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Die Erfindung betrifft eine In-Situ-Messsonde zum Erfassen einer Messgröße in einer Gasströmung, mit
- – einem länglichen Gehäuse aus verschleißfestem Material,
- – einem in dem Gehäuse angeordneten Messsensor,
- – einer Öffnung an einem Ende des Gehäuses,
- – einem an dem Gehäuse befestigten Filterkörper, der die Öffnung des Gehäuses abdeckt,
- – einer Abdeckung aus verschleißfestem Material zum Abdecken der Anströmseite des Filterkörpers.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Messsonde zum Erfassen von Gaskomponenten, z. B. Sauerstoff, innerhalb einer Rauchgasströmung, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentschrift
DE 32 11 533 C2 beschrieben ist.
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In-Situ-Messsonden werden unmittelbar innerhalb der Strömungskanäle eingesetzt, welche von dem zu messenden Gas, insbesondere Rauchgas, durchströmt werden. Bei Kraftwerken und anderen Anlagen mit großen Brennern kann die Rauchgasströmung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreichen und mit einem großen Anteil von Partikeln beladen sein. Es besteht die Gefahr, dass der Filterkörper, welcher ein Eindringen von Partikeln in den Bereich des Messsensors der Messsonde verhindert, durch die in der Strömung enthaltenen Partikel verstopft. Aus diesem Grund ist die Anströmseite des Filterkörpers abgedeckt. Die
DE 32 11 533 C2 schlägt vor, ein drehbares Rohrstück mit einer Öffnung zur Abdeckung des Filterkörpers zu verwenden, wobei die Öffnung verdrehbar ist und jeweils auf die Abströmseite des Filterkörpers gedreht werden kann. Das anströmende Rauchgas trifft folglich auf die rohrförmige Abdeckung, so dass darin enthaltene Partikel nicht den Filter verstopfen können.
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Nachteil der bekannten In-Situ-Messsonden ist die Tatsache, dass die in der Gasströmung vorhandene Zusammensetzung nur langsam zu der Messsonde innerhalb des Gehäuses vordringt. Konzentrationsänderungen der Gasströmungen können folglich nur mit recht großer Verzögerung erfasst werden.
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In der
EP 1 231 464 A1 ist in den
4 und
5 eine Messonde offenbart, die direkt innerhalb eines Filterkörpers angeordnet ist. Der Filterkörper ist in einem zylinderförmigen Ringraum aufgenommen, der innen und außen von zylinderförmigen Lochblechen begrenzt ist. Im Bereich der Löcher wird der Filterkörper direkt angeströmt und neigt zum schnellen Verschleiß. Auch bei der Druckschrift
GB 1 563 940 A liegt der Sensor innerhalb eines zylinderförmigen Filtermaterials aus Keramikfasern. Die Keramikfasern sind zwischen einem äußeren rohrförmigen Schild mit Gaseinlassschlitzen und einer inneren Manschette mit Durchbrüchen angeordnet. Auch dieses Filtermaterial wird von dem partikelbeladenen Abgas im Bereich der Gaseinlassschlitze direkt angeströmt. In beiden Fällen fehlt ein geschlossenes Gehäuse zum Schutz der Sonde. Weitere Messsonden ohne Schutzgehäuse für die Sonde sind aus den Druckschriften
DE 101 53 735 B4 ,
US 5 785 829 A und
EP 0 0259 093 A2 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine eingangs beschriebene In-Situ-Messsonde mit Sondengehäuse 1 aus verschleißfestem Material derart weiterzubilden, dass die Zeitspanne für Erfassung von Konzentrationsänderungen verkürzt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Messsonde folgende Merkmale auf:
- – einen zweiten Filterkörper, der eine zweite Öffnung in dem Gehäuse abdeckt, wobei der Messsensor zwischen der ersten und der zweiten Öffnung angeordnet ist, und
- – eine zweite Abdeckung aus verschleißfestem Material zum Abdecken der Anströmseite des zweiten Filterkörpers.
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Durch die zweite Öffnung auf der anderen Seite der Messsonde ist sichergestellt, dass eine Strömung von der ersten Öffnung zur zweiten Öffnung oder in die umgekehrte Richtung einen schnellen Gasaustausch innerhalb des Raumes ermöglicht, in dem der Messsensor angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Geometrie der Messsonde im Bereich des die erste Öffnung abdeckenden ersten Filterkörpers unterschiedlich zu der Geometrie der Messsonde im Bereich des zweiten Filterkörpers. Die verschiedenen Geometrien bewirken, dass sich bei einer die Messsonde umströmenden Strömung an der ersten Öffnung ein anderer Druck ausbildet als an der zweiten Öffnung. Diese Druckunterschiede bewirken eine Gasströmung von der Öffnung mit dem höheren Druck zu der Öffnung mit dem niedrigeren Druck.
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Auch im Bereich der zweiten Öffnung ist ein zweiter Filterkörper vorgesehen, der das Eindringen von Partikeln durch die zweite Öffnung zu dem Messsensor hin vermeidet. Auch der zweite Filterkörper ist zumindest auf der Anströmseite durch eine zweite Metallabdeckung verdeckt. Dies verhindert das Verstopfen der Poren des zweiten Filterkörpers. Das Einströmen und Ausströmen des Messgases in und aus dem Raum mit dem Messsensor ist zwar grundsätzlich z. B. bei Lambda-Sonden für die Ermittlung des stöchiometrischen Brennstoff/Luft-Verhältnisses im Abgassystem von Fahrzeugmotoren bekannt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird es mit einem ersten Filterkörper mit Abdeckung auf einer Seite des Sensors und einem zweiten Filterkörper mit Abdeckung auf der anderen Seite des Sensors ermöglicht, eine Durchströmung des Hohlraums, in dem sich der Sensor befindet, bei In-Situ-Messsonden zu ermöglichen.
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Die erste Abdeckung für den Filterkörper im Endbereich der Messsonde kann – wie bei der
DE 32 11 533 C2 – als auf der Abströmseite offenes Rohrstück ausgebildet sein. Sie kann aber auch als gebogenes oder gewinkeltes Blech ausgebildet sein, welches die Strömung ableitet.
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Die zweite Abdeckung kann in der Praxis von einem Schutzrohr gebildet werden, welches ein Sondenrohr umgibt, in dem die Versorgungsleitungen und Signalleitungen für das Messsignal aufgenommen sind. Das Schutzrohr kann vollständig verschlossen sein, bis auf eine Strömungsöffnung auf seiner Abströmseite. Das Schutzrohr kann drehbar an dem Kanal befestigt sein, so dass es jeweils in die Stellung gedreht werden kann, in der die Strömungsöffnung optimal auf der Abströmseite des Schutzrohrs liegt. Änderungen des Drehwinkels des Schutzrohrs führen zu Änderungen des Drucks an der Strömungsöffnung und können die Strömungsgeschwindigkeit des Gases innerhalb des Sondengehäuses beeinflussen.
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Der zweite Filterkörper kann in der Praxis ringförmig ausgebildet sein.
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Der zweite Filterkörper kann insbesondere nahe der Strömungsöffnung angeordnet sein. Er kann radial innerhalb der Strömungsöffnung liegen. Er kann ferner gegenüber der Strömungsöffnung ein wenig zum Messsensor hin versetzt sein. Hierdurch entsteht ein Labyrintheffekt und ein direktes Einströmen von partikelbeladenen Rauchgasen wird vermieden oder zumindest verringert werden.
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Zumindest einer der Filterkörper kann aus einem gesinterten Material bestehen. Das gesinterte Material kann entweder ein gesintertes Keramikmaterial oder ein gesintertes Metall sein. Insbesondere wenn der zweite Filterkörper ringförmig ist, kann er zum Beispiel aus kleinen Metallpartikeln gesintert sein, welche einen porösen Körper bilden. Der erste Filterkörper, der im Bereich des Endes des Sondengehäuses angeordnet ist, kann die Form einer länglichen Kappe aufweisen und aus einer dünnwandigen, gesinterten Keramik bestehen.
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Wie erwähnt, sollten aufgrund der unterschiedlichen Geometrien in den Bereichen der zwei Öffnungen unterschiedliche Drücke bei in der Gasströmung befindlicher Messsonde verwirklicht werden, so dass eine Strömung von der ersten Öffnung zur zweiten Öffnung oder in die umgekehrte Richtung ermöglicht wird.
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In der Praxis kann insbesondere für Messsonden in Rauchgasen der Messsensor durch einen Festkörperelektrolyten gebildet sein. Insbesondere eignet sich ZrO2 als Festkörperelektrolyt zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen.
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Das verschleißfeste Material der gegen die Partikel in der Strömung schützenden Abdeckungen ist insbesondere ein Metall wie Stahl oder eine Keramik. Es kann auch aus einem Metall bestehen, das in besonders belasteten Bereichen mit einer Keramikbeschichtung versehen ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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Die 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Messsonde mit geschnittenem Schutzrohr.
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Die 2 zeigt eine Vorderansicht der Messsonde aus 1.
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Die erfindungsgemäße Messsonde weist ein rohrförmiges Gehäuse 1 auf, in dem ein Messsensor 2 aufgenommen ist. Der Messsensor 2 ist vorzugsweise zur Messung einer Konzentration einer Komponente eines Gases ausgelegt. Insbesondere kann der Messsensor 2 einen Festkörperelektrolyt wie ZrO2 aufweisen, mit dem zum Beispiel die Konzentration von Sauerstoff gemessen wird.
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Das rohrförmige Sondengehäuse 1 ist an beiden Enden offen. Das freie Ende des rohrförmigen Gehäuses 1 wird durch einen ebenfalls rohrförmigen Filterkörper 3 mit kuppelförmig gerundetem, geschlossenem Ende 4 verschlossen. Der Filterkörper 3 ist bildet eine dünnwandige Kappe mit einer Wandstärke von ca. 5 mm. Die Wand des Filterkörpers 3 ist porös. Der Filterkörper 3 besteht aus gesinterter Keramik.
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Die in 1 dargestellte Messsonde ist insbesondere zum Messen in einer Rauchgasströmung innerhalb eines Rauchgaskanals vorgesehen. In der Zeichnung verläuft die Strömung gemäß den eingezeichneten großen Pfeilen in 1 von unten nach oben. Auf der Anströmseite, d. h. unten, ist der erste Filterkörper 3 durch ein Abdeckblech 5 aus Stahl abgedeckt.
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Wie in 2 erkennbar, ist das Blech als Winkelblech ausgebildet, dessen Kante nach unten weist. Es teilt daher im Bereich des Sondenkopfes die Strömung und lenkt sie rechts und links um den ersten Filterkörper 3 herum.
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In der 1 ist ferner zu erkennen, dass hinter dem Messsensor 2 ein zweiter, ringförmiger Filterkörper 6 angeordnet ist. Der zweite, ringförmige Filterkörper 6 besteht ebenfalls in der Praxis bevorzugt aus gesintertem, porösem Material, beispielsweise aus gesintertem Metall. Seine Innenseite steht in strömender Verbindung mit dem Aufnahmeraum für den Messsensor 2 innerhalb des rohrförmigen Sondengehäuses 1. Da das rohrförmige Sondengehäuse 1 an beiden Seiten offen ist, ist eine Gasströmung vom ersten Filterkörper 3 durch das rohrförmige Sondengehäuse 1 hindurch zum zweiten ringförmigen Filterkörper 6 möglich, wie durch die dünnen Pfeile in 1 dargestellt.
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Das Sondengehäuse 1 ist selbst von einem Schutzrohr 7 aus Stahl umgeben. Das Schutzrohr 7 aus Stahl vermeidet – wie das Abdeckblech 5 – Beschädigungen des Messsensors durch die abrasive Wirkung von Partikeln in dem Rauchgasstrom.
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In der Nähe des zweiten, ringförmigen Filterkörpers 6 weist das Schutzrohr 7 an der Abströmseite, d. h. an seiner oberen Seite, eine Strömungsöffnung 8 auf. Das durch den ersten Filterkörper 3 einströmende Rauchgas kann folglich nach dem Durchströmen des Sondengehäuses 1 aus dem zweiten, ringförmigen Filterkörper 6 ausströmen und durch die Strömungsöffnung 8 entweichen.
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Da die Geometrien der Messsonde im Bereich der zwei Filterkörper 3 und 6 erheblich voneinander abweichen, ist davon auszugehen, dass an beiden Filterkörpern 3 und 6 unterschiedliche Drücke herrschen, so dass eine stetige Gasströmung durch das Sondengehäuse 1 erfolgt. Sollte am Filterkörper 3 ein Unterdruck herrschen, könnte die Strömung entgegengesetzt der in 1 dargestellten dünnen Pfeile von dem Filterkörper 6 zum Filterkörper 3 hin verlaufen.
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Erforderlichenfalls ist es möglich, das Sondengehäuse 1 gegenüber dem Schutzrohr 7 abzudichten. Hierfür müsste ein Dichtring zwischen dem Sondengehäuse 1 und dem Schutzrohr 7 eingefügt werden. Außerdem ist es möglich, durch Strömungsleitmittel den Druck der Strömung im Bereich der zwei Filterkörper 3 und 6 derart zu variieren, dass bei der Umströmung der erfindungsgemäßen Messsonde mit Rauchgas eine kontinuierliche Gasströmung durch das Sondengehäuse 1 gewährleistet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sondengehäuse
- 2
- Messsensor
- 3
- Filterkörper
- 4
- geschlossenes Ende des Filterkörpers
- 5
- Abdeckblech, erste Abdeckung
- 6
- zweiter ringförmiger Filterkörper
- 7
- Schutzrohr, zweite Abdeckung
- 8
- Strömungsöffnung
