DD248881A1

DD248881A1 - HIGH-TEMPERATURE CONNECTION OF CERAMIC FIXED ELECTROLYTE SENSORS WITH A GAS-OPERATING CONNECTION TUBE SYSTEM

Info

Publication number: DD248881A1
Application number: DD28986286A
Authority: DD
Inventors: Frank Hegewald; Adolf Wirkner; Brigitte Krautz
Original assignee: Cottbus Energiekombinat
Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1987-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hochtemperaturbestaendige Verbindung von Festelektrolytsensoren aus extrem harter und hochsproeder Keramik mit einem gasfuehrenden vorzugsweise keramischen Anschlussrohrsystem, welche mit vertretbarem Aufwand realisierbar und weitestgehend dicht ist, deren Leckrate durch Alterung nicht zunimmt und die die Durchfuehrung eines elektrischen Leiters zulaesst. Hierzu wird ein allseitig von Keramik umschlossener Dichtungsraum durch eine Innenmantelflaeche und eine Aussenmantelflaeche von aeusseren und inneren Rohren und zwei, vorzugsweise gleichen Stirnschnittflaechen des Festelektrolytsensors sowie des Anschlussrohres gebildet, wobei dieser Raum von einem hochtemperaturbestaendigen Dichtungsmedium ausgefuellt wird. Die Korn- oder Teilchengroesse des Dichtungsmediums schliessen einen Durchtritt durch die verbleibenden Oeffnungen des Dichtungsraumes weitestgehend aus. Auf die Stirnflaeche des Sensoranschlussrohres wird ein mechanischer Federdruck ausgeuebt und somit der Kraftschluss an der Verbindungsstelle verstaerkt. Erfindungsgemaess kann ein elektrischer Leiter fuer den Aussenelektrodenanschluss durch die Verbindung hindurchgefuehrt werden.The invention relates to a high-temperature-resistant connection of solid electrolyte sensors made of extremely hard and highly ceramics with a gas-conducting preferably ceramic connection pipe system which is feasible with reasonable effort and largely dense, the leak rate does not increase by aging and allows the implementation of an electrical conductor. For this purpose, a seal chamber enclosed on all sides by ceramic is formed by an inner jacket surface and an outer jacket surface of outer and inner tubes and two, preferably identical Stirnschnittflaechen the solid electrolyte sensor and the connecting pipe, said space is filled by a high temperature resistant sealing medium. The grain or particle size of the sealing medium largely preclude passage through the remaining openings of the sealing space. On the front surface of the sensor connection pipe, a mechanical spring pressure is exercised and thus strengthens the adhesion at the connection point. According to the invention, an electrical conductor for the external electrode connection can be passed through the connection.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Verbindung von Festelektrolytsensoren aus extrem harter und hochspröder Keramik, die für Gas-, insbesondere Abgasanalysen an Industrieöfen, Kesseln u.dgl. Anwendung finden und dabei Hochtemperaturen von über 1000⁰C sowie aggressiven Einflüssen ausgesetzt sind, mit einem gasführenden vorzugsweise keramischem Anschlußrohrsystem.The invention relates to a combination of solid electrolyte sensors made of extremely hard and highly brittle ceramic, the like for gas, in particular exhaust gas analysis of industrial furnaces, boilers and the like. Find application and are exposed to high temperatures of about 1000 ⁰ C and aggressive influences, with a gas-conducting preferably ceramic connecting pipe system.

Characteristic of the known technical solutions

Es sind Hochtemperaturfestelektrolytrauchgassonden mit getrennten Räumen für Meß- und Vergleichsgas bekannt. Deren Herstellung erfordert insbesondere bei großen Baulängen der Festelektrolytrohre einen relativ hohen technischen Aufwand. Aus ihrem Einsatz resultiert eine Reihe anderweitiger Probleme, wodurch prinzipverletzende Kompromisse getroffen werden mußten. Aus diesem Grund wurden bereits Festelektrolytsonden vorgeschlagen, die aus einer Meßzelle und dem Sondenkörper bestehen, wobei die Meßzelle einen Festelektrolyteinsatzkörper aufweist oder aus einem kurzen Festelektrolytrohr besteht.There are known high temperature solid electrolyte fume gas sensors with separate spaces for measuring and reference gas. Their production requires a relatively high technical complexity, especially for large lengths of solid electrolyte tubes. Their use results in a number of other problems, which required compromises that violated principles. For this reason, solid electrolyte probes have already been proposed, which consist of a measuring cell and the probe body, wherein the measuring cell has a solid electrolyte insert body or consists of a short Festelektrolytrohr.

Diese Lösung ist der vorbeschriebenen prinzipiell überlegen. Sie ist jedoch mit den Problemen hochtemperaturbeständiger Keramikverbindungen behaftet, die zum kritischen Punkt derartiger Sonden werden.This solution is superior to the above-described principle. However, it is associated with the problems of high temperature resistant ceramic compounds, which become the critical point of such probes.

Zur Lösung dieser Verbindungsproblematik sind mehrere Vorschläge bekannt geworden. Dazu gehören in erster Linie das Glaslötverfahren, die Steilkegelschliffpressung, die Einsatzvermörtelung, die teilweise oder vollständige Versinterung, die Vermörtelung mit anschließender Vibrationsverdichtung und Teilversinterung.To solve this problem connection several proposals have become known. These include, first and foremost, the glass soldering process, the steep taper grinding, the application bonding, the partial or complete sintering, the grouting with subsequent vibration compaction and partial sintering.

Alle diese Verbindungen sind jedoch im Hochtemperatureinsatz sowie beim Transport der Geräte der Gefahr eines plötzlichen Verbindungsbruches oder spontan einsetzender rasch zunehmender Undichtheit ausgesetzt, so daß sie unzuverlässig sind.However, all of these compounds are exposed to the risk of sudden breakage or spontaneously occurring rapidly increasing leakage in the high temperature service and during transport of the devices, so that they are unreliable.

Verbindungen mit Steilkegelschliffpressung sind für die extrem harte und hochporöse Keramik besonders bruchgefährdet. Bei Verbindungen mit Vermörtelungen können die Leckraten infolge von Erschütterungen stark ansteigen.Connections with steep taper ground pressure are particularly susceptible to breakage for extremely hard and highly porous ceramics. For joints with mortars, the leakage rates due to shocks can increase sharply.

Darüber hinaus lassen diese bekannten Verbindungen die Durchführung eines elektrischen Leiters, die an sich für die Rauchgassondenkonstruktion und -standzeit von Vorteil ist, nicht oder nur mit einer starken Beeinträchtigung der Dichtwirkung zu. Bei Verbindungen mit einer Kegelschliffpressung im Hochtemperaturbereich wäre eine Leiterdurchführung außerdem mit einem verstärkten Materialeinsatz verbunden, was bezüglich des technischen Aufwandes und des realisierbaren Einsatzbereiches einen weiteren Nachteil darstellt.In addition, these known compounds do not allow the implementation of an electrical conductor, which is in itself for the flue gas probe design and service life of advantage, or only with a strong impairment of the sealing effect. For connections with a conical ground pressure in the high temperature range, a conductor bushing would also be associated with an increased use of material, which represents a further disadvantage in terms of technical complexity and the feasible application area.

Infolge der weiterhin ungelösten Aufgabe einer dichten Hochtemperaturverbindung extrem harter und hochspröder keramischer Rohre wurden zunehmend Forderungen nach Lösungswegen und -mitteln aus der Hochtechnologie erhoben.As a result of the continuing unsolved task of a dense high-temperature connection of extremely hard and highly brittle ceramic pipes, demands for solutions and means for high technology have increasingly been raised.

Derartige Lösungen liegen bisher jedoch weder vor, noch wären diese für normale Anwender realisierbar.However, such solutions are not available before, nor would they be feasible for normal users.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine hochtemperaturbeständige Verbindung von Festelektrolytsensoren aus extrem harter und hochspröder Keramik mit einem gasführenden₍vorzugsweise keramischen Anschlußrohrsys*tem, welche mit vertretbarem technischem Aufwand realisierbar und weitestgehend dicht ist, deren Leckrate durch Alterung nicht zunimmt und die die Durchführung eines metallischen Drahtes, einer Leiterfahne oder eines Leiterformstückes zuläßt.The aim of the invention is a high-temperature-resistant compound of solid electrolyte sensors made of extremely hard and highly brittle ceramic with a gas-conducting ₍ preferably ceramic Anschlußrohrsys ¬ system, which is feasible with reasonable technical effort and largely tight, the leakage rate does not increase by aging and the implementation of a metallic wire, a conductor lug or a conductor fitting allows.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochtemperaturbeständige Verbindung für keramische Festelektrolytsensoren mit einem gasführenden vorzugsweise keramischen Anschlußrohrsystem zu schaffen, mit der die Bruchgefährdung sowie Undichtheit sowie die Nichteignung für die Durchführung eines elektrischen Leiters bei den bisher bekannten Verbindungen überwunden und deren materiell-technischer Aufwand gesenkt werden.The invention has for its object to provide a high-temperature-resistant compound for ceramic solid electrolyte sensors with a gas-conducting preferably ceramic connection pipe system, overcome the risk of breakage and leaks and unsuitability for the implementation of an electrical conductor in the previously known compounds and lowered their material-technical effort become.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die vorzugsweise gleichgestaltigen Stirnschnittflächen des keramischen Festelektrolytsensors und des gasführenden keramischen Anschlußrohrsystems kraftschlüssig, vorzugsweise mittels Federdruck vom kalten Sondenende her, zusammengepreßt werden und um die so entstandene Verbindung ein allseitig weitgehend von Keramik umschlossener Dichtungsraum angeordnet wird. Dieser wird durch ein die Sensor-Anschlußrohr-Verbindung eng überfangendes Rohr sowie ein im Inneren derselben geführtes weiteres Rohr gebildet. Zwischen den zu verbindenden Schnittflächen sowie zwischen der Innenmantelfläche des äußeren und der Außenmantelfläche des inneren Rohres wird die Verbindung mit einem hochtemperaturbeständigen Dichtungsmedium, wozu Hochtemperaturmörtel, klassiertes hochtemperaturbeständiges Pulver oder Keramikfasermaterial Verwendung finden kann, ausgefüllt und abgedichtet. Oberhalb und unterhalb wurden somit vier separate Gasräume gebildet.According to the invention, the object is achieved in that the preferably gleichgestaltigen end-sectional surfaces of the ceramic solid electrolyte sensor and the gas-conducting ceramic connection pipe system are non-positively compressed, preferably by spring pressure from the cold probe end ago, and arranged around the resulting compound on all sides largely enclosed by ceramic sealing space. This is formed by a tube closely over the sensor connection pipe connection and a tube guided inside the same further. Between the cutting surfaces to be joined and between the inner circumferential surface of the outer and outer circumferential surface of the inner tube, the connection with a high temperature resistant sealing medium, including high temperature mortar, classified high temperature resistant powder or ceramic fiber material can be used, filled and sealed. Above and below four separate gas chambers were thus formed.

Die Dimensionierung von Außen- und Innenrohrabstand zu der Sensor-Anschlußrohr-Verbindung sowie der Schichtstärke des Dichtungsmediums hat dabei derart zu erfolgen, daß einerseits von den möglichen Gaswegen der Weg zwischen Vergleichsund Meßgas der längste ist, daß jedoch andererseits durch die ringspaltförmigen Öffnungen das Dichtungsmedium aufgrund seiner Korn- oder Teilchengröße und -struktur, auch unter mechanischem Druck befindlich, nicht oder nur vernachlässig bar geringfügig in die Ringspalte einzudringen vermag.The dimensioning of the outer and inner tube distance to the sensor connection pipe connection and the layer thickness of the sealing medium has to be such that on the one hand of the possible gas paths, the path between comparison and measuring gas is the longest, however, that on the other hand by the annular gap-shaped openings the sealing medium due its grain or particle size and structure, even under mechanical pressure, not or only negligibly bar is able to penetrate slightly into the annular gaps.

Durch die erfindungsgemäße Verbindung kann ein elektrischer Leiter als Draht, Formstück oder Fahne hindurchgeführt werden, indem dieser an die Anschlußrohrschnittfläche angelegt oder in das Dichtungsmedium eingebettet wird. Für bestimmte Anwendungsfälle können anstelle der die Verbindung umschließenden Rohre innen und/oder außen vorzugsweise keramische Rohrteilstücke angeordnet werden, wodurch die Anzahl der separaten Gasräume entsprechend reduziert wird.The inventive compound, an electrical conductor can be passed as a wire, fitting or flag by this is applied to the connecting pipe interface or embedded in the sealing medium. For certain applications, instead of the pipes enclosing the connection, preferably inside and / or outside ceramic pipe sections are arranged, whereby the number of separate gas spaces is reduced accordingly.

Erfindungsgemäß kann eine oder beide der zu verbindenden Rohrstirnflächen mit einem kegelförmigen Anschliff versehen werden, wodurch neben der primär axialen Stirnflächendichtwirkung zwischen Sensor- und Anschlußrohr eine radiale Dichtwirkung in einer Vorzugsrichtung erzielt wird. Dabei bewirkt ein konvexer Anschliff der Rohrschnittflächen eine verstärkte nach außen gerichtete Radialdichtwirkung und ein konkaver Anschliff eine verstärkte einwärts gerichtete Dichtwirkung.According to the invention, one or both of the pipe end surfaces to be joined can be provided with a conical grinding, whereby a radial sealing effect in a preferred direction is achieved in addition to the primary axial face sealing action between the sensor and connecting pipe. In this case, a convex bevel of the pipe intersections causes a reinforced outwardly directed Radialdichtwirkung and a concave bevel a reinforced inwardly directed sealing effect.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt inThe invention will be explained in more detail below with reference to two embodiments. The accompanying drawing shows in

Fig. 1: die erfindungsgemäße Verbindung mit vier Gasräumen und in Fig. 2: eine Verbindung mit zwei Gasräumen sowie Leiterdurchführung.Fig. 1: the compound of the invention with four gas chambers and in Fig. 2: a compound with two gas chambers and conductor feedthrough.

Im Beispiel 1 wird das Anschlußrohrsystem 1 kraftschlüssig an den zylindrischen keramischen Festelektrolytsensor 2 angedrückt, wobei der Kraftschluß mittels einer mechanischen Feder 3 sowie einem Widerlager 4 am Sensorkopf verstärkt wird.In Example 1, the connection pipe system 1 is pressed non-positively to the cylindrical ceramic solid electrolyte sensor 2, wherein the frictional connection is reinforced by means of a mechanical spring 3 and an abutment 4 on the sensor head.

Diese Verbindung wird von einem äußeren Rohr 5 eng überfangen, während innerhalb der Sensor-Anschlußrohr-Verbindung ein inneres Rohr 6 geführt wird.This connection is closely covered by an outer tube 5, while an inner tube 6 is guided within the sensor connection tube connection.

Die Verbindungsstelle¹ wird mittels hochtemperaturbeständigen Keramikfasern 7 ausgefüllt und abgedichtet. Oberhalb und unterhalb der Dichtung wurden somit vier Gasräume 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4 gebildet.The connection point ¹ is filled and sealed by means of high temperature resistant ceramic fibers 7. Above and below the gasket four gas chambers 8.1, 8.2, 8.3 and 8.4 were formed.

Durch eine erfindungsgemäße Dimensionierung von Außen- und Innenrohr wird gewährleistet, daß der Weg vom Meß- zum Vergleichsgas länger ist, als alle anderen Wege. Somit wird auch beim evtl. Auftreten einer Undichtheit ein Vermischen von Meß- und Vergleichsgas und eine Analysenverfälschung unterdrückt.By dimensioning the outer and inner tubes according to the invention, it is ensured that the path from the measuring gas to the reference gas is longer than all other paths. Thus, even in the event of a leak, mixing of measuring and reference gas and analysis falsification is suppressed.

Erfindungsgemäß ist die Stirnschnittfläche des einseitig geschlossenen Festelektrolytrohres kegelförmig angeschliffen, wodurch die radiale Dichtwirkung zwischen den Gasräumen 8.1 und 8.3 verstärkt wird.According to the invention, the end face of the closed solid electrolyte tube is tapered conical, whereby the radial sealing effect between the gas chambers 8.1 and 8.3 is reinforced.

Im Ausführungsbeispiel 2 sind bei gleicher kraftschlüssiger und mit hochtemperaturbeständigen Keramikfasern abgedichteten Verbindung von Sensor und Anschlußrohr wie im Beispiel 1 anstelle der inneren und äußeren Rohre5und6nuräußereund innere keramische Rohrteilstücke 9 und 10 angeordnet, wodurch sich die Gasräume 8.1 und 8.2 ergeben.In Embodiment 2, in the same frictional and sealed with high temperature resistant ceramic fibers connection of sensor and connecting pipe as in Example 1 instead of the inner and outer Rohre5und6nuräußere and inner ceramic pipe sections 9 and 10 are arranged, resulting in the gas chambers 8.1 and 8.2.

Diese reduzierte Anzahl der Gasräume gewährleistet für bestimmte Anwendungsfälle eine ausreichende Dichtheit der Verbindung.This reduced number of gas chambers ensures sufficient tightness of the connection for certain applications.

Im Beispiel wird der elektrische Leiter 11 für die Außenelektrode 12 korrosionsgeschützt im Anschlußrohrsystem 1 herangeführt und erst an der Verbindungsstelle eng an die Schnittfläche anliegend durch diese hindurch zur Sensoraußenfläche geführt.In the example, the electrical conductor 11 is brought corrosion protected in the connection pipe system 1 for the outer electrode 12 and only at the junction close to the cut surface fitting through this led to the sensor outer surface.

Claims

1. High-temperature-resistant compound ceramic solid electrolyte sensors with a gas-carrying connection pipe system, characterized in that the preferably gleichgestaltigen end cut surfaces of the gas-conducting ceramic connection pipe system (1) and the ceramic solid electrolyte sensor (2) non-positively, preferably by means of a spring (3) from the cold probe end, are pressed together, wherein in the compound, a high-temperature resistant sealing medium, such as high-temperature mortar, classified high-temperature resistant powder or ceramic fiber material is introduced and via the connection an outer tube (5) and within the sensor connection tube connection an inner tube (6) are arranged so that four gas spaces (8.1, 8.2,8.3, 8.4) are formed whose annular gap-shaped openings are dimensioned so that on the one hand of the possible gas paths, the path between the measured and Vergleichgsgas in the gas chambers (8.1 and 8.2) is the longest, d On the other hand, however, the size of the annular gap-shaped openings undershoots the grain or particle size of the sealing medium and largely precludes penetration of the sealing medium into the same even under mechanical pressure.

2. High-temperature resistant connection according to claim 1, characterized in that arranged around the sensor connection pipe connection an outer ceramic pipe section (9) and an inner ceramic pipe section (10) and thus two gas chambers (8.1 and 8.2) are formed.

3. High temperature resistant compound according to claim 1 and 2, characterized in that one or both of the pipe end faces to be joined are provided with a conical grinding.

4. High-temperature resistant connection according to claim 1 to 3, characterized in that an electrical conductor (11) as a wire, fitting or flag on the connection pipe interface surface fitting or embedded in the sealing medium is passed through the compound.