DE2206589B2 - Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehalts eines Strömungsmittels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehaltes eines Strömungsmittels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bisher wurden Geräte zur Messung des Sauerstoffgehaltes eines Strömungsmittels bei Temperaturen über annähernd 700⁰C im Labormaßsiab entwickelt und gebaut, wobei als Strömungsmittel auch geschmolzener Stahl infrage kam. Für die praktische Arbeit wurde deshalb bereits ein preiswertes Gerät gebaut, das sich nur einmal verwenden läßt und als wesentliche Bestandteile einen massiven Elektrolytknopf, der mit dem Strömungsmittel in Berührung bringbar ist, ferner ein metallisches, mit dem Elektrolytknopf in Berührung stehendes Sauerstoffbezugsmaterial, das sich bei Betriebstemperatur nicht verflüchtigt, und ein Thermoelement sowie ein Schutzrohr für letzteres und das Bezugsmaterial aufweist.

Der Nachteil dieses bekannten Gerätes ist "or allem darin zu sehen, daß es nur einmal benutzt werden kann, wodurch bei der mehrfachen Messung des Sauerstoffgehaltes von Strömungsmitteln bei erhöhter Temperatur erhebliche Kosten entstehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein solches Gerät so auszubilden, daß es wiederholt benutzt werden kann, auch wenn diese Ausbildung gegenüber dem einmal benutzbaren Gerät eine gewisse Verteuerung mit sich bringt.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Ein wesentlicher Gedanke dieser Lösung ist die Verwendung eines Innenrohrs, bestehend aus einem Oxid des Metalls des Saucrstoffbezugsmaterials, das als elektronischer Leiterweg wirkt, dessen äußeres Ende durcn den Elektrolytknopf abgedichtet wird und das mit dem Knopf in Berührung stehende Bezugsmaterial enthält.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

5^r> Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargeste'lten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform und

F i g. 2 eine teilweise weggebrochene und geschnittene Aufrißansicht einer anderen Ausführungsform.

In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 2 ein metallenes inneres Oxidrohr, dessen unteres oder Süßeres Ende durch einen Elektrolytknopf 4 dicht verschlossen ist. Der Flektrolytknopf 4 besteh aus Zirkonoxid, ZrO₂, das 3 bis 10% CaO enthält. Das obere oder innere Ende des !nnenrohres 2 ist durch eine Moiybdänkappe 6 abgedichtet. Um die bestmögliche

Arbeitsweise zu erreichen, wird der Elektrolytknopl 4 so klein wie möglich gehalten. In dem Innenrohr 2 befindet sich ein Sauerstoffbezugsmaterial 8, das mit dem Elektrolytknopf 4 in Berührung steht. Das Bezugsmaterial 8 muß ein Material sein, das sich bei der Betriebstemperatur nicht verflüchtigt, und vorzugsweise wird dafür Chrom oder eine Chromlegierung verwendet, beispielsweise eine Ni-Cr-Legierung. Zu diesem Zweck können jedoch auch Mo, Ta oder eine Legierung dieser Elemente benutzt werden. Das Innenrohr 2 muß ein Oxid des Bezugsmetalls sein, darf bei der Betriebstemperatur nicht schmelzen und muß bei dieser Temperatur als elektronischer Leiter wirken. Das Innenrohr 2 besteht vorzugsweise aus Cr2O> Durch die Kappe 6 erstreckt sich ein Thermoelement 10, dessen unteres Ende in das Innenrohr 2 hineinreicht Das Thermoelement 10 kann ein genormter, geradegerichteter Bautyp sein, dessen beide Drähte durch einen hitzebeständigen Zwei-Loch-Isolator laufen, ist jedoch in der Regel ein genormter U-Rohr-Typ, in dem ein Draht in jedem Schenkel des U-Rohres befestigt und in der Mitte des Rohres verbunden ist. Ein derartiges T! ermoelement zeigt die USA-Patentschrift 29 99 121 oder die USA-Patentschrift 32 98 874. Ein hitzebeständig isolierter Molybdändraht 12 erstreckt sich durch die Kappe 6 hindurch in das Innenrohr 2 hinein und wird durch die Feststellschraube 14 an Ort und Stelle gehalten. Ein Schutzrohr 16 aus Quarz un gibt das Innenrohr 2 und steht mit seinem unteren Ende mit dem Elektrolytknopf 4 in Dichtungsberührung, wobei sich der Elektrolytknopf 4 nicht über das Ende des Schmelzrohres 16 hinauserstreckt. Das Schmelzrohr 36 ist an seinem oberen Ende mit einem radial nach außen gerichteten Flansch 16F versehen. Zur Erzielung des bestmöglichen Betriebs sollte zwischen den Rohren 2 und 16 ein geringer Spalt von beispielsweise I mm vorgesehen werden, um dadurch zu verhindern, daß das Schmelzrohr 16 infolge der Wärmedehnung bricht. Ein äußeres oder aus einer Keramik-Metallverbindung bestehendes Rohr 18, umgibt eng das Schutzrohr 16 und besitzt einen nach innen zu abgeschrägten Boden, in dem sich eine öffnung befindet, durch die hindurch der Elektrolytknopf 4 dem zu analysierenden Strömungsmittel F ausgesetzt wird. Das Rohr 18 muß aus einem Material bestehen, das ein elektronischer Leiter ist und bei Betriebs- oder Verwendungstemperatur nicht schmilzt. Seine metallische Phase sollte derjenigen der Kappe 6 und des Drahtes 12 entsprechen, ^a sonst eine thermoelektrische Korrektur der von der elektrolytischen Zelle gelieferten Werte vorgenommen werden müßte. Vorzugsweise wird ein Gemisch aus AI2O3 und Molybdän benutzt. Eine mit einem Innengewinde versehene Hülse 20 umgibt die Flansche 16Fund 18F und ist mit einem Bodenflansch 2OF versehen, der an dem Flansch 18F anliegt. Eine Kappenschraube 22, die einen mit Gewinde versehenen reduzierten Durchmesserteil 24 hat, ist mit diesem Gewinde in die Hülse 20 eingeschraubt und hält so die Teile zusammen. Die Kappenschraube 22 weist Durchgangslöcher 26 für die isolierten Thermoelemenitirähte 10 und den Draht 12 auf. Ein Draht 28, di^r aus Molybdän bestehen kann, ist mit Hilfe einer Schraube Λ) an der Kappenschraube 22 befestigt. Die Hülstf 20 <itid die Kappenschraube 22 müssen elektrisch leitend i\;in und werden vorzugsweise aus dem gleichen Metall hergestellt, das als, Metallphase bei dem aus einer Keramik-Metall-Verbindung bestehenden Rohr 18 benutzt wird, wobei, wenn diese Teile aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, kein wesentlicher thermoelektrischer Fehler entsteht, falls die Benutzung bei einer im wesentlichen einheitlichen Temperatur erfolgt- Die Thermoelementdrähte 10 und Drähte 12 und 28 sind an ein Potentiometer 32 angeschlossen. Wenn die zusammengebaute Einheit in einem Metallbad F angeordnet werden soll, wobei ein Teil des Keramik-Metall-Rohres 18 der Schlacke oder dem Strömungsmittel ausgesetzt wird, wird ÜDer diesem Teil des Rohres 18, der auf diese Weise freiliegt, vorzugsweise eine hitzebeständige Schutzhülse 34 aus einem Material angeordnet, das gegen Temperaturen über 700⁰C beständig und auch oxidationsbeständig ist. Aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid hergestellte Hülsen gelten beispielsweise als derartige schützende, hitzebeständige Materialien, wobei jedoch andere hiizebeständige Oxide oder Oxidkombinationen nicht ausgeschlossen sind. Dazu kommt, daß dann, wenn der Fühler während des Eintauchens eine Schlackenschicht durchdringen soll, eine Metallkappe 36 über dem Ende des Fühlers plaziert wird, um den Elektrolyten zu schützen. Diese Kappe 36 muß aus einem Material gefertigt sein, das schmilzt, wenn es mit dem geschmolzenen Metall in Berührung kommt. Beim Messen des Sauerstoffgehaltes von Stahl wird gewöhnlich eine stählerne Schutzkappe 36 benutzt. Um zwischen dem Elektrolytknopf 4 und dem Schutzrohr 16 aus Quarz einen dichten Paßsitz herzustellen, kann das Schutzrohr 16 so erhitzt werden, daß es rund um den Elektrolytknopf 4 ausfließt. Ein anderes Verfahren besteht darin, den Elektrolytknopf 4 so präzise zu schleifen, daß er gerade in das Schutzrohr 16 hineinpaßt. In jedem Fall sollte das Ende des Schutzrohres 16 nicht über den Elektrolytknopf 4 hinausragen und abgeschliffen werden, falls dies erforderlich ist.

Im Betriebszustand läßt sich der Fühler entweder von oberhalb des Metallbades z.T. in das Bad eintauchen, und zwar etwa um die Hälfte seiner Länge, oder in der Seitenwand oder Bodenwand eines hitzebeständigen Behälters, beispielsweise einer Stahlgießpfanne installieren. Das geschmolzene Metall F das eine unbekannte Menge gelösten Sauerstoff enthält, kommi mit dem freiliegenden Ende des Elektrolytknopfes 4 in Berührung und auch mit dem freiliegenden Ende des Keramik-Metall-Rohres 18, das ein elektrischer Leiter ist. Auf diese Weise entsteht von Elektrolytknopf 4 aus über das Rohr 18, die Hülse 20, die Kappenschraube 22 und den Draht 28 zu dem Potentiometer 32 eine elektrische Verbindung. Außerdem wird eine elektrische Verbindung von dem Elektrolytknopf 4 aus über das Bezugsmaterial 8, das Oxidrohr 12, die Kappe 6 und den Draht 12 zum anderen Anschlußpol des Potentiometers 32 hergestellt. Aus der abgelesenen EMK läßt sich in Verbindung mit der Temperatur mathematisch durch geeignete bekannte Formeln der Sauerstoffgehalt errechnen.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsform wird eine Sonde 44 benutzt. Anstelle des Rohres 18 wird eine separate Stange 40 verwendet, die aus dem gleichen Material besteht wie dieses Rohr. Das eine Ende der Stange 40 wird in das Strömungsmittel F eingetaucht und das andere Ende über einen Leiterdraht 42 mit dem Potentiometer 32 verbunden. Diejenigen Teile der Sonde 44, die sich innerhalb des Schutzrohres 16' belinden, entsprechen den bei der ersten Ausführungsform beschriebenen und sind hier auch mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Rohr 16' unterscheidet sich von dem Rohr 16 dadurch, daß der Flansch 16F weggelassen ist.

Eine schützende Aluminiumoxidhülse 46, die die Hülse 34 ersetzt, umgibt das Rohr 16' und ist durch einen hitzebeständigen Klebstoff an dieses Rohr angeklebt. Die Hülse 46 hat an ihrem äußeren Ende einen radialen Flansch 46F. Eine schützende Metallkappe 36' kann über dem unteren Ende des Rohres 16' aus denselben Gründen wie die Kappe 36 in Fig. I vorgesehen werden. Die Ausführungsform nach F i g. 2 ist nicht so teuer wie die zuerst beschriebene Ausführungsform, da die Kosten der Stange 40 erheblich geringer sind als die Kosten des Rohres 18. Die Betriebsweise dieser Ausführungsform entspricht im wesentlichen derjenigen der ersten Ausführungsform.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffgehaltes eines Strömungsmittels, insbesondere flüssigen Stahls, bei einer Temperatur über annähernd 700°C, mit einem massivem Elekirolytknopf, der mit dem Strömungsmittel in Berührung bringbar ist, ferner mit einem metallischen, mit dem Elektrolytknopf in Berührung stehenden Sauerstoffbezugsmaterial, das sich bei Betriebstemperatur nicht verflüchtigt, einem Thermoelement, einem mit dem Strömungsmittel in Berührung bringbaren elektrischen Leiter und mit einem Schutzrohr für das Bezugsmaterial, das Thermoelement und den elektrischen Leiter, die durch elektrische Anschlüsse mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sind, welche die durch die Berührung des Strömungsmittels und durch dessen Temperatur entwickelte EMK anzeigt, wobei die das Thermoelement mit der Anzeigeeinrichtung verbindenden Leitungen von einem Schutzrohr umschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenrohr (2), das aus einem Oxid des Metalls des Sauerstoffbezugsmaterials (8) besteht, als elektrischer Leiterpfad vorgesehen ist, dessen äußeres Ende durch den Flektrolytknopf (4) abgedichtet ist und das mit dem Elektrolytknopf (4) in Berührung stehende Bezugsmaterial (8) enthält, daß ein Leiterdraht (12) das innere Ende des Innenrohres (2) in das das Thermoelement (10) hineinreicht, elektrisch mit der Anzeigeeinrichtung (32) verbindet, daß das Schutzrohr (16, 16'), das das Innenrohr (2) umgibt, den Leiterdraht (12) des Innenrohrs (2) umschließt und mit seinem äußeren Ende mit dem Elektrolytknopf (4) in Dichtungsberührung steht, und daß der elektrische Leiter (18,40) außerhalb des Schutzrohres (16,16') angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (18) ein äußeres Rohr bildet, das das Schutzrohr (16) umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kappe (6) das innere Ende des Innenrohres (2) abdichtet, und daß der Leiterdraht (12) und die Leitungen (26) des Thermoelementes (10) durch diese Kappe (6) hindurchgeführt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (6) mit dem Leiterdraht (12) des Innenrohres (2) in elektrischem Kontakt steht, und daß diese Kappe (6) und das Rohr (2) aus Molybdän gefertigt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Schutzhülse (34), die das innere Ende der äußeren Hülse (18) umgibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen von dem inneren Ende des Schutzrohres (16) radial nach außen gerichteten Flansch (16F^, einen von dem inneren Ende der äußeren Hülse (18) radial nach außen weisenden Flansch (18FJ, der an dem Flansch (16FJ auf dem Schutzrohr (16) anliegt, eine diese beiden Flansche umgebende, mit einem Innengewinde versehene Hülse (20), die mit einem Flansch (20FJ versehen ist, der den an dem äußeren Rohr (18) befindlichen Flansch (18FJberührt, eine in die Hülse (20), die elektrisch leitend ist, eingeschraubte, ebenfalls elektrisch leitende Kappenschraube (22), und durch eine Leitung (28), die die Kappenschraube (22) mit der Anzeigeeinrichtung (32) verbindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekenn-

zeichnet, daß die Hülse (20) und die Kappenschraube (22) aus rostfreiem Stahl bestehen.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Schutzhülse (34) an dem Flansch (18FJ des äußeren Rohres (18) anliegt

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2) aus O2O3 und der Knopf (4) aus Ζ1Ό2 bestehen, wobei letzterer 3 bis 10% CaO enthält, daß das Bezugsmaterial (8) aus einem Material der aus Chrom und Chromlegierungen bestehenden Gruppe ist, und daß der elektrische Leiter (12) aus einem Gemisch aus AI₂O₃ und Molybdän besteht