DE2900047C2 - Sonde zur gleichzeitigen Ermittlung der Temperatur und Sauerstoffaktivität von Schmelzen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Sonde zur gleichzeitigen Ermittlung der Temperatur und Sauerstoffaktivität von Schmelzen und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE2900047C2
DE2900047C2 DE19792900047 DE2900047A DE2900047C2 DE 2900047 C2 DE2900047 C2 DE 2900047C2 DE 19792900047 DE19792900047 DE 19792900047 DE 2900047 A DE2900047 A DE 2900047A DE 2900047 C2 DE2900047 C2 DE 2900047C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonde der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Eine derartige Sonde ist Gegenstand eines älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Vorschlags (Patentanmeldung P 28 33 3973). Bei der älteren Ausführungsform ist jedoch das Trägerröhrchen bis auf einen den Durchgang des kurzen Platindrahts gerade gestattenden Querschnitt zugeschmolzen. Der Platindraht wird von innen durchgesteckt und außenseitig des zugeschmolzenen Endes zu einer Kugel verschmolzen, worauf eine Beschichtung des Endes des Trägerröhrchens mit der Vergleichssubstanz und anschließend mit dem Feststoffelete folyten erfolgt
Bei dieser Ausführungsform ist die Handhabung des Thermoelements mit dem angeschweißten kurzen Platindraht, um diesen durch die enge Öffnung am zugeschmolzenen Ende des Trägerröhrchens hindurchzubringen, nicht einfach. Das Anschmelzen der Kugel in unmittelbarer Nähe des zugeschmolzenen Endes des Trägerröhrchens ist ebenso erschwert wie es nicht einfach ist, eine haltbare und dichte Beschichtung auf der Außenseite des zugeschmolzenen Endes und der angeschmolzenen Kugel aufzubringen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, die Herstellung einer Sonde der dem Oberbegriff zugrundeliegenden Art zu erleichtern und die Beschichtung mit der Vergleichssubstanz zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
Durch deren Merkmale ist erreicht., daß das Anschmelzen der Kugel an dem kurzen Platindraht und die Beschichtung der Kugel außerhalb des Trägerröhrchens erfolgen können. Das Anschmelzen der Kugel an dem frei vorstehenden und frei handhabbaren Ende des kurzen Platindrahts läßt sich wesentlich leichter durchführen, als wenn in unmittelbarer Nähe der sich bildenden Kugel Teile der Wandung des Trägerröhrchens vorhanden sind, die miterhitzt werden und den freien Zutritt der Flamme zu der sich bildenden Kugel stören. Auch hat es sich in der Praxis gezeigt, daß die Beschichtung der Kugel mit der Vergleichssubstanz sich sehr leicht durchführen läßt Die Kugel kann beispielsweise durch Flammspritzen mit einer Chromschicht versehen werden, die teilweise oxydiert, so daß sich von selbst die als Vergleichssubstanz geeignete Mischung Cr/CoOj bildet. Das Trägerröhrchen wird erst nach diesem Vorgang mit dem die beschichtete Kugel tragenden und inzwischen mit den beiden Thermoelementschenkel verschweißten kurzen Platindraht zusammengebracht. Dies kann durch Einfädeln der beiden Thermoelementschenkel in die Öffnung des Trügerröhrchens erfolgen, was leicht zu bewerks:eiligen ist. im Gegensatz zur Einbringung des kurzen Platindrahts in die enge Öffnung am Boden des Trägerröhrchens bei
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der alteren Ausführungsform,
Aus der DE-OS 20 07 074 ist eine Sonde bekannt, die ein zwei Kanäle für die beiden Schenkel eines Thermoelements aufweisendes Thermoelementschutzrohr umfaßt, welches auf der Seite der Schweißsteile der beiden Schenkel eine Vertiefung aufweist, die eine Füllung aus porösem gesintertem Chrommetall aufweisen solL Es fehlt also der kurze Platindraht der Erfindung, der einen Abstand von der Schweißstelle schafft und die Handhabung vereinfacht. Die saubere Einbettung der beiden Thermoelementschenkel bei der bekannten Ausführungsform ist unter Produktionsverhältnissen schwierig und führt leicht zu einem Abknicken der Schenkel Weil nicht nur eine Kugel beschichtet, sondern die Schweißstelle in eitte größere Menge der Vergleichssubstanz eingebettet wird, kommt es wegen der Wärmedehnungsverhältnisse leichter zu einem Abplatzen des spröden Feststoffelektrolyten.
In der bevorzugten Ausführungsform weist die Kugel eine weitere, äußere, nur auf die Kugel aufgebrachte Beschichtung mit dem Feststoffelektrclyten auf.
Es ist hierbei die gesamte Meßfunktion der Sonde an der Kugel vereinfach L
Es ist aber auch möglich, daß die mit der Vergleichssubstanz beschichtete Kugel und das andere Ende des Trägerröhrchens eine gemeinsame äußere Beschichtung mit dem Feststoffelektrolyten aufweisen.
In der praktisch in Betracht kommenden Ausführungsform ist das Trägerröhrchen auf der Öffnungsseite gemäß Anspruch 2 glatt abgeschnitten.
Die an den kurzen Platindraht angeschmolzene Kugel mit der Beschichtung bzw. den Beschichtungen muß dabei etwas dicker als der Innenquerschnitt des Trägerröhrchens sein, damit die Kugel vor der Öffnung des Trägerröhrchens sitzenbleibt und nicht hineinrutscht. Das Trägerröhrchen kann und soll also einen recht geringen Querschnitt aufweisen, der gerade zur Aufnahme der beiden Schenkel des Thermoelements, von denen einer mit Isolierröhrchen überzogen ist. ausreicht.
Die Merkmale des Anspruchs 5 dienen im Falle der vor der Montage mit zwei Beschichtungen versehenen Kugel der Festlegung und insbesondere Abdichtung der Kugel am Öffnungsrand des Trägerröhrchens. Im Falle der zunächst nur mit der Vergleichssubstanz beschichteten Kugel ist die Verkittung für die Haltbarkeit wichtig, weil die anschließend auf die Vergleichssubstanz und den unteren Bereich des Trägerröhrchens aufgebrachte Beschichtung mit dem Feststoffelektrolyten wegen dessen Sprödigkeit mechanisch wenig beanspruchbar ist, so daß diese Beschichtung durch eventuelle Bewegungen einer nicht verkitteten Kugel zumindest stellenweise abplatzen könnte.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf die die Zusammenfügung der Sonde betreffenden verfahrensmäßigen Merkmale.
Anspruch 6 kennzeichnet ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde nach Anspruch 2, Anspruch 7 ein solches zur Herstellung einer Sonde nach Anspruch 3.
Damit durch eventuelle Bewegungen der beschichteten Kugel vor dem Öffnungsrand des Trägerröhrchens der Fcststoffeiektrolyt mechanisch nicht beansprucht wird, empfiehlt es sich, die beschichtete Kugel gemäß Anspruch 8 zu verkitten.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispieie der erfindungsgemäßen Sonde dargestellt.
Fig. 1 und 2 zeigen Längsschnitte. Die in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnete Sonde umfaßt ein Trägerröhrchen 1 aus einem geeigneten feuerfesten Material, z. B. AhOj oder auch ein Cermet. Das Trägerröhrchen t ist am unteren Öffnungsrand 2 glatt abgeschnitten. An der dortigen Öffnung 3 befindet sich im Trägerröhrchen 1 ein kurzer, d. h. etwa 1 cm langer, Platindraht 4 von ca.
ι» 0,5 mm Stärke, der an der Stelle 5 mit den Schenkeln 6 und 7 eines zum anderen Ende des Trägerröhrchens 1 hin aus diesem herausführenden Thermoelement verschweißt ist.
An dem aus dem Trägerröhrchen 1 hervorstehenden r' Ende besitzt der kurze Plaiindraht 4 eine angeschmolzene Kugel 8, die von einer Beschichtung 9 mit einer Vergleichssubstanz umgeben ist. Die Beschichtung 9 kann beispielsweise aus Cr/Cr?Oj bestehen und durch Flammspritzen von Chrom auf die Kugel 8 aufgebracht sein, wobti ein Teil des Chroms von selbst zu Chromoxid oxydiert.
Auf der. Beschichtung 9 mit der Vert'eichssubstanz sitzt eine weitere Beschichtung il mit einem Feststoffelektrolyten, beispielsweise mit kalziumstabilisiertem
-"> ZrO2. Auch diese Beschichtung kann durch Flammspritzen aufgebracht sein.
Rund um die Anlagezone herum ist die Kugel 8 mit den Beschichtungen 9, 11 am Öffnungsrand 2 durch einen feuerfesten Kitt 12 festgelegt, der sich auch noch
!" etwas in das Trägerröhrchen 1 hineinerstreckt, so daß sich eine einwandfreie Festlegung der Kugel 8 mit den Beschichtungen 9, 11 und eine Abdichtung des Inneren des Trägerröhrchens 1 gegen die Schmelze ergeben.
Die Ausführungsform 20 der Fig.2 entspricht im
*■> wesentlichen der Ausführungsform 10 und ist insoweit mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß auf die Beschichtung 9 mit der Vergleichssubstanz nicht sogleich, d. h. bei außerhalb des Trägerröhrchens 1 befindlicher Kagel 8
4(1 eine weitere Beschichtung 11 mit dem Feststoffelektrolyten aufgebracht worden ist, sondern daß zunächst die Kugel 8 mit der Beschichtung 9 mit Hilfe des Kitts 12 in dem Trägerröhrchen 1 festgelegt und danach eine Beschichtung 13 mit dem FeststoffelektrolytRn aufge-
■r> bracht worden ist, die sich sowohl über die mit der Beschichtung 9 versehene Kugel 8 als auch über den unteren Teil des Trägerröhrchens 1 erstreckt. Die EMK ergibt sich in dem Bereich, in dem die Beschichtung 13 die Beschichtung 9 überdeckt. Auf dem Umfang des
'" Trägerröhrchens 1 hat die Beschichtung 13 die Funktion, den Ther?noschock beim Eintauchen in die Schmelze zu mildern.
Wegen der geringen Größe und Masse der Sonden 10. 2t besitzen diese bei der Messung eine geringe
'"' Trägheit. Die Temperatur wird an der Stelle 5 durch das Thermoelement 6, J gemessen. Die Stelle 5 ht von der Vergleichssubstanz 9 nur wenig entfernt und steht mit dieser über den kurzen Platindrahl 4 in einer gut wärmeleitenden Verbindung. Der Platindrahl 4 bildet auch die elektrische Verbindung zur Vergleichssubstanz 9. Einer der Schenkel 6, 7 des Thermoelements dient außer zur Temperaturmessung gleichzeitig zur Weiterleitung des sich an der Vergleichssubstanz 9 gegenüber der Schmelze einstellenden Potentials.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Sonde zur gleichzeitigen Ermittlung der Temperatur und Sauerstoffaktivität von Schmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, unter Eintauchen der Sonde in die Schmelze, mit einem feuerfesten Trägerröhrchen, welches die !schenkel eines Thermoelements enthält, dessen !Schweißstelle in der Nähe eines Endes des Trägerröhrchens gelegen und mit einem kurzen Platindraht verbunden ist, der aus dem Ende des Trägerröhrchens herausreicht und außen eine angeschmolzene Kugel trägt, die in eine Vergleichssubstanz bekannter Sauerstoffaktivität eingreift, die wiederum durch einen bei der Temperatur der Schmelze überwiegend sauerstoffionenleitenden und vernachlässigbar elektronenleitenden Feststoffelektrolyten von der Schmelze getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die' Kugel (8) von einer nur auf die Kugel (8) aufgebrachten Beschichtung (9) mit der Vergleichssubstanz umgeben ist. daß die Öffnung (3) des Trägerröhrchens (1) einen größeren Durchmesser als die Schweißstelle (5), jedoch einen kleineren Durchmesser als der Außenumfang der beschichteten Kugel (8) aufweist und daß· das Trägerröhrchen (1) mit dem Öffnungsrand (2) am Außenumfang der beschichteten Kugel (8) anliegt
2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (8) eine weitere, äußere, nur auf die Kugel (8) aufgebrachte Beschichtung (11) mit dem Feststoffelektrolyten aufweist
3. Sonde nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Vergieionssubstanz beschichtete Kugel (8) und das untere Ende dss Trägerröhrchens (1) eine gemeinsame äußere 'Teschichtung (13) mit dem Feststoffelektrolyten aufweisen.
4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerröhrchen
(I) auf der der Kugel (8) zugewandten Öffnungsseite glatt abgeschnitten ist.
5. Sonde nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone, in der die beschichtete Kugel (8) am Öffnungsrand (2) des Trägerröhrchens (1) anliegt, vom einer ringförmigen Zone eines feuerfesten Kitts (12) umgeben ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an ein Ende eines kurzen Platindrahts (4) eine Kugel (8) angeschmolzen wird, daß die Kugel (8) mit Beschichtungen (9) aus der Vergleichssubstanz und
(II) aus dem Feststoffelektrolyten umgeben wird, daß am anderen Ende des Platindrahts (4) die beiden Schenkel (6,7) eines Thermoelements angeschweißt werden, und daß über die Schenkel (6, 7) des Thermoelements und den Platindraht (4) ein Trägerröhrchen (1) bis zur Anlage an der beschichteten Kugel (8) geführt wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an ein Ende eines kurzen Platindrahts (4) eine Kugel (8) angeschmolzen wird, daß die Kugel (8) mit einer Beschichtung (9) aus der Vergleichssubstanz umgeben wird, daß am anderen Ende des Platindrahts (4) die beiden Schenkel (6, 7) eines Thermoelements angeschweißt werden, daß über die Schenkel (6, 7) des Thermoelements und den Platindraht (4) ein Trägerröhrchen (1) bis zur Anlage an der beschichteten Kugel (8) geführt wird, und daß der der Kugel (8) zugewandte Teil des Trägerröhrchens (1) und die beschichtete Kugel (8) mit einem Oberzug (13) aus dem Feststoffelektrolyten versehen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß nach der Heranführung des Trägerröhrchens (I) an die beschichtete Kugel (8) diese rings um den Öffnungsrand (2) des Trägerröhrchens (1) mit einem feuerfesten Kitt (12) verkittet wird.
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