffentlichung der National Fire Protection Association (NFPA) in Quincy, Mass., mit dem Titel "NFPA 85C, an American National Standard", Seite 85C-11, 6.

   August 1991, dargelegt ist.

[0053] Wenn, unter Bezugnahme auf Fig. 1, die Verbrennungsvorrichtungen 106 im Brenner 100 aktiv Brennstoff verbrennen, kann man innerhalb des Brenners 100 zwei ausgeprägte Stellen unterscheiden: (1) eine Flammenhülle 108 und (2) eine so genannte "Nachbrenn-"Zone 109, welche die Zone, die sich in einem bestimmten Abstand in Richtung des Austritts 112 erstreckt, ausserhalb der Flammenhülle 108 ist. Ausserhalb der Flammenhülle 108 können heisse Verbrennungsgase und Verbrennungsprodukte wirbelnd herumtreiben. Diese heissen Verbrennungsgase und -produkte, gemeinsam als "Rauchgas" bezeichnet, bewegen sich fort von der Flammenhülle 108 in Richtung eines Austritts 112 des Brenners 100.

   Wasser oder ein anderes.strömungsfähiges Medium (nicht abgebildet) kann durch die Wände (zum Beispiel Wand 104) des Brenners 100 strömen, wo es erhitzt, in Dampf verwandelt und zum Erzeugen von Energie, zum Beispiel um eine Turbine anzutreiben, verwendet wird. In der abgebildeten Ausführungsform sind die Sensoren 102 in der Nachbrennzone 109 des Brenners 100 angeordnet.

   Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist, und dass die Sensoren 102 stattdessen auch in der Flammenhülle 108 angeordnet sein können, falls sie so gebaut sind, dass sie deren raue Hochtemperaturumgebung aushalten.

[0054] Wie oben erwähnt, weist in einer Ausführungsform der Erfindung ein Spannungsunterschied über jeden Sensor und seine Vergleichselektroden eine schwankende Komponente, die analysiert werden kann, um die Konzentrationen von gasförmigen Brennstoffen zu messen, auf. Man nimmt an, dass der Grund für diese Wechselbeziehung folgender ist. Einzelne Brennerflammen umfassen eine Vielzahl von Wirbeln verschiedener Grösse innerhalb und rund um die Flammenhülle 108.

   Diese Wirbel tragen dazu bei, das bekannte Flammenflackern mit verschiedenen Frequenzen als Ergebnis einer verwirbelten Mischung an den Rändern der Brennstoff- und Luftstrahlen zu erzeugen. Die Wirbel werden im Verbrennungsprozess umgewandelt und bewegen sich allgemein auf den Ofenraumaustritt 112 zu. Die Gesamtverbrennungsverwirbelung spiegelt den Prozess der Energieübertragung von grossen Wirbeln auf immer kleinere und kleinere Wirbel bis hinunter zum Molekülniveau wider. Die Geschwindigkeit des Mischvorgangs und die resultierende Intensität dieser Verwirbelungsaktivitäten bestimmen die Verbrennungsstabilität und hängen direkt mit den Vorgängen der Bildung und Zerstörung gasförmiger Brennstoffe zusammen.

   Die meisten dieser chaotischen, verwirbelten Aktivitäten beginnen und geschehen in der Flammenhülle 108.

[0055] Einige Verwirbelungsaktivitäten finden im Rauchgasstrom der Nachbrennzone 109 statt. Kleine Wirbel in Zusammenhang mit der Verbrennungskinetik (d.h. kleine, hochfrequente Verwirbelungen) neigen jedoch dazu, sich rasch zu verteilen und erreichen im Allgemeinen nicht die Nachbrennzone. Üblicherweise sind in der Nachbrennzone nur grosse Wirbel (d.h. grosse Verwirbelungen mit niedriger Frequenz) vorhanden. Diese Verwirbelungen mit niedriger Frequenz spiegeln Verbrennungsvariable (zum Beispiel eine Menge unverbrannten Kohlenstoffs und anderer Brennstoffe) wider, insbesondere diejenigen, die mit den Nachbrennvorgängen in Zusammenhang stehen, die durch Nachbrennverbrennungskontrollsysteme beeinflusst werden, wie Oberluft und Rückbrennung.

   Ein verwirbelter Strom heisser Rauchgase, der in den Rauchgaskanal 114 gelangt, bringt Produkte einer unvollständigen Verbrennung, einschliesslich gasförmiger Brennstoffe mit sich. Wie oben erwähnt, bewegen sich diese gasförmigen Brennstoffe im verwirbelten Rauchgasstrom als relativ grosse Wirbel. Und solche Wirbel, die gasförmige Brennstoffe enthalten, sollten eine sehr niedrige Sauerstoffkonzentration enthalten. Jedes Mal wenn die passenden Bedingungen in der Nähe eines Sensors 102 eintreten, wie bei Vorhandensein eines Katalysators und einer hohen Temperatur (zum Beispiel zwischen 482 und 816 deg. Celsius (900 und 1500 deg. Fahrenheit)), werden die gasförmigen Brennstoffe zum Brennen gebracht und die Sauerstoffkonzentration in der Nähe des Sensors verringert sich.

   Diese Schwankungen der Sauerstoffkonzentration in der Nähe der Sensorelektrode(n) bewirken die Erzeugung von Impulsen in der Signalausgabe des Sensors 102. Die Frequenz und die Amplitude dieser Impulse kennzeichnet die Konzentration gasförmiger Brennstoffe, die im analysierten Rauchgasstrom vorhanden sind.

[0056] Die Beziehung zwischen dem Sensorausgabesignal und den Konzentrationen gasförmiger Brennstoffe kann durch verschiedene Faktoren beeinträchtigt werden, dazu gehören Betriebsparameter der Verbrennung, physikalische Parameter und chemische Reaktionen.

   Um diesen mehrdimensionalen Vorgang genauer zu überwachen, werden gemäss einer Ausführungsform der Erfindung zwei oder mehr mathematisch unterschiedliche Signalverarbeitungsalgorithmen gleichzeitig verwendet, um die Signalausgabe des Sensors zu analysieren, und die Ergebnisse der verschiedenen Algorithmen werden kombiniert.

[0057] Beispiele von Verfahren und Algorithmen zur Verarbeitung von Informationen und Signalen, die man von Gassensoren der oben beschriebenen Art erhält, sind zum Beispiel in US-Patentschrift Nr. 6 277 268 beschrieben, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin eingeschlossen wird. Das  ¾268-Patent offenbart Signalverarbeitungssysteme und Berechnungen, wie zum Beispiel solche, die in den Zeit- und Frequenzbereichen durchgeführt werden, die zur Verwendung mit den Sensorausführungsformen, die hierin beschrieben sind, geeignet sind.

   Es versteht sich jedoch, dass der Gassensor der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung in den hierin oder im  ¾268-Patent beschriebenen Verarbeitungssysteme eingeschränkt ist, sondern in jeglichem System verwendet werden kann, das dafür geeignet ist, die aus der vorteilhaften Verwendung des erfundenen Gassensors erhältlichen Informationen zu verwerten und richtig zu beurteilen.

[0058] Fig. 2 zeigt das gesamte Sensorsystem. Jeder Sensor 102 ist nach einem Verbrennungsvorgang angeordnet, üblicherweise im Temperaturbereich zwischen 538 bis 816 deg. Celsius (1000 bis 1500 deg. Fahrenheit). Eine typische Installation würde ein grosses Gitternetz an Sensoren aufweisen, die zum Ausgleichen, Einstellen und Optimieren des Verbrennungsvorgangs über mehrere Brenner verwendet werden.

   Der Messkopf des Sensors ist üblicherweise zwischen ungefähr 1,2 Meter (4 Fuss) und mehr als 9,1 Meter (30 Fuss) in den Prozess hinein (d.h. in einem solchen Abstand von der Wand 130 des Heizkessels/der Brennkammer) angeordnet.

[0059] Ein Gehäuse 154 (Fig. 3) schützt die Sensorzelle vor den rauesten Aspekten der Prozessumgebung, während sie die Fähigkeit zum Kalibrieren schafft. Das Ende jedes Sensors 102, das die Zelle enthält, kann in bestimmten Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, vor Ort ausgetauscht werden, ohne Schweissnähte aufzuschneiden.

[0060] Eine Festkörperelektrolytzelle, die bei hoher Temperatur arbeitet (¯> 500 deg.

   C) erzeugt durch das Nernst'sche Prinzip eine Spannung basierend auf dem Sauerstoffgehalt:
 <EMI ID=2.0> 

[0061] In dieser Gleichung bezeichnet das Verhältnis den Partialdruck von Sauerstoff an den inneren (Vergleichs-) und äusseren (Mess-)Elektroden der Messzelle. Üblicherweise ist die innere oder Vergleichselektrode so eingerichtet, dass sie für einen konstanten Wert von "Vergleichsluft" (20,95% Sauerstoff) sorgt. Somit ist der Sensor 102 dafür geeignet, einen geringen Strom an Vergleichsluft zu schaffen, und eine angemessene Abdichtung zwischen der Innenseite und der Aussenseite des Sensors aufrechtzuerhalten, so dass die beiden Gasströme nicht miteinander in Verbindung kommen.

   Eine Abdichtung im Sensor hindert das Prozess- oder Rauchgas und das Vergleichsgas daran, sich zu vermischen - ein Strömen der Gase von einer Seite auf die andere hätte einen negativen Einfluss auf die Sensorleistung.

[0062] Der Spannungsunterschied wird zwischen der Messelektrode und der Vergleichselektrode gemessen. Die Messelektrode ist üblicherweise am Sensorgehäuse geerdet. Ein elektrischer Kontakt zur Vergleichselektrode wird hergestellt, und die Signalleitung wird aus dem Sensor hinausgeführt, ohne sich mit der Aussenseite des Sensors kurzzuschliessen.

   Eine Reihe von Verfahren, welche diesen Kontakt schaffen und das Signal leiten, sind in den verschiedenen Sensorausführungsformen, die hierin offenbart sind, offenbart.

[0063] Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 3 weist der Sensor 102 einen Sensorkörper 150 in Form eines länglichen, zylinderförmigen Rohres, das in einem Ansatz 152 mit Aussengewinde endet, auf, an dem eine Aussenhülle 154 durch ein Innengewinde an ihrem dem Gehäuse zugewendeten Ende festgeschraubt wird. Innerhalb des Rohrs 150 ist eine Metalltragekonstruktion 156 angeordnet, die eine Öffnung 158 in Axialrichtung umgibt. Ein Keramikblock 160, der vorzugsweise aus einem keramischen Tonerdematerial gebildet ist, ist in der Öffnung 158 angeordnet und weist einen Mittelkanal 162 auf.

   Die Tragekonstruktion 156 weist des Weiteren an ihrem entfernten Ende einen Mittelkanal 164 auf, der mit dem Kanal 162 in Verbindung steht. Ein ringförmiger Flansch 166 ist, zum Beispiel durch Schrauben 168, am Ende der Tragekonstruktion 156 befestigt. Vom Flansch 166 steht ein zylindrisches Rohr 170 ab, dessen entferntes Ende in einer Sensorzelle 172 endet. Die Zelle 172 ist aus Zirkoniumdioxid mit Platinelektroden an gegenüberliegenden Enden gebildet, und ist an das zylindrische Rohr 170 gelötet. Folglich bildet die Aussenfläche der Zirkoniumdioxidzelle 172 die Messelektrode 174, während die Innenfläche eine Vergleichselektrode 176 bildet.

[0064] Ein Vergleichsgaszuleitungsrohr 178 erstreckt sich mittig im Sensor 102 durch die Kanäle 162 und 164, um ein Vergleichsgas, zum Beispiel Luft, im Inneren des Rohrs 170 in Kontakt mit der Vergleichselektrode 176 zu bringen.

   Man wird verstehen, dass das Vergleichsgas im Allgemeinen entlang der Achse des Sensors hinein- und zwischen der Tragekonstruktion 156, der Keramikhülse 160 und um das Zuleitungsrohr 178 zurückströmt. Eine elektrische Leitung 180 ist an der Vergleichselektrode 176, zum Beispiel durch Löten, festgemacht, und durch den Mittelkanal zur Steuereinheit 182 (Fig. 2) zurückgeführt. Die Messelektrode 174 ist am Rohr 170 und dem Sensorkörper 150 geerdet.

   Der Sensorkörper ist an einem Flansch am Heizkessel geerdet, der wiederum elektrisch mit der Steuereinheit 182 verbunden ist, um den Stromkreis zu schliessen.

[0065] Das Sensorgehäuse 154 umfasst eine zylindrische Muffe, die diametral entgegengesetzte Öffnungen 190 an ihrem entfernten Ende oder ihrem Kopf (in Fig. 3 ist nur eine Öffnung abgebildet) aufweist, um das Rauch- oder Prozessgas, das durch den Sensor strömt, über die gegenüberliegenden Öffnungen 190 aufzunehmen. Ein Kalibrierrohr 192 erstreckt sich vom Kopf des Sensorgehäuses 154 zum nahe liegenden Ende des Sensors und endet kurz vor der Messelektrode 174.

   Das Rohr 192 steht in Verbindung mit dem Kalibriergas, das dem Kalibrierrohr 192 über einen länglichen Durchgang (zum Beispiel ein Rohr aus rostfreiem Stahl) 194 durch das Sensorgehäuse 150, eine Öffnung 196 im Flansch 166, eine Luftkammer 197 und einen Durchgang 198 entlang der Aussenhülle 154 in Verbindung mit und am entfernten Ende des Kalibrierrohrs 192 zugeführt wird. Folglich kann Kalibriergas durch den Sensor zur Messelektrode 174 geleitet werden, und zwar zu einem Rauminhalt 200 im Inneren des Sensorgehäuses zwischen den Rauchgasöffnungen 190 und der Messelektrode 174. Von Bedeutung ist, dass der Rauminhalt 200 in einem ausreichenden Abstand vom Prozessgasstrom durch die Öffnungen 190 angeordnet ist, so dass die Messelektrode das Kalibriergas statt des Prozessgases aufnimmt.

   Weist der Flansch 166 einen kleineren Durchmesser auf als abgebildet, kann die Öffnung 196 im Flansch weggelassen werden, und das Kalibriergas strömt direkt von 194 zur Luftkammer 197, indem es um die Aussenseite des verkleinerten Flansches strömt.

[0066] Das Sensorgehäuse 154 dient verschiedenen Zwecken. Das Gehäuse 154 schützt die Zelle 172 vor der Umgebung, unter anderem vor dem Strom von Russbläsern oder direkten Temperaturschwankungen, die möglicherweise die Keramikzelle 172 sprengen würden. Die äussere Sensorhülle 154 ermöglicht auch, dass eine rasche Veränderung der gasförmigen Bestandteile des Prozessgases die Sensorzelle durch den Rauminhalt 200 erreicht, um die Berechnung der Parameter der gasförmigen Brennstoffe (CO) zu ermöglichen.

   Des Weiteren ermöglicht das Gehäuse 154, dass eine ausreichende Menge, d.h. der Rauminhalt 200, des Kalibriergases zur Zelle geleitet wird, so dass der Bereich oder der Rauminhalt in der Nähe der Messelektrode der Zelle mit dem Kalibriergas geflutet werden kann. Schliesslich ermöglicht das Gehäuse 154 einen ausreichenden Strom von Prozessgas zu Messzwecken, während Asche und Russ zugleich davon abgehalten werden, sich an der Vorderfläche des Sensorelements abzusetzen. Wie unten erwähnt, ermöglicht das Gehäuse auch einen Spülfluss, um die Sensorvorderfläche im Zellbereich zu reinigen.

[0067] Bezug nehmend auf Fig. 4A-4D sind bestimmte Varianten des Sensors abgebildet. In Fig. 4A ist das Gehäuse 154 als gerades, zylindrisches Rohr ausgebildet, wobei das Prozessgas durch eine einzelne Öffnung 201 am Ende des Gehäuses im Rauminhalt 200 aufgenommen wird.

   Die Öffnung 201 ist senkrecht zur Richtung des Prozessgasstroms, der durch die Pfeile in Fig. 4A gekennzeichnet ist, angeordnet. In Fig. 4B ist der Durchfluss- oder Ofenrohraufbau, der zuvor in Fig. 3 beschrieben worden ist, abgebildet. Man beachte die Öffnungen 190, die an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses entsprechend der Strömungsrichtung des Prozessgases, die durch die Pfeile angezeigt ist, angeordnet sind. In Fig. 4C weist das Gehäuse 154 eine einzelne Öffnung 210 auf, die entlang eines Durchmessers des Gehäuses gegenüber der abwärts gerichteten Strömungsrichtung des Prozessgases angeordnet ist. Dadurch ist die Messelektrode 174 der Zelle 172 dem Prozessgas im Rauminhalt 200 über die Öffnung 210 nur an einem diametral stromabwärts angeordneten Punkt ausgesetzt. In Fig. 4D ist eine Durchflussstruktur geschaffen.

   In dieser Zeichnungsfigur ist die gegenüber der entgegenkommenden oder stromaufwärts ausgerichteten Strömungsrichtung des Prozessgases angeordnete Öffnung 212 an einer Axialseite der Sensorzelle 172 angeordnet. Die Austrittsöffnung 214 ist an der diametral entgegengesetzten Seite des Gehäuses 154 und an der axial gegenüberliegenden Seite der Sensorzelle 172 angeordnet. Man wird verstehen, dass bei diesen Gehäusekonstruktionsvarianten die Messzellenvorderfläche, d.h. die Messelektrode 174 teilweise für das Prozessgas offen liegt. Das heisst, die Zelle 172 ist nicht hinter irgendeiner dicken Trennwand, Sintermetall oder einer anderen Filtervorrichtung angeordnet. Im Gehäuse 154 können auch verschiedenste Löcher und Durchgänge gebildet sein, um zu ermöglichen, dass Asche und Russ aus dem Gehäuse herausfällt.

   Bei bestimmten Varianten könnte eine sehr dünne Trennwand oder ein Filter verwendet werden, der das dynamische Prozessgas nicht merklich hemmt, um das direkte Aufprallen von Asche auf die Sensorzelle 172 zu vermindern.

[0068] Bezug nehmend auf Fig. 3 und 5 ermöglicht der Kalibriergaskreislauf, der in den Kanälen 194, 196, 198 und dem Rohr 192 angeordnet ist, die Zuführung eines bekannten Kalibriergases zur Zelle 172. Das Kalibriergas muss auf eine Temperatur nahe der Prozessgastemperatur erhitzt werden. Ist der Sensor lang, könnte sich das Gas durch das Durchströmen durch das Rohr im Sensorkörper selbst ausreichend erhitzen.

   Für kürzere Sensoren könnte das Kalibrierzuleitungsrohr ausserhalb des Sensorkörpers angeordnet sein und Rohrschlangen aufweisen, die rund um den Sensorkörper gewickelt sind, um den gesamten Wärmeübertragungsbereich des Kalibrierrohres zu vergrössern. Das Kalibriergas wird, zum Beispiel vom Rohr 192 kommend, über die Vorderfläche des Sensors 172 geblasen, um sicherzustellen, dass das Prozessgas vom Sensor weggetrieben wird.

[0069] In Fig. 5 könnte der Kanal 198 vor der Zelle 172 in einzelnen Öffnungen oder in einem Ringspalt, wie unten beschrieben, enden. Der Kanal 198 kann mit einem Thermoelement 214 versehen sein, das in der Nähe des Endes von Kanal 198 oder ausserhalb des Sensorkörpers innerhalb der Zone, in der das Kalibriergas über die Sensorvorderfläche strömt, angeordnet sein.

   Dadurch ist sichergestellt, dass die Temperatur, die verwendet wird, um die Kalibrierkoeffizienten zu bestimmen (zum Beispiel in der Nernst'schen Gleichung) richtig ist. Der Grund dafür ist, dass das Kalibriergas eine andere Temperatur als das Prozessgas aufweisen könnte. Bei all diesen Anordnungen weist das Kalibriergas eine ausreichende Geschwindigkeit auf, um das Prozessgas aus dem Rauminhalt 200 zu drücken oder zu verdrängen.

[0070] Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist ein Sensor ähnlich dem Sensor, der in Fig. 3 abgebildet ist, abgebildet, wobei sich die Bezugsziffern auf dieselben Teile beziehen und um den Anhang "a" erweitert sind. In dieser Ausführungsform strömt das Kalibriergas, das durch die Kanäle 194a und 196a strömt, auch durch einen Durchgang 218, der in der Aussenhülle gebildet ist und an einem axialen Punkt neben der Messelektrode 174a der Zelle 172a endet.

   Mehrere Kanäle 218 sind in Abständen rund um den Umfang des Gehäuses 154a in Verbindung mit der Luftkammer 197a, der das Kalibriergas aus den Kanälen 194a und 196a zugeleitet wird, bereitgestellt. Radiale Öffnungen 222 sind bereitgestellt, um das Kalibriergas dem Rauminhalt 200a zwischen der Zelle 172a und der Prozessgasöffnung 190a zuzuführen. Somit leiten die einzelnen Radiallöcher 222 das Kalibriergas in den Rauminhalt 200a angrenzend an die Messelektrode 174a.

[0071] Eine ähnliche Anordnung ist beim Sensor, der in Fig. 7 abgebildet ist, offenbart, wobei dieselben Bezugsziffern dieselben Teile bezeichnen und um den Anhang "b" erweitert sind. Bei dieser Form des Sensors strömt das in der Luftkammer 197b aufgenommene Kalibriergas um die Aussenseite des Rohres 170b, um in einen Ringspalt 226 zu gelangen.

   Der Spalt 226 Leitet das Kalibriergas radial nach innen zu einem Punkt vor der Sensorzelle 172b im Rauminhalt 200b. Somit wird das Kalibriergas zum Rauminhalt 200b zwischen der Prozessgasöffnung 190b und der Messelektrode 174b geleitet.

[0072] In allen vorhergehenden Ausführungsformen des Sensors, die in Fig. 3, 6 und 7 abgebildet sind, umfasst die elektrische Leitung zum Sensor einen Draht, der zum Beispiel durch Löten mit der Vergleichselektrode 176 verbunden ist. Obwohl dies in Ordnung ist, ist es oftmals erforderlich, den Sensor im Laufe der Zeit auszutauschen, und es ist daher sinnvoll, Sensoren zu schaffen, die beim Austauschen der Sensorzelle kein Abklemmen der elektrischen Leitung und Wiederanschliessen der elektrischen Leitung, das zum Beispiel Löten erfordert, benötigen.

   Daher erstreckt sich unter Bezugnahme auf den Sensor in Fig. 8, in der dieselben Bezugsziffern dieselben Teile bezeichnen und um den Anhang "c" erweitert sind, eine ringförmige Hülse 230 durch den Keramikblock 160c und durch den Flansch 166c und endet vor dem Flansch 166c. Eine fingerhutförmige Keramiksensorzelle 172c umgibt den vorderen Endabschnitt des Rohrs 230 und endet an ihrem näher liegenden Ende in einem Flansch 232 und einem Kopf 234, an dem die Vergleichs- und die Prozessgaselektrode 176c beziehungsweise 174c befestigt sind. Das Rohr 230 leitet das Vergleichsgas in den fingerhutförmigen Sensor 172c, wobei die Rückströmung über den ringförmigen Raum zwischen dem Rohr 230 und dem Sensor 172c, und durch Block 160c erfolgt. Ein Haltering 238 ist am Rohr 230 gesichert und bildet einen Anschlag für ein Ende einer Schraubenfeder 240.

   Das andere Ende der Feder 240 liegt an einem Metallknopf oder -element 242 an, der/das axial innerhalb der Sensorzelle 172c beweglich ist. Die Feder 240 liegt am Element 242 an, um das Element in elektrischem Kontakt mit der Vergleichselektrode 176c zu halten. Die elektrische Leitung 180c ist an das Element 242 gekuppelt, um das Signal zurückzuleiten, wie zuvor angegeben. Folglich sind weder das Element 242 noch die elektrische Leitung 180c physikalisch an der Sensorzelle 172c befestigt. In Fig. 14 kann die elektrische Leitung (die üblicherweise aus Platin gefertigt ist, um Kontakt ohne Oxidation sicherzustellen) auch so gebaut sein, dass sie die Achse des Kontaktelements 242g und der Feder 240g direkt durchquert und in einer Drehung endet, um die Kontaktfläche zu vergrössern. Der Draht wird durch die Feder direkt gegen die Vergleichselektrode gedrückt.

   Diese Ausführungsform erlaubt einen einfacheren Bauteilaustausch, da der Draht gerade gebogen und die Feder und das Kontaktelement heruntergeschoben, und dann beim Austauschen der Sensorzelle selbst je nach Notwendigkeit ausgetauscht werden können.

[0073] In dieser Form ist der Flansch 166c nicht an der Tragekonstruktion 156c angeschraubt. Vielmehr weist die Aussenhülle 154c eine Schulter 247 auf, die an den Flansch 166c angrenzt. Somit hält das Aufschrauben des Gehäuses auf das Rohr 150c den Flansch 166c an der Tragekonstruktion 156c, ohne dass ein Anschrauben des Flanschs 166c an der Konstruktion 156c erforderlich ist. Des Weiteren sorgen die Kanäle 194c und 196c und ein Verbindungsdurchgang 209 dafür, dass das Kalibriergas auf die oben beschriebene Art und Weise in den Rauminhalt 200c strömt.

   Die Verwendung der Hauptkörpergewinde, um die Dichtungskraft bereitzustellen, kann bei allen Ausführungsformen dieses Sensors verwendet werden, wodurch keine kleineren Schrauben 168 nötig sind, um den Sensorflansch 166 am Sensorgehäuse 150 zu halten.

[0074] Um eine Dichtung zwischen dem Vergleichs- und dem Prozessgas innerhalb des Sensors zu wahren, ist ein Paar von ringförmigen Druckdichtungen 246 an gegenüberliegenden Seiten des Flanschs 232 angeordnet, welche die eine Seite der Sensorzelle 172c gegen die Tragekonstruktion 156c, und die andere Seite der Sensorzelle 172c gegen den Flansch 166c abdichten. Jede der Dichtungen 246 kann einen C-förmigen Querschnitt aufweisen, durch eine interne Feder gehalten, oder ein geschlossenes "O" gefüllt mit Druckgas sein.

   Die Dichtung kann aus einer Hightechlegierung, wie zum Beispiel Legierung x-750 oder einer richtigen Hastelloy-Legierung, gebildet sein. Es ist zu beachten, dass alle Ausführungsformen des Sensors zumindest eine Dichtung verwenden können, um den Flansch gegen das Gehäuse abzudichten. Bei dieser Ausführungsform ist die Lötung des Sensorelements 172 an seinen Halter durch einen zusätzlichen Dichtungsring ersetzt worden. Man wird verstehen, dass die Sensorzelle 172c leicht entfernt und dann ersetzt werden kann, ohne dass die elektrische Leitung 180c vom Sensor getrennt werden muss. Somit kann die Aussenhülle 154c vom Rohr 150c abgeschraubt werden, wodurch der Flansch 166c und der Sensor 172c freigegeben werden. Dann kann der Sensor 172c ausgetauscht werden, ohne die elektrische Leitung 180c abzuschneiden oder auf andere Weise abzuklemmen.

   Beim Einsetzen eines frischen Sensors 172c wird das Element 242 im Sensor aufgenommen und der Sensor zwischen die Flansche 166c und 247 geklemmt. Die Feder 240 hält das Element 242 in elektrischem Kontakt mit der Vergleichselektrode 176c. Man wird verstehen, dass anstelle der elektrischen Leitung 180c auch die Feder selbst das elektrische Signal vom Element 242 zurück zur Steuereinheit leiten kann. Das Element 242 und die Feder 240 können eine Platinbeplattung aufweisen, um besseren Kontakt und Oxidationsbeständigkeit zu schaffen. Die Hochtemperaturfedern können aus Legierung 188, Legierung 230, Nimonic 90, Rene 41 und anderen Hochtemperaturlegierungen gebildet sein. Die Federn müssen ununterbrochene und wechselnde hohe Temperaturen, d.h. 800 deg.

   C, aushalten, und sie müssen eine ausreichende Kraft bieten, um den elektrischen Kontakt mit dem Sensor zu wahren.

[0075] Unter nunmehriger Bezugnahme auf Fig. 9, in der dieselben Bezugsziffern dieselben Teile bezeichnen und um den Anhang "d" erweitert sind, kann der elektrische Kontakt zwischen der elektrischen Leitung 180d und der Sensorzelle 172d durch eine Schwerkraftkugel 300 geschaffen sein. Die Kugel 300 ist elektrisch über die elektrische Leitung 180d mit der Steuereinheit 182 (Fig. 2) gekoppelt. Die Kugel 300 wird durch einen Sitz 302, der am Ende eines Führungsrohrs 304, das dazu dient, das Vergleichsgas zuzuführen, einen Kanal für die elektrische Leitung 180d bereitzustellen und auch um die Schwerkraftkugel 300 an ihrem Platz zu halten, gebildet ist, an ihrem Platz und in elektrischem Kontakt mit der Vergleichselektrode 176d gehalten.

   Der Sitz 302 ist zum Beispiel als genuteter, kegelstumpfförmiger Abschnitt geformt, und die Kugel kann nicht aus der Position zwischen der Vergleichselektrode 176d und dem Sitz 302 entweichen. Folglich tendiert die Kugel 300 in allen anwendbaren Ausrichtungen des Sensors dazu, sich aufgrund ihres Kontakts mit dem kegelstumpfförmigen Sitz 302 durch die Schwerkraft nach vorne und in elektrischen Kontakt mit der Vergleichselektrode 176d zu bewegen. Wie bei der vorherigen Ausführungsform kann das Sensorgehäuse 154d vom Rohr 150d abgeschraubt werden, und das Rohr 170d, an dem der Sensor und der Flansch 166d befestigt sind, kann abgenommen werden, wodurch ein Austausch des Sensors möglich ist, ohne die elektrische Leitung abzuklemmen.

[0076] Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Ausführungsform in Fig. 10 kann der elektrische Kontakt durch Druckluft gewahrt werden.

   Folglich trägt bei dieser Ausführungsform, bei der dieselben Bezugsziffern dieselben Teile bezeichnen und um den Anhang "e" erweitert sind, das Rohr 304e ein verschiebbares Element 340, das unter dem Druck des Vergleichsgases, das durch den Kanal 178e in das Rohr 304e strömt, als Kolben arbeitet. Somit drängt das Vergleichsgas das Element oder den Kolben 340 axial gegen die Vergleichselektrode 176e, um den elektrischen Kontakt zwischen Element 340 und Elektrode 176e zu wahren. Das elektrische Signal kann daher je nach Wunsch über die elektrische Leitung 180e oder über das Rohr 304e vom Sensor abgeleitet werden.

[0077] Unter Bezugnahme auf die Ausführungsform, die in Fig. 11 abgebildet ist, bei der dieselben Bezugsziffern dieselben Teile bezeichnen und um den Anhang "f" erweitert sind, ist ein Sensor abgebildet, der ähnlich dem Sensor in Fig. 3 ist.

   In dieser Form ist der elektrische Kontakt zwischen der Vergleichselektrode 176f und der elektrischen Leitung 180f, die das Signal zur Steuereinheit 182 leitet, jedoch durch einen federbelasteten Pfropfen 350 gewahrt. Die Feder 352 wirkt zwischen einer Schulter an einem Rohr 230f und einem Flansch am Fuss des Pfropfens 350. Das Rohr 230f verhindert, dass die Feder ausknickt, und hält den Draht 180f davon ab, sich mit den Seiten kurzzuschliessen oder in die Spiralen der Feder einzugreifen. Dieses Rohr steht unter Strom und muss daher durch ein Keramikstück, wie zum Beispiel den Block 160, an seinem Platz gehalten werden.

   Folglich hält die Feder 352 den Pfropfen 350 auf eine Weise in elektrischem Kontakt mit der Vergleichselektrode, die ein Abnehmen des Sensors und seinen Austausch ohne Abklemmen der Elektrode ermöglicht.

[0078] In der Folge wird Bezug genommen auf Fig. 12, in der ein Abschnitt eines Sensors ähnlich den vorherigen Ausführungsformen abgebildet ist, bei dem dieselben Bezugsziffern dieselben Teile bezeichnen und um den Anhang "g" erweitert sind. Hier weist das Vergleichsgasrohr 370 Öffnungen 372 zum Zuleiten von Vergleichsgas in den Bereich 374 hinter dem Sensor 172g und der Vergleichselektrode 176g auf. Elektrischer Kontakt mit der Vergleichselektrode 176g ist durch einen daran festgemachten Draht 376 hergestellt. Das entgegengesetzte Ende des Drahts 376 wird durch Quetschen oder Crimpen am Vergleichsluftrohr 370 an seinem Platz gehalten.

   Um die Sensorzelle auszutauschen, wird das Ende des Vergleichsluftrohrs 370 abgeschnitten und ein neuer Sensor am Ende angebracht. Der Draht 376 wird innerhalb des Luftrohrs angeordnet und an seinen Platz gecrimpt. Da sich der Draht ausserhalb des Rohrs 370 zusammenfalten würde, wenn das Ende in eine Verschraubungsposition gebracht und endgültig festgemacht wird, umgibt eine Keramikhülse 378 das Rohr 370, um den Draht vor dem Kurzschliessen zu bewahren.

[0079] Der Wert des Überwachens der Konzentration von brennbaren Gasen ist auch ein Mass für die Verbrennungsinstabilität.

   Die Methodik zum Berechnen von CO (oder brennbaren Gasen) ist auf folgende Weise gegeben.

[0080] Die Messung brennbarer Gase ist eine Funktion der Wechselspannung der Zelle:
CO = f(Wechselspannung der Zelle)
wobei CO für die Messung von brennbaren Gasen steht.

[0081] In dieser Erweiterung kann der Algorithmus durch die folgende allgemeinere Funktion ausgedrückt werden
CO = f (O2-Änderung, TZelle, R, O2, FM, Gehäuse)
wobei:

  
O2-Änderung = ein Mass der zeitabhängigen (eher Wechselstrom als Gleichstrom) Veränderlichkeit des Sauerstoffs (oder mV-Signals), das von der Zelle kommt.

[0082] Tzelle = die Temperatur der Zelle.

[0083] R = Empfindlichkeitsfaktor der Zelle, zum Beispiel ein T90-Wert, der im Labor gemessen worden ist.

[0084] FM = ein Faktor für die Ofenströmungsmechanik, vielleicht um die typische Wirbelgrösse, die den Sensor erreicht, widerzuspiegeln.

[0085] Gehäuse = ein Faktor für den Aufbau des Gehäuses, das die Messelektrode schützt.

   Zum Beispiel würde ein Gehäuse, das einen grösseren Abschnitt der Messzelle dem Prozessmedium aussetzt, ein höheres Niveau an O2-Änderungen empfangen als eines, das die Messzelle wirksamer schützt.

[0086] Die tatsächliche Funktionsbeziehungsrechnung von CO in dieser Beziehung kann durch eine Vielzahl von Verfahren beschrieben werden, die alle die Veränderlichkeit (das Wechselstromsignal) der Zellspannung (oder die O2-Veränderlichkeit) als Leiteingabe für die Berechnung verwenden.

[0087] Die Funktionsbeziehung des berechneten CO zu den Variablen kann explizit sein, wie zum Beispiel:

  
CO = f1(O2-Änderung) *f2 (Tzelle) *f3 (R) *f4(O2) *f5(FM) *f6 (Gehäuse)

[0088] Die Funktionsbeziehung kann auch implizit sein, wie zum Beispiel wenn sie unter Verwendung eines statistischen Ansatzes berechnet würde, zum Beispiel mit einem angepassten Neuralnetz.

CO-Kalibrierung und -Berechnung

[0089] Kalibrierverfahren 1 - Die erste Kalibrierung für CO für einen Vor-Ort-Sensor kann erfolgen, indem die erfassten Daten und wechselnde Modellparameter verglichen werden, so dass das berechnete CO dem erfassten CO-Wert entspricht. Spätere Änderungen der Kalibriereinstellungen können jedoch durch die Vor-Ort-Kalibrierung für O2 erfolgen.

   Das heisst, dass sich die Sensorbeziehung für T, FM und Gehäuse und O2-Änderung nicht verändert, während die Funktionen für R und O2 berechnet werden können, indem ein Kalibriergas verwendet wird, wie es bei der Kalibrierung für Sauerstoff der Fall ist.

[0090] Kalibrierverfahren 2 - In einem Labor wird der Sauerstoffgehalt regelmässig zwischen 2 Werten, zum Beispiel 3% und 0,5% mit Hintergrundinertgas (zum Beispiel N2), abgewechselt. Der Wert für CO (der unter Verwendung eines Standardalgorithmus berechnet wird) für diese Bedingungen wird mit einem Wert für CO, dessen Berechnung bei diesen Bedingungen zu erwarten ist, verglichen.

   Die Kalibrierkoeffizienten werden dann so verändert, dass die Berechnung den erwarteten Standardwerten entsprechen würde.

[0091] Kalibrierverfahren 3 - Die erste Kalibrierung für CO für einen Vor-Ort-Sensor kann erfolgen, indem die erfassten Daten und wechselnde Modellparameter verglichen werden, so dass das berechnete CO dem erfassten CO-Wert entspricht. Kurz nach dieser ersten Kalibrierung wird Kalibriergas in den Sensor geleitet, wobei der Sauerstoffgehalt zwischen 2 Werten, zum Beispiel 3% und 0,5% mit Hintergrundinertgas (zum Beispiel N2), abgewechselt wird. Der berechnete Wert aus dem Sensor für CO basierend auf dieser Veränderung wird festgehalten (als CO_A). Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der CO-Sensor neu kalibriert werden muss, wird das Kalibriergas in den Sensor geleitet, wobei der Sauerstoffgehalt wieder auf dieselbe Weise abgewechselt wird.

   Der berechnete Wert für CO basierend auf dieser Veränderung wird festgehalten (als CO_B). Das Verhältnis dieser beiden Werte (CO_A/CO_B) wird im CO-Berechnungsalgorithmus verwendet, um die Berechnungen nach oben (oder unten) abzuändern.

O2-Kalibrierung und Berechnung

[0092] Beim Verfahren zum Kalibrieren eines Sauerstoffsensors wird ein Kalibriergas mit "niedrigem" Sauerstoffgehalt (zum Beispiel 1% oder 3% Sauerstoff mit Hintergrundstickstoff) eingeleitet, die Spannung und die Temperatur gemessen, und dann ein Kalibriergas mit "hohem" Sauerstoffgehalt (zum Beispiel 8%, 10% oder Instrumentenluft -20,95%) eingeleitet und die Spannung und die Zelltemperatur gemessen. Diese beiden Werte werden verwendet, um die Konstanten der Nernst'schen Gleichung anzupassen.

   Das ist eine Möglichkeit für die Kalibrierung des Sensors.

[0093] Ein alternatives Verfahren ist es, Kalibriergas auf der Vergleichsgasseite anstatt auf der Prozessgasseite einzuleiten. Das Kalibriergas auf dieser Seite würde 1) Instrumentenluft, 2) Gas mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt nahe dem Prozesswert (¯5% Sauerstoff) und 3) Luft mit sehr hohem Sauerstoffgehalt (mehr als 20,95% und höchstwahrscheinlich ungefähr 60%) umfassen. Unter der Annahme, dass sich die Prozessgaskonzentration während dieser Zeit nicht dramatisch verändert, würden dann die beiden Konstanten der Nernst'schen Gleichung unter Verwendung der beim Durchleiten dieser drei unterschiedlichen Vergleichsgase gemessenen Spannungen angepasst.

   Bei Verwendung einiger Vereinfachungen kann es auch möglich sein, die Kalibrierkoeffizienten zu berechnen, indem man nur 2 der drei oben erwähnten Gase zuleitet.

[0094] Die Verwendung dieses Verfahrens würde die Notwendigkeit eines ausreichenden Rauminhaltes vor der Sensorvorderfläche (Messelektrode) innerhalb der Gehäusekonstruktion umgehen.

[0095] Ein anderes Alternativverfahren ist es, gegen extrahierte Sauerstoffsensormessungen zu kalibrieren.

   Das extrahierte Gas würde entweder durch das interne Kalibrierrohr, das normalerweise zum Zuführen von Kalibriergasen zum Sensorkopf verwendet wird, oder von einem zusätzlichen Rohr, das aussen oder innen am Sensorkörper angeordnet ist und in erster Linie zum Extrahieren des Stroms aus der Nähe des Sensorkopfes verwendet wird, zugeleitet.

[0096] Man wird verstehen, dass In-Situ-Sensoren wie die oben beschriebenen, die in rauen Umgebungen wie Heizkesseln verwendet werden, der Ablagerung von Asche und anderen chemischen Substanzen am Messelement, d.h. der Sensorzelle 172, ausgesetzt sind. Solche Ablagerungen isolieren das Messelement vom Prozessgas und verhindern so, dass der Sensor das Gas richtig misst.

   Bei den vorliegenden Sauerstoff-/Kohlenmonoxidanzeigesonden hängen die Berechnungen gasförmiger Brennstoffe vom Ablesen der raschen Schwankungen des Prozessgases durch einen Nernst'schen Keramikelektrodensensor ab. Diese Arten von Sensoren können keine dicken mechanischen Filter verwenden, um den Sensor zu schützen, da die Filter die Schwankung dämpfen.

   Daher bietet die vorliegende Erfindung ein automatisches Schaltsystem und einen Zuleitungsmechanismus, um Luft oder ein anderes Gas regelmässig zum und über das Messelement des Sensors zu leiten, um Ablagerungen von Asche oder anderen Restpartikeln oder chemische Anlagerungen zu entfernen, so dass der Sensor über lange Zeitspannen hinweg ordnungsgemäss funktionieren kann.

[0097] Im Folgenden wird Bezug genommen auf Fig. 13, die schematisch einen Luft-/Gaskreislauf abbildet, der einen Auslass, der direkt auf die Vorderfläche des Sensors, d.h. der Messelektrode 174, gerichtet ist, aufweist. Wie in Fig. 13 abgebildet, bezieht man eine Zuführung 380 von Druckgas von einer Quelle für Druckgas, bei einem Kraftwerk zum Beispiel "Hausluft".

   Die Luftzuführung strömt über einen Regler 382, wird durch Wasser- und Ölfilter 384 beziehungsweise 386 gefiltert, und strömt durch ein Magnetventil 388. Das Ventil 388 wird durch einen elektronischen Baustein gesteuert, der einen Teil der Steuereinheit 182 des Messsystems bildet. Der elektronische Baustein sendet ein Signal, um das Ventil regelmässig zu öffnen, wodurch dem Druckgas ermöglicht wird, die Sensorfläche zu reinigen.

[0098] Die Zuführungsleitung für das Druckgas durch den Sensor 102 kann durch die Kalibriergasleitungen bereitgestellt sein. Zum Beispiel könnte das Druckgas unter Bezugnahme auf Fig. 3 durch die bestehende Kalibrierleitung, welche die Kanäle 194, 196, die Luftkammer 197, den Kanal 198 und das Rohr 192 umfasst, strömen.

   Somit könnte der Magnetschalter regelmässig geöffnet werden, um das Gas zum Reinigen der Sensorfläche, d.h. der Messelektrode 174, von Asche und anderen unerwünschten Substanzen zuzuführen. In besonders rauen Umgebungen kann der elektronische Baustein einen dauernden Gasstrom zum Reinigen der Sensorfläche bereitstellen, und den Strom nur abstellen, wenn eine Ablesung gewünscht wird, was bedeutet, dass auf diese Weise das Gas fast durchgehend bereitgestellt wird, um das Messelement sauber zu halten.

   Man wird verstehen, dass das Reinigungsgas durch einzelne Radialkanäle (Fig. 6, 9 und 10) oder durch den ringförmigen Kanal (Fig. 7) über die Sensorfläche geleitet, oder im rechten Winkel auf die Sensoroberfläche (Fig. 3) gerichtet wird, oder einen Wirbel rund um die Sensorfläche bereitstellen soll, oder in beliebigen Kombinationen davon eingeleitet wird.

[0099] Man wird ebenfalls verstehen, dass das Druckgas in einer getrennten Leitung unabhängig von der Kalibriergasleitung zur Sensorfläche geleitet werden kann.

   Somit kann eine getrennte Strömungsleitung im Sensor geschaffen sein, die in einzelnen Radialöffnungen, der ringförmigen Öffnung oder einem einzelnen oder mehreren Axialöffnungen endet, um das Reinigungsgas über die Sensorfläche zu leiten.

[0100] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit der Ausführungsform, die derzeit als praktischste und bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, beschrieben worden ist, versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern dass ganz im Gegenteil beabsichtigt ist, dass sie verschiedenste Modifikationen und gleichwertige Anordnungen, die im Sinn und Umfang der angehängten Ansprüche enthalten sind, abdeckt.

Claims (10)

1. Sensor (102) zum Überwachen einer Konzentration gasförmiger Brennstoffe in einer Brennkammer, die Prozessgas an die Umgebung abgibt, der Sensor umfassend: einen Sensorkörper (150) der eine Aussenhülle (154), die eine Sensorzelle (172) umgibt, aufweist; wobei die Sensorzelle Vergleichs- und Prozessgaselektroden (176, 174) an gegenüberliegenden Seiten der Zelle zum Erzeugen eines elektrischen Signals zwischen den Elektroden, das einen Unterschied zwischen Sauerstoffkonzentrationen an der Vergleichs- beziehungsweise Prozessgaselektrode anzeigt, aufweist; wobei am Sensorkörper (150) elektrische Leitungen (170, 180) angeordnet sind, die mit der Vergleichs- und der Prozessgaselektrode gekoppelt sind, um das elektrische Signal zu einem Signalanalysator zu leiten;

wobei die Hülle eine Prozessgasöffnung (190) aufweist, um das Prozessgas aufzufangen, damit es in Kontakt mit der Prozessgaselektrode kommt; wobei die Prozessgaselektrode (174) in einem Abstand von der Prozessgasöffnung angeordnet ist, um einen Rauminhalt (200) innerhalb des Sensorkörpers ausserhalb der direkten Sichtlinie der Strömungsrichtung eines Rauchgases zu definieren; und einen Kalibriergaskanal (194, 196, 197, 198, 192) innerhalb des Sensorkörpers in Verbindung mit dem Rauminhalt zum Leiten von Kalibriergas zum Rauminhalt, so dass der Rauminhalt mit ausreichend Kalibriergas versorgbar ist, um eine Kalibrierung des Sensors zu ermöglichen.

2. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorkörper länglich um eine Achse und die Sensorzelle im Allgemeinen senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, wobei der Kalibriergaskanal einen Durchgang (192), der einen Auslass zum Lenken von Kalibriergas in einer Axialrichtung im Allgemeinen weg von einem entfernten Kopf des Sensors aufweist, aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 2, wobei sich der Durchgang (192) axial von einem Punkt neben dem entfernten Ende des Sensors quer über die Prozessgasöffnung (190) erstreckt, bis er im Rauminhalt endet.

4. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorkörper länglich um eine Achse und die Sensorzelle im Allgemeinen senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, wobei der Kalibriergaskanal zumindest einen Durchgang (222), der eine Auslassöffnung zum Lenken von Kalibriergas in einer im Allgemeinen radial nach innen verlaufenden Richtung auf einer Seite der Messelektrode, die dem Rauminhalt ausgesetzt ist, aufweist, aufweist.

5. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorkörper länglich um eine Achse und die Sensorzelle im Allgemeinen senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, wobei der Kalibriergaskanal einen Ringspalt (226) um die Sensorzellenöffnung radial nach innen zum Lenken von Kalibriergas in einer im Allgemeinen radial nach innen verlaufenden Richtung und auf einer Seite der Messelektrode, die dem Rauminhalt ausgesetzt ist, aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Kalibriergaskanal ein Thermoelement (214) angrenzend an den Rauminhalt aufweist.

7. Sensor nach Anspruch 1, wobei die elektrische Leitung, die mit der Vergleichselektrode gekoppelt ist, einen elektrischen Leitungsdraht (180), der an der Vergleichselektrode festgemacht ist, aufweist.

8. Sensor nach Anspruch 7, wobei der Sensorkörper länglich um eine Achse und die Sensorzelle im Allgemeinen senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, wobei der elektrische Leitungsdraht, der an der Vergleichselektrode festgemacht ist, ein elektrisch leitendes Element (242) und eine Feder (240), die vom Sensorkörper gestützt ist, aufweist, um das Element in einer Axialrichtung vorzuspannen und dadurch in elektrischen Kontakt mit der Vergleichselektrode zu bringen.

9. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorkörper länglich um eine Achse und die Sensorzelle im Allgemeinen senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, wobei der Sensorkörper einen Sitz (302), der eine Rotationsoberfläche aufweist, aufweist, wobei die elektrische Leitung (180d), die mit der Vergleichselektrode gekoppelt ist, eine Kugel (300), die einen elektrischen Kontakt aufweist und zwischen der Rotationsoberfläche und der Vergleichselektrode eingesetzt ist, aufweist, wodurch die Kugel den Kontakt der Kugel in elektrischem Kontakt mit der Vergleichselektrode zu halten imstande ist.

10. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensorkörper länglich um eine Achse und die Sensorzelle im Allgemeinen senkrecht zu dieser Achse angeordnet ist, wobei der Sensorkörper ein axial bewegliches Element (340), das einen Abschnitt der elektrischen Leitung, die an die Vergleichselektrode gekoppelt ist, bildet, aufweist, wobei der Sensorkörper einen Kanal zum Durchleiten eines Vergleichsgases in einer axialen Richtung gegen das axial bewegliche Element aufweist, um den elektrischen Kontakt zwischen der Vergleichselektrode und dem Element aufrechtzuhalten.