DE10215857A1

DE10215857A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kontrolle der Zusammensetzung einer Gasatmosphäre

Info

Publication number: DE10215857A1
Application number: DE2002115857
Authority: DE
Inventors: Thomas Mahlo
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2003-10-23
Also published as: WO2003085396A3; AU2003227577A1; EP1493026A2; WO2003085396A2; AU2003227577A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist. Erfindungsgemäß ist ein mit dem Raum verbundener Bypass vorgesehen, der einen Teil der Gasatmosphäre aufnimmt und der ein Mittel zur Bestimmung einer Größe aufweist, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht. Bevorzugt wird die Größe, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, mit Hilfe einer Lambda-Sonde bestimmt. DOLLAR A Des Weiteren ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, Gegenstand der Erfindung. Erfindungsgemäß wird die Zusammensetzung der Gasatmosphäre im Inneren des Raums so geregelt, dass die Änderung des Sauerstoffgehalts der Gasatmosphäre im Wesentlichen Null beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem derartigen Raum.
Zur Überwachung einer Gasatmosphäre in einem Raum ist es bekannt, aus dem Inneren des Raums Proben zu nehmen und die Zusammensetzung des entnommenen Gases zu analysieren. Darüber hinaus ist die Möglichkeit bekannt, spezielle Messzellen im Inneren des Raums anzubringen. Zumindest die für den Einsatz bei hohen Temperaturen zur Verfügung stehenden Messzellen weisen jedoch in der Regel als Nachteil einen hohen Preis in Verbindung mit einer kurzen Lebensdauer auf und sind mit einer hohen Messungenauigkeit behaftet.
Bei Anlagen zur Wärmebehandlung ist es Stand der Technik die Zusammensetzung der Gasatmosphäre (auch häufig als kontrollierte Atmosphäre bezeichnet) im Inneren der Anlage zu überwachen. Derartige Kontrollen sind besonders bei nicht vollständig geschlossenen Anlagen von Bedeutung, die beispielsweise als Durchlaufanlagen oder sog. offene Öfen konzipiert sind. Ein unerwünschter Eintritt eines sauerstoffhaltigen Gases kann vor allem bei nicht vollständig geschlossenen Wärmebehandlungsanlagen durch eine Vielzahl von Einflüssen aus der Umgebung der Anlage ausgelöst werden, wie z. B. durch auftretende Zugluft. Durch einen Lufteintritt wird der Sauerstoffgehalt in der Gasatmosphäre im Inneren eines Wärmebehandlungsofens erhöht, wodurch die Qualität der Wärmebehandlung und letztlich die Qualität des behandelten Werkstücks beeinträchtigt wird.
Beim Einsatz einer kontrollierten Atmosphäre zur Wärmebehandlung ist zu beachten, dass eine Änderung der Zusammensetzung der kontrollierten Atmosphäre möglichst schnell registriert werden soll, damit eine ungünstige Zusammensetzung nicht lange auf ein zu behandelndes Werkstück, z. B. auf zu härtenden Stahl, einwirken kann. Dabei ist der Anteil an Sauerstoff in der Gasatmosphäre von besonderer Bedeutung.
Eine weitere Notwendigkeit zur Kontrolle der Gasatmosphäre im Ofen besteht für einige gebräuchliche Zusammensetzungen der kontrollierten Atmosphäre, aus denen durch einen unerwünschten Eintritt von Umgebungsluft ein explosives Gemisch entstehen kann, wodurch eine erhebliche Gefährdung der Anlage und der Umgebung auftritt. Die Gasatmosphäre wird im Bereich der Wärmebehandlung oftmals kontrollierte Atmosphäre, Schutzgas oder auch Schutzgasatmosphäre genannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Veränderung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, möglichst schnell, sicher und kostengünstig zu erkennen.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Sauerstoffgehalt einer derartigen Gasatmosphäre zu regeln.
Vorrichtungsseitig wird die gestellt Aufgabe dadurch gelöst, dass ein mit dem Raum verbundener Bypass vorgesehen ist, der einen Teil der Gasatmosphäre aufnimmt und der ein Mittel zur Bestimmung einer Größe aufweist, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht. Der hier genannte Raum ist beispielsweise ein nicht vollständig geschlossener Wärmebehandlungsofen, in dem eine kontrollierte Atmosphäre vorliegt. Es ist jedoch auch möglich die Erfindung bei einem geschlossenen Raum einzusetzen, z. B. bei einem Wärmebehandlungsofen, der im Batch-Verfahren betrieben wird.
Beispielsweise sind Mittel vorgesehen, die im Bypass die Strömungsgeschwindigkeit der Gase ermitteln. Bei einem konstant eingestellten Durchsatz von Schutzgas, das dem Raum (der Wärmebehandlungsanlage) zugeführt wird, kann jede Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit auf einen Eintritt von sauerstoffhaltigem Gas aus der Umgebung zurück geführt werden, da dann eine Erhöhung des Gasdurchsatzes durch den Raum eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit sowohl in dem Raum wie auch im Bypass bewirkt. Die Strömungsgeschwindigkeit kann zum Beispiel über eine Ultraschallmessung ermittelt werden. Vorteilhaft ist auch ein einfach aufgebauter Durchflussmesser einsetzbar, mit dem eine klassische Blendenmessung durchgeführt werden kann.
Eine andere günstige Möglichkeit die Strömungsgeschwindigkeit im Bypass zu ermitteln besteht darin, eine Heizvorrichtung und einen Temperaturmessfühler in einem definierten Abstand voneinander im Bypass anzubringen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases ist bei dieser Ausgestaltung über die Zeitverzögerung zu ermitteln, mit der der Temperaturmessfühler den Beginn eines Heizvorganges registriert. Vorteilhaft wird dieses Beispiel mit zwei Heizvorrichtungen ausgestattet, die mit Abstand an gegenüberliegenden Seiten des Temperaturmessfühlers angebracht sind, so dass die Strömungsrichtung des Gases sicher und einfach bestimmt werden kann.
Der Bypass eignet sich auch besonders für den Einsatz bekannter Messzellen zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts eines Gases, wie beispielsweise elektrochemischer oder magnetischer Sauerstoffmesszellen. Diese Messzellen sind im Bypass besonders vorteilhaft anzubringen, da sie dort weniger hohen Temperaturen ausgesetzt sind als im Inneren des Raums, in dem z. B. Stahl einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Bei einer Wärmebehandlungsanlage ist der erfindungsgemäße Bypass vorteilhaft auf dem räumlichen Niveau der Träger für die zu behandelnden Werkstücke angebracht, also z. B. auf der Höhe der Transportrollen, mit denen die Werkstücke durch die Wärmebehandlungsanlage transportiert werden. Maßgeblich für die Bestimmung der günstigsten Anordnung für den Bypass sind die Strömungsverhältnisse in der Wärmebehandlungsanlage (allg. im Inneren des Raums). Eine optimale Anordnung des Bypasses dient vor allem zur Sicherstellung, dass die im Bypass ermittelten Messwerte repräsentativ für die Gasatmosphäre im Inneren des Raums sind. Besondere Beachtung sollte dabei der Thermik zukommen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erwähnte Mittel als Lambda-Sonde ausgebildet. Mit besonderem Vorteil ist eine Lambda-Sonde mit hoher Messgenauigkeit für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in einem Gasgemisch vorgesehen. Eine Lambda-Sonde weist in der Regel eine Zirkondioxidschicht, eine Heizeinrichtung und ein Volumen mit einem Referenzgas auf. Als Referenzgas ist hier Umgebungsluft besonders geeignet. Die Lambda-Sonde wird so im Bypass angebracht, dass Sauerstoffionen aus der zu analysierenden Gasatmosphäre durch die Schicht aus Zirkondioxid diffundieren können. Dieser Diffusionsvorgang ist temperaturabhängig und es stellt sich für einen bestimmten Sauerstoffgehalt in der zu analysierenden Gasatmosphäre und für eine bestimmte Temperatur ein zugehöriger Sauerstoffpartialdruck ein. Der Unterschied zwischen dem Sauerstoffpartialdruck der Gasatmosphäre und dem Sauerstoffpartialdruck der Umgebungsluft als Referenz wird üblicherweise als elektrisches Signal dargestellt, das auf der elektromotorischen Kraft basiert. Der Betrag der elektromotorischen Kraft ist Null, wenn die zu analysierende Gasatmosphäre und das Referenzgas einen gleich großen Sauerstoffgehalt aufweisen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Innere eines Ofens zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere von metallischen Werkstücken, den erwähnten Raum bildet. Für eine beispielhafte Zusammensetzung der Gasatmosphäre in einer Anlage zur Wärmebehandlung (z. B. zum Härten oder Aufkohlen) von metallischen Werkstücken liegt der Betrag der elektromotorischen Kraft im Bereich einiger Hundert Millivolt, für den Fall, dass kein unerwünschter Lufteintritt von außen stattfindet.
Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Teil der Gasatmosphäre über einen Bypass geleitet wird, wobei eine Größe bestimmt wird, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht.
Bevorzugt wird die Größe, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, mit Hilfe einer Lambda-Sonde bestimmt.
Die Aufgabe der Regelung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Zusammensetzung der Gasatmosphäre im Inneren des Raum so geregelt wird, dass die Änderung des Sauerstoffgehalts der Gasatmosphäre im wesentlichen Null beträgt.
Dazu wird nachdem z. B. ein Anstieg des Sauerstoffgehalts ermittelt wurde, der Sauerstoffzustrom in die Gasatmosphäre unterbrochen und bei Bedarf der Zustrom der anderen Komponenten der Gasatmosphäre erhöht. Dringender Bedarf hierfür besteht, wenn z. B. die Bildung eines explosionsgefährdeten Gasgemisches sofort unterbunden werden muss.
Die kontrollierte Atmosphäre beispielsweise in einer Wärmebehandlungsanlage wird also so geregelt, dass der Lufteintritt unterbunden oder kompensiert wird. Vorteilhaft wird die Zufuhrmenge und/oder die Strömungsrichtung des Schutzgases in der Wärmebehandlungsanlage so verändert, dass zumindest am Ort des Eindringens der Luft ein geringer Überdruck in der Anlage entsteht, der einem weiteren Lufteintritt von außen entgegenwirkt.
Bevorzugt wird die Änderung des Sauerstoffgehalts der Gasatmosphäre ermittelt, indem ein Teil der Gasatmosphäre über einen Bypass geleitet wird, wobei eine Größe bestimmt wird, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht. Besonders bevorzugt wird die Größe, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, mit Hilfe einer Lambda-Sonde bestimmt.
Vorrichtungsseitig wird die Aufgabe der Regelung dadurch gelöst, dass ein mit dem Raum verbundener Bypass vorgesehen ist, der einen Teil der Gasatmosphäre aufnimmt und der ein Mittel zur Bestimmung einer Größe aufweist, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, sowie eine Regelungskomponente vorgesehen ist, die mit der Steuerung für die Menge an in den Raum zuzuführendem Gas in Wirkverbindung steht und für die der ermittelte Sauerstoffgehalt als Eingangsgröße vorgesehen ist.
Die Erfindung bietet eine Reihe weiterer Vorteile:
Wärmebehandlungsanlagen können hinsichtlich der erforderlichen Schutzgasmenge und hinsichtlich des Ofenzugs optimiert werden. Änderungen in der Zusammensetzung der kontrollierten Atmosphäre und eine damit verbundene Verminderung der Qualität des wärmebehandelten Werkstücks werden vermieden. Zusätzlich kann die Betriebssicherheit beim Einsatz von brennbaren oder explosiven Schutzgaszusammensetzungen erhöht werden.
Die Erfindung eignet sich darüber hinaus für alle kontrollierten Atmosphären, deren Zusammensetzung mit einem System überwacht werden soll, das bei Bedarf ein schnelles Reagieren auf Abweichungen erlaubt. Auch bei geschlossenen Anlagen kann die Erfindung vorteilhaft zur Erhöhung der Betriebssicherheit eingesetzt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Raum verbundener Bypass vorgesehen ist, der einen Teil der Gasatmosphäre aufnimmt und der ein Mittel zur Bestimmung einer Größe aufweist, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Mittel als Lambda-Sonde ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Raum das Innere eines Ofens zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere von metallischen Werkstücken, vorgesehen ist.

4. Verfahren zur Überwachung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Gasatmosphäre über einen Bypass geleitet wird, wobei eine Größe bestimmt wird, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, mit Hilfe einer Lambda-Sonde bestimmt wird.

6. Verfahren zur Regelung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Gasatmosphäre im Inneren des Raums so geregelt wird, dass die Änderung des Sauerstoffgehalts der Gasatmosphäre im wesentlichen Null beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Sauerstoffgehalts der Gasatmosphäre ermittelr wird, indem ein Teil der Gasatmosphäre über einen Bypass geleitet wird, wobei eine Größe bestimmt wird, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, mit Hilfe einer Lambda-Sonde bestimmt wird.

9. Vorrichtung zur Regelung des Sauerstoffgehalts einer Gasatmosphäre in einem Raum, der von einem sauerstoffhaltigen Gas umgeben ist, die eine Steuerung für die Zufuhr einer Gasatmosphäre in den Raum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Raum verbundener Bypass vorgesehen ist, der einen Teil der Gasatmosphäre aufnimmt und der ein Mittel zur Bestimmung einer Größe aufweist, die Rückschlüsse auf den Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre ermöglicht, sowie eine Regelungskomponente vorgesehen ist, die mit der Steuerung in Wirkverbindung steht und diese in Abhängigkeit von dem ermittelten Sauerstoffgehalt regelt.