DE10049232A1

DE10049232A1 - Sonde zur Entnahme und Ermittlung von flüchtigen Bestandteilen aus Gasen oder Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10049232A1
Application number: DE2000149232
Authority: DE
Inventors: Peter Frey
Original assignee: Peter Frey
Current assignee: FREY GMBH, 78476 ALLENSBACH, DE
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-18

Abstract

Es wird eine Sonde (1) vorgeschlagen, die ein Innenrohr (2), ein Mittelrohr (3) und ein Außenrohr (4) umfasst, die sich von einem Befestigungsflansch (5) derart wegerstrecken, dass zumindest das Innenrohr (2) innerhalb des Mittelrohrs (3) endet, an dem dem Befestigungsflansch (5) gegenüberliegenden Ende des Mittelrohrs (3) ein Adapter (18) zur Aufnahme einer Messgasentnahme (20) angeordnet ist und sich so zwischen dem Ende des Innenrohrs (2) und dem Mittelrohr (3) sowie dem Adapter (18) ein Messraum (17) bildet, der Sensor (9) innerhalb des Messraums (17) angeordnet ist, und der Messraum (17) und ein Raum (12), der sich durch die Außenwandung (13) des Mittelrohrs (3) und die Innenwandung (14) des Außenrohrs bildet, fluidmäßig verbunden sind. DOLLAR A Die Sonde ist sehr kostengünstig herstellbar und kann auch korrosiven Materialien ausgesetzt werden. Es ist möglich, die Sonde ohne gesonderte Pumpe zu betreiben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde zur Entnahme und Ermittlung von flüchtigen Bestandteilen aus Gasen oder Flüssigkeiten, insbesondere wäh rend eines Warmbehandlungsprozesses, bestehend aus im wesentlichen mehre ren ineinander angeordneten, insbesondere rohrförmig ausgebildeten Ele menten zur Entnahme und Weiterleitung der Bestandteile an einen Sensor.

Stand der Technik

Sonden zur Messung von Mischgaskonzentrationen gehören bereits zum Stand der Technik. Insbesondere bei Warmbehandlungsverfahren, wie beispielswei se Randschichthärten, thermochemisches Oberflächenhärten (Einsatzhärten, Carbonitrieren, Nitrieren, Nitrocarbonitrieren) sowie vielfältige Glüh prozesse werden solche Sonden dafür eingesetzt, um die im Ofen während des Warmbehandlungsprozesses herrschende Zusammensetzung des Gases bzw. Gasgemischs zu kontrollieren und gegebenenfalls zu steuern.

Um insbesondere eine Messung in allen Bereichen des Ofens, auch im Heiss bereich, durchzuführen, sind bereits einige Verfahren als Stand der Tech nik bekannt. Diese Verfahren konzentrieren sich darauf, durch eine spezi elle Konstruktion der Gasentnahmearmatur eine schnelle Abkühlung des zu messenden Mischgases zu erreichen, um den Einsatz von beispielsweise Lambda-Sonden zu ermöglichen.

Aus der DE 196 42 146 A1 ist eine Messsonde zur Probenentnahme in gasför migen oder flüssigen Medien bekannt. Diese besteht aus einem Trägerrohr mit einem Messbereich, in dem ein oder mehrere Sensoren angeordnet sein können. Ferner ist ein Entnahmebereich vorgesehen, durch den das Medium aus dem Ofen in das Trägerrohr strömt.

Aus der DE 42 39 292 A1 ist eine Sauerstoff-Messsonde für den Einsatz bei normalen bis sehr hohen Temperaturen bekannt. Diese weisen ein Festelek trolytrohr auf und sind sehr kompakt aufgebaut und in der Regel mit meh reren Kanälen, Bohrungen und Ringspalten versehen.

Aus der DE 39 23 544 C1 ist eine Entnahmesonde für korrosive Proben, be stehend aus einem Innenrohr mit einem Flansch und einem Aussenrohr be kannt. Diese Rohre bestehen aus Kunststoff und zwischen Ihnen ist ein Metallrohr zur Stütze der Kunststoffrohre vorgesehen. Diese Ausführung ist speziell für einen niedrigen Temperaturanwendungsbereich und für eine Entnahme vorgesehen, die es erfordert, dass das eigentliche Entnahmerohr sehr lang ausgestaltet ist.

Es ist auch eine Zirkonoxidsonde zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks bekannt. Mit dieser Sonde ist es möglich, in Gasgemischen den Sauer stoffpartialdruck zu messen, so dass Rückschlüsse auf Eigenschaften des Gasgemisches möglich sind. Die Sonde selbst stellt ein galvanisches Ele ment dar. Sie besteht aus einem Festkörperelektrolyten (Zirkonoxid) als Sauerstoffionenleiter und zwei Platinelektroden, von denen die eine von Referenzgas und die andere von dem zu untersuchenden Messgas umgeben ist. Zudem ist ein Thermoelement eingebaut, das die Temperatur an der Messstelle erfasst. An den Elektroden kann eine EMK abgegriffen werden, welche der Sauerstoffpotentialdifferenz der Medien Referenzgas und Mess gas entspricht.

Ein Nachteil der hier beschriebenen Sonde besteht darin, dass diese zum einen sehr teuer ist und zum anderen nur sehr aufwendig repariert werden kann.

Aufgabe der Erfindung

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Sonde der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass diese sehr einfach und kosten günstig herstellbar ist.

Lösung der Aufgabe

Das Lösungsprinzip der Aufgabe besteht darin, mittels einer Hilfskon struktion das zu prüfende Medium an einen Messsensor heranzuführen, der in einem Messraum der Sonde angeordnet ist, ohne dass das Medium aufgrund des natürlichen Abkühlprozesses ausscheidet.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass mindestens zwei Elemente vor gesehen sind, die jeweils einem Innenrohr, einem Mittelrohr und einem Aussenrohr entsprechen, wobei sich zumindest das Innenrohr und das Mit telrohr von einem Befestigungsflansch derart wegerstrecken, dass zumin dest das Innenrohr innerhalb des Mittelrohrs endet, an dem dem Befesti gungsflansch gegenüberliegenden Ende des Mittelrohrs ein Adapter zur Aufnahme einer Messgasentnahme angeordnet ist und sich so zwischen dem Ende des Innenrohrs und dem Mittelrohr sowie dem Adapter ein Messraum bildet, der Sensor innerhalb des Messraums angeordnet ist, und der Mess raum und ein Raum, der sich durch die Aussenwandung des Mittelrohr und die Innenwandung des Aussenrohr bildet, fluidmässig verbunden sind. Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, dass drei Ele mente, nämlich das Innenrohr, das Mittelrohr und das Aussenrohr eine ge schlossene Baugruppe bilden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das Innenrohr und das Mittelrohr eine Baugruppe bilden und das Aussenrohr von dieser Bau gruppe beabstandet angeordnet und mit dieser fluidmässig verbunden ist.

Vorteile der Erfindung

Aufgrund des sehr einfachen Aufbaus, nämlich die Anordnung von mindestens zwei, vorzugsweise Rohren ineinander, die zusammen an einem Befestigungs flansch angeordnet sind, ist eine kostengünstige Vorrichtung geschaffen worden die es erlaubt, ohne einen Durchflussmengenmesser, ohne einen Fil ter und ohne Kondensatabscheider bei sehr heissen Temperaturen die Misch gaskonzentration kontinuierlich zu messen.

Durch den Aufbau ist es auch möglich, die der Korrosion ausgesetzte Teile der Sonde auf einfache Art und Weise auszutauschen. Gerade die Messgasentnahme lässt sich durch einfaches Herausdrehen aus dem an dem Mittel rohr angeordneten Adapter entfernen und ersetzen.

Die Strömung des zu messenden Mediums kann in zwei Varianten erfolgen:
Zum einen ist es möglich, dass das zu messende Medium durch die Mess gasentnahme in den Messraum und damit zu dem Sensor strömt und von dort in Richtung des Befestigungsflansches zu einer stirnseitigen Öffnung zwi schen dem Innenrohr und dem Mittelrohr, die mit einer weiteren Öffnung, ebenfalls stirnseitig und gebildet durch das Aussenrohr und das Mittel rohr korrespondiert, wieder zurück in den Ofeninnenraum geführt wird.

Eine Pumpe, die zwischen den beiden Öffnungen angeordnet ist, kann vorge sehen werden, um die notwendige Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen. Zum anderen kann vorgesehen sein, dass bereits unmittelbar in dem Messraum Öffnungen vorgesehen sind, die dann bewirken, dass das Medium von der Messgasentnahme über den Messraum in den Innenraum des Aussenrohrs und von hieraus wieder in den Innenraum des Ofens gelangt. Diese Variante kann dann bevorzugt werden, wenn bereits im Ofen eine Umwälzeinrichtung vorhanden ist, so dass zwischen dem freien Ende der Messgasentnahme und dem Austritt aus dem Innenraum des Aussenrohrs ein Differenzdruck ent steht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung zeigt sich darin, dass keine Abfacke lung und damit auch keine Abgasabführung notwendig ist, da durch die An ordnung des Fluidkreislaufs innerhalb der Sonde das zu messende Medium unmittelbar wieder zurück in den Innenraum des Ofens geführt wird.

Bei Medien, bei denen keine gesundheitlichen Risiken bestehen, ist es möglich, diese auch nach aussen abzuführen, so dass sich eine Rückführung in das Innere des Ofens erübrigt.

Innerhalb des Ofens herrscht in der Regel ein hoher Temperaturgradient. Um eine optimale Prozessüberwachung durchzuführen, ist es notwendig, dass die Messgasentnahme unmittelbar im heissen Bereich erfolgt. Der Sensor selbst ist jedoch in der Isolierung des Ofens angeordnet. Um nun zu ver meiden, dass durch die Abkühlung des Mediums von der Entnahmestelle bis zum Sensor Ausscheidungsprozesse ablaufen, die dann zu Verstopfungen und Verunreinigungen führen, verhindert die Ausgestaltung der Sonde derartige Prozesse.

Aufgrund der Anordnung des Sensors innerhalb der Sonde, ist die Sonde je nach Bedarf zu positionieren. Dies bedeutet, dass auch der Sensor selbst nicht zwingend innerhalb der Isolierung des Ofens angeordnet sein muss.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der nachste henden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen hervor.

Zeichnungen

Es zeigen:

Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Sonde;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Sonde.

Beschreibung

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Sonde 1 besteht aus einem Innenrohr 2, einem Mittelrohr 3 und einem Aussenrohr 4, wobei sich das Innenrohr 2, das Mittelrohr 3 und das Aussenrohr 4 von einem Befestigungsflansch 5 in unterschiedlichen Längen wegerstrecken. Der Befestigungsflansch 5 übernimmt die Funktion, das In nenrohr 2, das Mittelrohr 3 und das Aussenrohr 4 aufzunehmen und positi onsgerecht zu halten. Zudem dient der Befestigungsflansch 5 dazu, die Sonde 1 an einem Ofen 16 anzubringen.

Das Innenrohr 2 weist eine Mittelachse 2a, das Mittelrohr 3 eine Mittel achse 3a und das Aussenrohr 4 eine Mittelachse 4a auf. Die Mittelachsen 2a, 3a, 4a der einzelnen Rohre sind bei dem in Fig. 1 dargestellten Aus führungsbeispiel vorzugsweise versetzt zueinander angeordnet. Dies be wirkt, dass ein Raum 6, der durch die Aussenwandung 7 des Innenrohrs 2 und die Aussenwandung 8 des Mittelrohrs gebildet ist, grösser ist, um beispielsweise Verstopfungen zu vermeiden.

Der Raum 6 ist dafür vorgesehen, das Medium, das bereits einen an der dem Befestigungsflansch 5 gegenüberliegenden Seite am Innenrohr 2 angeordne ter Sensor 9 passiert hat, über eine fluidmässige Verbindung 10 entlang den in Fig. 1 dargestellten Pfeilen 11 zurückzuführen. Dabei findet die Rückführung über einen weiteren Raum 12 statt, der durch die Aussenwan dung 13 des Mittelrohres 3 und die Innenwandung 14 des Aussenrohrs 4 ge bildet ist.

Die Verbindung 10 kann bei einem Ausführungsbeispiel derart gestaltet sein, dass mittels Schläuchen, Rohren oder dergleichen eine fluidmässige Verbindung zwischen dem einen Raum 6 und dem weiteren Raum 12 hergestellt wird. Zusätzlich kann vorgesehen sein, und dies hängt von der tatsächlich im Inneren 15 des Ofens 16 herrschenden Strömung ab, eine Pumpe P in die Verbindung 10 zu schalten, um so eine Umwälzung des zu messenden Mediums und damit eine Strömung von dem Inneren 15 des Ofens 16 über den einen Raum 6 und zurück in das Innere 15 des Ofens 16 über den weiteren Raum 12 zu bewirken.

An der dem Befestigungsflansch 5 der Sonde 1 gegenüberliegenden Ende des Innenrohrs 2 ist der Sensor 9 angeordnet. Dieser ragt in einen Messraum 17 hinein, der durch das dem Befestigungsflansch 5 gegenüberliegende Ende des Mittelrohrs 3 und einem Adapter 18, der an diesem Ende angeordnet ist sowie der Innenwandung 8 des Mittelrohrs gebildet ist. Das andere Ende des Sensors 9 steht aus Gründen des Messprinzips eines hier vorgesehenen Lambda-Sensors mit der Umgebungsluft in Verbindung.

An dem Adapter 18 ist eine Öffnung 19 vorgesehen, an die eine Messgasent nahme 20 anordbar ist. Diese Messgasentnahme 20 besteht vorzugsweise aus einem Rohr, das in den Adapter 18 einschraubbar ist, um zu gewährleisten, dass diese nach Abnutzung einfach und schnell ohne hohen Kostenaufwand ausgewechselt bzw. ersetzt werden kann. Die Messgasentnahme 20 selbst ist vorzugsweise in ihrem Inneren mit Keramik beschichtet, um auch korrosive Medien führen zu können.

Die Sonde 1 ist derart in einem Ofen 16 eingebaut, dass der Sensor 9 im Bereich der Isolierung 21, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, angeordnet ist. Dabei erstreckt sich das Aussenrohr 4 zumindest von dem Befestigungsflansch 5 aus, der vorzugsweise ausserhalb des Ofens angeord net ist, über die Isolierung 21 des Ofens 16 hinaus bis in das Innere 15 des Ofens 16.

Messverfahren

Aus dem Inneren 15 des Ofens 16, dem Behandlungsraum, in dem die soge nannte Charge für die Anwendung eines Warmbehandlungsverfahrens angeord net ist, wird das zu messende Medium über die Messgasentnahme 20 entnom men und aufgrund des Drucks, den die Pumpe P erzeugt, in den Messraum 17 geführt. Dort detektiert der Sensor 9 das entnommene Medium, das dann in Richtung der Pfeile 11 in den einen Raum 6 und über die fluidmässige Ver bindung 10 in den weiteren Raum 12 und von dort aus wieder zurück in das innere 15 des Ofens 16 geführt wird.

Alternativ hierzu kann vorgesehen werden, dass das Medium nicht zurückge führt wird, sondern aus dem einen Raum 6 in die Umgebung freigegeben wird, wohingegen der Raum 12 beispielsweise über einen Stopfen, der in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, verschlossen wird.

Eine weitere Alternativausführung ist in Fig. 2 dargestellt

Diese unterscheidet sich von der Ausführung gemäss Fig. 1 dadurch, dass keine fluidmässige Verbindung 10 ausserhalb des Ofens 16 vorhanden ist. Die Verbindung zwischen dem einen Raum 6 und dem weiteren Raum 12 ist unmittelbar in dem Messraum 17 vorgesehen. Eine oder mehrere Bohrungen 30 sind in dem Bereich des dem Befestigungsflansch 5 gegenüberliegenden Ende an dem Mittelrohr 3 vorgesehen, so dass das Medium von der Messgasentnah me 20 in den Messraum 17 und von dort über die Bohrungen 30 in den Raum 12, der durch die Innenwandung 14 des Aussenrohrs 4 und die Aussenwandung 13 des Mittelrohrs 3 zurück in das Innere 15 des Ofens 16 strömt.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Sonde 1' findet dann Anwendung, wenn in dem Ofen 16 bereits eine Umwälzeinheit, die in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, vorhanden ist. Dadurch wird bewirkt, dass bezogen auf den Messraum 17 ein Differenzdruck entsteht, so dass das Medium entlang der Pfeile 11 ohne eine Anordnung einer Pumpe im Kreislauf strömen kann.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Sonde

1

' Sonde

2

Innenrohr

2

a Längsachse

3

Mittelrohr

3

a Längsachse

4

Aussenrohr

4

a Längsachse

5

Befestigungsflansch

6

Raum

7

Aussenwandung

8

Innenwandung

9

Sensor

10

Verbindung

10

' Verbindung

11

Pfeil

12

Raum

13

Aussenwandung

14

Innenwandung

15

Innere des Ofens

16

Ofen

17

Messraum

18

Adapter

19

Öffnung

20

Messgasentnahme

21

Isolierung

30

Bohrungen
P Pumpe

Claims

1. Sonde (1; 1') zur Entnahme und Ermittlung von flüchtigen Bestandteilen aus Gasen oder Flüssigkeiten, insbesondere während eines Wärmebehand lungsprozesses, bestehend aus im wesentlichen mehreren ineinander an geordneten, insbesondere rohrförmig ausgebildeten Elementen zur Ent nahme und Weiterleitung der Bestandteile an einen Sensor, dadurch ge kennzeichnet, dass
ein Innenrohr (2), ein Mittelrohr (3) und ein Aussenrohr (4) vorge sehen ist, wobei zumindest das Innenrohr (2) und das Mittelrohr (3) sich von einem Befestigungsflansch (5) derart wegerstrecken, dass zu mindest das Innenrohr (2) innerhalb des Mittelrohrs (3) endet,
an dem dem Befestigungsflansch (5) gegenüberliegenden Ende des Mit telrohrs (3) ein Adapter (18) zur Aufnahme einer Messgasentnahme (20) angeordnet ist und so zwischen dem Ende des Innenrohrs (2) und dem Mittelrohr (3) sowie dem Adapter (18) ein Messraum (17) bildet,
der Sensor (9) innerhalb des Messraums (17) angeordnet ist, und
der Messraum (17) und ein Raum (12), der sich durch die Aussenwan dung (13) des Mittelrohr (3) und die Innenwandung (14) des Aussenrohr bildet, fluidmässig verbunden sind.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidmässige Verbindung (10) zwischen dem Aussenrohr (4) und dem Mittelrohr (3) an dem einen Ende der Elemente vorgesehen ist.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Aussenrohr (4) über die Länge des Mittelrohrs (3) erstreckt.

4. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite, die durch die Anordnung von Aussenrohr (4) und Mittelrohr (3) an sich offen ist, durch einen Befestigungsflansch (5) fluiddicht abgeschlos sen ist und Buchsen vorgesehen sind, die die fluidmässige Verbindung (10) herstellen.

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der fluidmässi gen Verbindung (10) eine Pumpe (P) angeordnet ist.

6. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine fluidmässige Verbindung (10') zwischen dem Aussenrohr (4) und dem Mittelrohr (3) im Bereich des Adapters (18) an dem Mittelrohr (3) vorgesehen ist.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Bohrungen (30) im Bereich des Messraums (17) die fluidmässige Verbindung (10') herstel len.

8. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgasentnah me (20) unmittelbar im Bereich des Sensors (9) endet.

9. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgasentnah me (20) aus einem rohrförmigen Element besteht, das lösbar an den Ad apter (18) anbringbar ist.

10. Sonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Längsachse (2a) des Innenrohrs (2) zu der Längsachse (3a) des Mittelrohrs (3) versetzt angeordnet sind.

11. Sonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Längsachse (2a) des Innenrohrs (2) zu der Längsachse (4a) des Aussenrohrs (4) versetzt angeordnet sind.

12. Sonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Längsachse (3a) des Mittelrohrs (3) zu der Längsachse (4a) des Aussenrohrs (4) versetzt angeordnet sind.

13. Sonde nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Lambda-Sonde ist.