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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 5.
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Ein solches Verfahren und eine solche
Vorrichtung kommen vermehrt bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
in nicht brennbaren Gasen von Verbrennungsanlagen zur Anwendung,
mit deren Hilfe Wärme
durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe gewonnen wird.
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In der
DE-PS 29 45 698 C2 ist eine Messvorrichtung
zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen beschrieben.
Die Messvorrichtung ist mit einem Festelektrolyten versehen, der
als einseitig geschlossenes Rohr ausgebildet, mit einer Heizung versehenen
und von einem Hüllrohr
umgeben ist. Die Innenfläche
und die Außenfläche des
Festelektrolyten sind mit jeweils einer porösen, als Elektrode dienenden
Edelmetallschicht versehen. Die Messvorrichtung wird zur Bestimmung
der Sauerstoffkonzentration in dem Strom des zu untersuchenden Abgases
angeordnet. Das Hüllrohr
ist gegenüber
dem geschlossenen Ende des Festelektrolyten mit einer Öffnung versehen. Über diese Öffnung wird
der Elektrode auf der Außenfläche des
Festelektrolyten ein Probegas zugeführt, das von dem zu untersuchenden Abgas
abgezeigt wird. Die Messvorrichtung ist so ausgebildet, dass ein
konstanter Strom des Probegases an der Elektrode auf der Außenfläche des
Festelektrolyten vorbeigeführt
werden kann. Hierfür
wird das Probegas durch eine Verengung hindurchgeleitet, die einen
Zuströmraum
mit einem Abströmraum verbindet.
Das Druckverhältnis
zwischen dem Zuströmraum
und dem Abströmraum
ist dabei so eingestellt, dass das Probegas mit Schallgeschwindig keit durch
die Verengung strömt,
wenn deren Durchtrittsquerschnitt entsprechend angepasst ist.
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Aus der
DE-PS 38 38 074 C1 ist eine
Messvorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen
bekannt. Diese Messvorrichtung ist mit einem Festelektrolyten versehen,
der zwei Elektroden aufweist. Eine Elektrode ist auf der Außenfläche des
Festelektrolyten installiert, und wird mit dem zu überprüfenden Abgas
in Kontakt gebracht. Der Festelektrolyt ist von einem Rohr umgeben,
dessen Innendurchmesser größer ist
als der Durchmesser des Festelektrolyten. Das Rohr ist an seinem,
dem Festelektrolyten gegenüberliegenden
Ende offen. Seine seitlichen Begrenzungsflächen sind mit zusätzlichen Öffnungen
versehen. Die Messvorrichtung wird so installiert, dass der Festelektrolyt
zusammen mit dem Rohr vollständig
innerhalb des zu untersuchenden Abgases angeordnet ist. Der gesamte
Festelektrolyt ist damit den Einwirkungen des Abgases ausgesetzt,
was zu ungenauen Messergebnissen führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts von nicht brennbaren
Gasen aufzuzeigen, das zur Erhöhung
der Sicherheit und zur Verbesserung der Messergebnisse außerhalb
des zu untersuchenden Gases durchgeführt werden kann. Ferner liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen,
mit der sich ein solches Verfahren durchführen lässt.
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Die Aufgabe, das Verfahren betreffend,
wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend,
wird durch Merkmale des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann der Sauerstoffgehalt eines nicht brennbaren Gases außerhalb
des Gases und auch außerhalb
eines Abgaskanals durchgeführt
werden, durch den das nicht brennbare Gas von einer Verbrennungsanlage
nach außen
abgeleitet wird.
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Hierfür wird eine Messvorrichtung
verwendet, der kontinuierlich eine aus dem nicht brennbaren Gas
abgezweigte Menge an nicht aufbereitetem Probegas zugeführt wird.
Die Inbetriebnahme der Messvorrichtung kann vollautmatisch durchgeführt werden.
Die Funktionsfähigkeit
der Messvorrichtung wird mit Hilfe von Luft überprüft. Werden Abweichungen festgestellt,
so wird eine Anpassung vorgenommen. Um die Menge des Probegases
begrenzen zu können,
sind Mittel vorgesehen, die leicht gereinigt und auch ausgetaucht
werden können.
Erfindungsgemäß ist die
Messvorrichtung hierfür
mit einer Kapillare versehen, in die ein Mengenbegrenzer integriert
ist. Die Kapillare ragt mit einer Öffnung in das nicht brennbare
Gas hinein. Ihre zweite Öffnung
mündet
in ein Hüllrohr,
das eine Sonde mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten
umgibt. Der Festelektrolyt ist auf seiner Innenfläche und
seiner Außenfläche mit
jeweils einer porösen
Elektrode versehen, wobei letztere mit dem Probegas beaufschlagt
wird. Für
die Messungen muss das Probegas nicht zusätzlich aufbereitet werden.
Das Hüllrohr
und alle zur Messvorrichtung gehörenden
elektrischen Anschlüsse
und Spannungsquellen werden außerhalb
des zu untersuchenden nicht brennbaren Gases bzw. des Abgaskanals
installiert, so dass sich hierin keine Zündquellen befinden. Mit Hilfe
einer Pumpe wird in dem Hüllrohr
ein Unterdruck ausgebildet, auf Grund dessen das Probegas durch
die Kapillare in das Hüllrohr strömt. In die
Kapillare ist vor dem Hüllrohr
eine Schraube mit definierten Abmessungen gedreht, die als Mengenbegrenzer
für das
Probegas dient. Die Kapillare kann aus Metall oder Keramik gefertigt
sein. Bei einer Herstellung aus Keramik kann die Kapillare einem
nicht brennbaren Gas mit einer Temperatur bis zu 1700°C ausgesetzt
werden.
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Weitere erfinderische Merkmale sind
in den abhängigen
Ansprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachfolgend an
Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
Messvorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in nicht brennbaren
Gasen,
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2 einen
Mengenbegrenzer für
das aus dem zu untersuchenden Gas abgezweigte Probegas,
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3 die
Funktionsweise des in die Messvorrichtung eingebauten Festelektrolyten,
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4 eine
Abgleichkontrolle der verwendeten Messvorrichtung.
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Zu der in 1 gezeigten Messvorrichtung 1 gehört eine
Sonde 2, die mit einem Festelektrolyten 3, zwei
Elektroden 4 und 5, einer Heizung 6,
und einem Hüllrohr 7 versehen
ist, sowie eine Pumpe 8, eine Kapillare 9, drei
Sensoren 11, 12 und 13, eine Regel- und
Auswerteeinheit 14 und eine Abgleicheinrichtung 15.
Der Festelektrolyt 3 ist als einseitig verschlossenes Rohr
ausgebildet, das aus Zirkoniumdioxid gefertigt ist. Das Zirkoniumdioxid
ist mit Yttriumoxid oder anderen seltenen Erdoxiden dotiert. Die erste
Elektrode 4 ist auf der Innenfläche und die zweite Elektrode 5 auf
Außenfläche des
Festelektrolyten 3 angeordnet. Beide Elektroden 4 und 5 sind
aus einem porösen
Edelmetall gefertigt. Vorzugsweise wird hierfür Platin verwendet. Innerhalb
des Festelektrolyten 3 ist eine elektrische Heizung 6 installiert.
Der Festelektrolyt 3 ist von dem Hüllrohr 7 vollständig umschlossen.
Das Hüllrohr 7 ist
aus Quarz oder Keramik gefertigt, und an seinem ersten Ende 7A durch
eine runde Kuppe 7K verschlossen. Nach dem Einsetzen des
Festelektrolyten 3 in das Hüllrohr 7 wird dieses an
seinem zweiten Ende 7B durch einen Deckel 7D ebenfalls
verschlossen. Die elektrischen Anschlüsse 4E, 5E und 6E der
beiden Elektroden 4 und 5 sowie der Heizung 6 sind
am zweiten Ende 7B des Hüllrohrs 7 nach außen geführt. Der
Innenbereich des Hüllrohrs 7 steht
bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
seitliche Öffnung 7E mit
der Pumpe 8 in mechanischer Verbindung. Die Pumpe 8 ist
als Ejetorpumpe ausgebildet. Diese wird durch ein Rohr gebildet,
durch das Pressluft 8L geleitet wird. Der Durchmesser des
Rohres 8 ist, in Strömungsrichtung
der Pressluft 8L gesehen, vor der Öffnung 7E verengt,
wodurch ein Sog im Bereich der Öffnung 7E erzeugt
wird. Mit Hilfe der Pumpe 8 wird innerhalb des Hüllrohrs 7 ein
Unterdruck zwischen 15 mbar und 60 mbar erzeugt. Mit Hilfe dieses
Unterdrucks kann ein zu überprüfendes Gas
für die
Messung in das Hüllrohr 7 geleitet
und nach der Messung über
die Pumpe 8 wieder daraus entfernt und nach außen abgeleitet
werden. An Stelle dieser Ejektorpumpe 8 kann auch jede
andere Einrichtung verwendet, die geeignet ist, innerhalb des Hüllrohrs 7 einen
solchen Unterdruck in gleicher Weise auszubilden. Durch die Kuppe 7K des
Hüllrohrs 7 hindurch
ist das erste Ende 9A der Kapillare 9 in den Innenbereich
des Hüllrohres 7 geführt. Die
Kapillare 9 ist als dünnes
Röhrchen ausgebildet,
das einen Innendurchmesser von 1 mm bis 2 mm aufweist. Das zweite
Ende 9B der Kapillare 9 wird im Strom eines nicht
brennbaren Gases 100 installiert, das beim Verbrennen fossiler
Brennstoffe in einer Verbrennungsanlage (hier nicht dargestellt) entsteht,
und über
einen Abgaskanal 101 nach außen geleitet wird. Die Länge der
Kapillare 9 ist so bemessen, dass das Hüllrohr 7 mit dem Festelektrolyten 3 nicht
in den Strom des Gases 100 hineinragt. Das zweite Ende 9B der
Kapillare 9 ist von einem als Filter dienenden Bauelement 9F umgeben.
Damit wird sicherstellt, dass nur das nicht brennbare Gas 100 in
die Kapillare 9 gelangt und keine Staubteilen (hier nicht
dargestellt), die von dem nicht brennbaren Gas 100 mitgeführt werden.
Die Kapillare 9 rangt über
eine definierte Länge
in den Abgaskanal 100 hinein. Diese Länge wird so gewählt, dass
sie etwa einem Viertel des Durchmessers entspricht, den der Abgaskanal 100 aufweist.
Die Kapillare 9 ist zudem so installiert, das ihr Abstand
zu der Verbrennungsanlage (hier nicht dargestellt), von der das
Gas 100 stammt, gering ist. Um die Bildung von Wasser und Säure in der
Kapillare 9 zu vermeiden, wird sie so montiert, dass sie
sich in einer Umgebung befindet, deren Temperatur über dem
jeweiligen Wasser- bzw. Säuretaupunkt
liegt.
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Die Menge an Probegas 102,
die der zweiten Elektrode 5 zugeführt wird, kann auf einen definierten Wert
begrenzt werden. Hierfür
ist, wie 2 zeigt, ein
Mengenbegrenzer 9G, 9E, 9S, 10 vorgesehen. Für die Ausbildung
dieses Mengenbegrenzers 9G, 9E, 9S, 10 ist
der Innendurchmesser der Kapillare 9 in einem geringen
Abstand von der Sonde 2, und zwar in dem Bereich A, der
in 2 zusätzlich vergrößert dargestellt
ist, aufgeweitet. Die Kapillare 9 ist hier mit einem Innengewinde 9G versehen,
in das eine Schraube 9S gedreht ist. Die Schraube 9S ist mit
einem an das Innengewinde 9G an gepassten Außengewinde 9E versehen.
Der Außendurchmesser des
Außengewindes 9E ist
so bemessen ist, dass zwischen dem Außengewinde 9E der
Schraube 9 und dem Innengewinde 9G der Kapillare 9 ein
Spalt 10 verbleibt. Der Spalt 10 ist in der Nähe der Sonde 2 ausgebildet.
Damit befindet er sich in einem Bereich mit einer Temperatur größer 400°C. Ein Verstopfen
des Spaltes 10 wird dadurch ausgeschlossen. Die Abmessungen
des Spaltes 10 sind so groß gewählt, dass von dem nicht brennbaren
Gas 100 eine Menge zwischen 300 ml/h und 600 ml/h abgezeigt
und als Probegas 102 der zweiten Elektrode 5 des
Festelektrolyten 3 zugeführt wird. Das ist nur dann
der Fall, wenn Änderungen
im Strom des Probegases 102 erfasst und kompensiert werden.
Solche Änderungen
können
beispielsweise durch sich ändernde
Druck- oder Temperaturverhältnisse
in dem nicht brennbaren Gas 100 oder an der Messstelle
verursacht werden. Um diese Einwirkungen auszuschließen, sind
zwei Drucksensoren 11 und 12 und ein Temperatursensor 13 für die Ermittlung
von Messdaten aus dem Bereich der Sonde 2 vorgesehen. Die
beiden Drucksensoren 11 und 12 und der Temperatursensor 13 sind
mit Messfühlern
(hier nicht dargestellt) ausgerüstet,
die im Bereich der Sonde 2 zum Erfassen von Messwerten
installiert sind.
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Mit der Regel- und Auswerteeinheit 14,
die beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet ist, kann eine
exakte Einstellung der Sonde 2 durchgeführt werden. Mit dem Drucksensor 11 wird
der Druck des Probegases 102 vor dem Eintritt in den Mengenbegrenzer 9G, 9E, 9S der
Kapillare 9 und nach dem Vorbeiströmen an der Elektrode 5 gemessen.
Weichen die Messwerte von den Sollwerten ab, die in der Regel- und
Auswerteeinheit 14 gespeichert sind, wird mit Hilfe von
Kennlinien (hier nicht dargestellt), die in der Regel- und Auswerteeinheit 14 gespeichert
sind, eine Anpassung durchgeführt.
Mit dem Temperatursensor 13 wird die Temperatur in der
Kapillare 9 erfasst. Dieser Messwert wird beispielsweise
dazu genutzt, Änderungen
des Probegasstroms zu korrigieren, die in Folge von Änderungen
der Temperatur am Spalt 10 auftreten. Mit dem Drucksensor 12 wird
der Druck des Probegases 102 innerhalb des Filters 9F gemessen.
Dieser Messwert wird zur Kompensation des Drucks in der Sonde 2 und
zur Erfassung eines Druckanstiegs bei der Überprüfung der Sonde 2 genutzt.
Von der Abgleich einrichtung 15 kann Luft in das Filter 9F eingeblasen
werden. Der gemessene Druckanstieg ist ein Maß für die Durchlässigkeit
des Filters 9F.
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Mit der Regel- und Auswerteeinheit 14 kann ferner
eine fehlersichere O2 Messung durchgeführt werden.
Hierfür
wird der Unterdruck in dem Hüllrohr 7 mit
Hilfe dieser Regel- und Auswerteeinrichtung 14 definiert
verändert.
Damit wird auch die Menge des Probegases 102, das der zweiten
Elektrode 5 zugeführt
wird, definiert verändert.
Bei einem konstanten O2-Wert des Probegases 102 kann
damit eine Überprüfung und
gegebenenfalls auch ein Abgleich im Betrieb ohne Testgas und ohne
Luft durchgeführt
werden.
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Um die Sauerstoffkonzentration des
Probegases 102 zu bestimmen, wird der Festelektrolyt 3 mit
Hilfe der Heizung 6 auf eine Betriebstemperatur größer 800°C aufgeheizt.
An die beiden Elektroden 4 und 5 wird eine Gleichspannung
zwischen 0,4 V und 1,0 V so angelegt, dass der negative Pol der
in 3 dargestellten Gleichspannungsquelle 16 an
der zweiten Elektrode 5 anliegt. Der freie Sauerstoff des
Probegases 102 wird und unter dem Einfluss der angelegten
Gleichspannung an der negativen Elektrode 5 ionisiert.
Die Sauerstoffionen werden zur positiven Elektrode 4 auf
der Innenfläche
des Festelektrolyten 3 transportiert, und dort zu molekularem
Sauerstoff entladen. Der durch den Festelektrolyten 3 fließende Strom
von Sauerstoffionen wird mit einem Milli-Amperemeter 17 gemessen. Der
Ionenstrom, der als Stromsignal der Sonde 2 gemessen wird,
hängt linear
von der Sauerstoffkonzentration und der Menge an Probegas 102 ab,
die pro Zeiteinheit der Elektrode 5 zugeführt wird.
Durch das Überprüfen mit
einem Gas bekannter Sauerstoffkonzentration beispielsweise Luft,
die 20,96 Vol.% Sauerstoff enthält,
kann die Menge an Probegas 100 bestimmt werden, die der Elektrode 5 zugeführt wird.
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Die in 4 dargestellte
Abgleichkurve zeigt, dass zur Sauerstoffmessung die Kenntnis des Proportionalitätsfaktors
oder der Probegasmenge nicht erforderlich ist. Es genügt, dem
mit Luft gemessenen Sondenstrom IL die Sauerstoffkonzentration O2 = 21 % zuzuordnen, und durch den so erhaltenen Abgleichpunkt
eine Gerade zum Nullpunkt mit l = 0 und O2 =
0 zu ziehen. Das bedeutet, dass die Justierung der Sonde 2 auf
einfache Weise durchgeführt werden
kann, indem dem gemessenen Luftwert 20,96 der Wert 21 Vol.% O2 zuordnet wird. Die lineare Charakteristik
der Sonde 2 hängt
bei geeignetem Aufbau der Sonde 2 und einer entsprechend
gewählten
Gleichspannung nur von der Menge des Probegases 102 ab.
Durch sie wird die Steigung der Abgleichgeraden bestimmt. Die Temperatur
des Festelektrolyten 3 und der Elektroden 4 und 5 geht
nicht explizit in das Messsignal der Sonde 2 ein. Sie bestimmt
jedoch den Innenwiderstand der Sonde 2, bzw. deren Grenzstrom
und damit den messbaren Sauerstoff-Konzentrationsbereich.
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Die Temperatur der Sonde 2 muss
weder gemessen noch geregelt werden. Sie darf nur einen kritischen
Wert, der von dem gewünschten
Messbereich abhängt,
nicht unterschreiten. Für
die Messung von Sauerstoffkonzentrationen bis 21 Vol.% Luftsauerstoff
beträgt
die Arbeitstemperatur der Sonde 2 etwa 800°C. Die im
Bild dargestellt statische Sondenkennlinie l = f(O2)
zeigt, dass die Messgenauigkeit von der Temperatur der Sonde 2 und
Sauerstoffkonzentration weitgehend unbeeinflusst bleibt.
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Mit Hilfe einer stromproportionalen
Sondenspannung und der Kompensation von Druck- und Temperatureinflüssen an
der durchflussbestimmenden Kapillare 9 wird bei der Bestimmung
des Sauerstoffgehalts in den nicht brennbaren Gasen 100 aller gebräuchlichen
Brennstoffe eine Messgenauigkeit erreicht, deren Abweichung kleiner
ist als 0,2 Vol.% Sauerstoff.
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Die Alterung der Sonde 2 im
Langzeitbetrieb wird durch die Messung des elektrischen Sondenwiderstands
im Rahmen der automatischen Kalibrierung erfasst. Falls es erforderlich
ist, wird sie durch eine Erhöhung
der Temperatur der Sonde 2 in Stufen von beispielsweise
5 Watt Heizleistung kompensiert.
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Die Erfindung beschränkt sich
nicht nur auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr umfasst
sie alle Variationen an Verfahren und Vorrichtungen, die dem Kern
der Erfindung zugeordnet werden können.