DE2903655A1 - Sauerstoffmesseinrichtung - Google Patents
SauerstoffmesseinrichtungInfo
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Description
Sauerstoffmeßeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffmeßeinrichtung mit einem Sauer Stoffs ens or, der eine elektrochemische Zelle mit einem
Feststoff elektrolyt umfaßt, um Sauerstoff in einer industriellen
Gasatmosphäre zu überwachen, welche für den Sensor schädliche, teilchenförmige und/oder korrosive Bestandteile enthält.
Eine derartige Meßeinrichtung kann zum Feststellen von bestimmten Gasen in industriellen Gasatmosphären, z.B. der
Flammatmosphäre in Öfen, Verwendung finden und ist insbesondere im Gebrauch bei der Herstellung von Stahl bzw. bei
der Herstellung von Zement in Schachtofen. Die Durchführung der Abtastung der Gasatmosphäre bzw. der Feststellung der
Anteile eines bestimmten Gases ist äußerst schwierig, wenn große Mengen von festteilchenförmigen Substanzen dazu tendieren,
die mechanischen Filter zu verstopfen, die in Verbindung mit derartigenGassensoren Verwendung finden. Gasförmige
Metallkomponenten und Schwefelstoffe können eine rasche Verschlechterung der Abtasteigenschaften der Sensorelektrode
bewirken.
Es ist
Fs/ai
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Es ist daher wünschenswert, ein nichtporöses Filter vorzusehen, das die nötigen Durchlaßeigenschaften für das abzutastende
Gas, z. B. Sauerstoff zeigt und den Sensor für Beschädigung durch festteilchenförmige Substanzen oder auch
schädliche gasförmige Substanzen schützt. Insbesondere soll die Sauerstoffgaskonzentration auf beiden Seiten des
Filters konstant sein und sichergestellt werden, daß die Schwierigkeiten, die durch Verstopfen von Filtern beim Stand
der Technik auftreten, vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein nicht poröses F eststof filter mit einer ausreichenden Sauerstoffionenleitfähigkeit
bei erhöhter Temperatur Verwendung findet, und daß das Feststoffilter in einem Abstand von dem
Sauerstoffsensor zwischen diesen Sensor und der Gasatmosphäre angeordnet ist, um den Sauerstoffsensor vor einem direkten
Kontakt mit der industriellen. Gasatmosphäre zu schützen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Mit Hilfe eines Feststoffilters gemäß der Erfindung läßt sich ein in eine industrielle Gasatmosphäre mit schädlichen, gasförmigen
und teilchenförmigen Substanzen eingesetzter Sauerstoffsensor gegen Beschädigung schützen, indem zwischen
den Sensor und die Atmosphäre das Feststoffilter eingefügt wird. Da das Feststoffilter leitfähig ist für Sauer stoff ionen
und freie elektrische Ladungsträger, herrscht auf beiden Seiten des Filters dieselbe Sauerstoffkonzentration, so daß
der Sauerstoffsensor abgeschirmt gegen die schädlichen Stoffe die Konzentration der Sauerstoffatmosphäre im industriellen
Gas überwachen kann.
Die Vor-
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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit den Ansprüchen und der aus einer Fig. bestehenden Zeichnung, die eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
In der Zeichnung ist eine Sauerstoffmeßeinrichtung in schemati
scher Darstellung gezeigt, die als bevorzugte Ausführungsform nach den Merkmalen der Erfindung aufgebaut ist. Diese
Sauerstoffmeßeinrichtung umfaßt ein elektrochemisches Filter 10, das aufgrund seiner Positionierung einen Sauerstoffsensor
20 gegen gasförmige und teilchenförmige Substanzen isoliert, die in einer industriellen Gasatmosphäre G vorhanden
sind, wogegen aufgrund der Leitfähigkeit für Sauerstoffionen der in der Gasatmosphäre G vorhandene Sauerstoff
zum Sauerstoffs ensor 20 transferiert wird. Der Sauerstoffsensor 20 liefert bei erhöhten Temperaturen aufgrund
der sich ausbildenden elektromotorischen Kraft ein Signal, das den Sauerstoffgehalt in der Gasatmosphäre G kennzeichnet
und mit Hilfe eines Voltmeters 50 meßbar ist.
Der Sauerstoffsensor ist als elektrochemische Zelle mit einem Festelektrolyt dargestellt und besteht aus einem rohrförmigen
Festelektrolyt 22 mit einer inneren Elektrode 24 und einer äußeren Elektrode 26, die im innigen Kontakt mit dem
Festelektrolyt 22 steht.
Eine stabile Sauerstoffbezugsatmosphäre R, wie z. B. Luft, ist innerhalb des rohrförmigen Festelektrolyt 22 und in
Kontaktberührung mit der inneren Elektrode 24 vorgesehen, welche als Sauerstoffbezugselektrode fungiert. Der von
dem
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dem elektrochemischen Filter 10 aus der industriellen Gasatmosphäre
G übertragene Sauerstoff kommt in Kontaktberührung mit der äußeren Elektrode 26, die als Sensorelektrode wirksam
ist. Der Sauerstoffdifferentialdruck zwischen den Elektroden und 26 bewirkt die Erzeugung des mit dem Voltmeter 50 meßbaren
EMK-Signals, das, wie bereits erwähnt, den Sauerstoffgehalt
in der industriellen Atmosphäre G kennzeichnet. Der Aufbau und die Wirkungsweise des Sauerstoffsensors 20 in
Form der elektrochemischen Zelle mit einem Festelektrolyt ist in den US-PS 3 347 767, 3 546 086 undUS - reissue PS 28
im Detail beschrieben.
Im Gegensatz zu konventionellen Filtern, welche aufgrund der mechanischen Porosität den Sauerstoff aus der Gasatmosphäre
zum gasgeschützten Sensor passieren lassen - ein derartiges Gerät ist in der US-PS 3 928 161 beschrieben - besitzen elektrochemische
Filter 10 im wesentlichen keine mechanische Porosität, sondern übertragen den Sauerstoff aus der industriellen
Gasatmosphäre G zum Sauerstoff sensor 20 aufgrund der Sauer stoff ionenleitfähigkeit sowie der Elektronenleit-
fähigkeit des Filters. Ein deratiges elektrochemisches Filter 10 besteht aus einem gemischten Leiter, der sowohl in der
Lage ist, Elektronen als auch Sauerstoffionen zu leiten, wenn er auf einer genügend hohen Temperatur gehalten wird. Diese
Temperatur wird mit Hilfe einer Heizung 60 eingestellt. Dabei
tritt im wesentlichen eine Sauerstoffionenwanderung von der industriellen Gasatmosphäre G zur Sensorelektrode 26 des
Sauerstoff sensor s 20 auf. Das elektrochemische Filter 10 hat eine gemischte Oxidzusammensetzung, die die Sauer stoff ionenleitfähigkeit
und die Leitfähigkeit für die elektrischen Ladungsträger
bewirkt. Durch diese Eigenschaft werden nicht nur teilchenförmige Substanzen, sondern auch gasförmige Substanzen
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stanzen außer Sauerstoff von dem Sensor ferngehalten.
Eine gemischte Oxidzusammensetzung, die die Funktion des elektrochemischen Filters bewirkt, besteht aus einem Cermet
und beispielsweise aus einem Gemisch von Platin mit stabilisierter Zirkonerde oder einem mit Zirkonerde dotierten Metalloxid, welche
sowohl die Sauerstoffionenleitfähigkeit als auch die Leitfähigkeit für Ladungsträger hat.
Die Zirkonerde kann auch durch andere geeignete Materialien ersetzt werden, wie z.B. Cererde, Thorerde, Hafnia, Magnesia
oder gemischte Oxide, welche aus Mischungen der Oxide seltener Erden mit Chrom, Titan, Nickel und Kobaltoxid bestehen. Hauptkriterium
für die Brauchbarkeit für elektrochemische Filter in Verbindung mit Sauerstoffsensoren ist die gute Leitfähigkeit
für Sauer st off ionen und eine ausreichende Leitfähigkeit
für elektrische Ladungsträger, um den Sauerstofftransfer durch das Filter sicherzustellen. Je höher die Temperatur
liegt, um so schneller spricht das Filter an. Im Fall der Verwendung von Zirkonerde ist eine Temperatur über 700 C
wünschenswert, wobei die Leitfähigkeit für die elektrischen Ladungsträger innerhalb derselben Größenordnung liegen
sollte wie die Ionenleitfähigkeit.
Zusammensetzung des elektrochemischen Filters 10 muß ihre mechanische Unversehrtheit behalten, wenn es der
industriellen Gasatmosphäre G ausgesetzt wird. Platin-Zirkonerde-Cermet
stellt ein solches stabiles Material dar. Ein weiteres geeignetes Material ist Eisenstrontiumoxid (FeSrO )
Dieses Material ist stabil bei Sauerstoffkonzentrationen, wie sie in den meisten Fällen in Feuerungen auftreten.
Ein
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Ein weiteres sehr nützliches elektrochemisches Filter besteht aus einem aluminiumdotierten Strontiumtitanat
(SrTL Al On), wobei χ eine Zahl kleiner 1 ist. Cererdedotierte
1-x χ 3
Zirkonerde sowie gemischte"Oxide auf Uranbasis und reines
sowie mit seltenen Erden dotiertes Uran erfüllen die. Forderungen für elektrochemische Filter, die noch bei sehr geringen Sauer-
-15
Stoffkonzentrationen wie z.B. 10 at einsetzbar sind. Oxidgemische aus Praseodym und Nickel oder Kobalt sowie Oxidgemische
aus Lanthan und Nickel, Lanthan und Kobalt sowie Lanthan und Mangan sind ebenfalls sehr geeignet, insbesondere
in dotierter Form, welche die Leitfähigkeit für elektrische Ladungsträger fördert. Dotierungsmittel für diese Gruppe von
Oxiden sind Strontium, Kalzium und Magnesium. Aus dieser Gruppe von Oxiden kann das Element Lanthan durchCer,
Präsodym,Neodym und Samarium ersetzt werden. Die sich daraus ergebenden Oxidgemische arbeiten in entsprechender-Weise
als elektrochemische Feststoffilter.
Claims (5)
1. Sauer stof fm eßeinriehtung mit einem Sauerstoffsensor, der eine elektrochemische Zelle mit einem Feststoffelektrolyt
umfaßt, um Sauerstoff in einer industriellen Gasatm asphäre
zu überwachen* welche für den Sensor s:ehädliche,teilchenformige
und/oder korrosive Bestandteile enthält, dadurch gekennzeichnet,
- daß' ein nicht poröses Feststoff ilter (10) mit einer ausreichenden
Sauerstoffionenleitfähigkeit bei erhöhter Temperatur Verwendung findet,, und daß das Fe st st of filter (10) in einem
Abstand von dem Sauerstoff sensor (20). zwischen diesen Sensor und der Gasatmosphäre (G) angeordnet ist, um d&n
Sauer stoff sensor (20) vor einem direkten Kontakt mit der industriellen Gasatmosphäre zu schützen.
2. Baustoffmeßemrichtung nach Anspruch 1„ dadurch
gekennzeichnet x
- daß das Feststoff ilter aus einer Cermet-Zusammensetzung
besteht.
3. Sauerstaffmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet,, - daß das. Feststoffilter aus einer Misch-Oxid-Zusammensetzung
besteht, weiche leitfähig für Sauer-
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s toff ionen und elektrische Ladungsträger ist.
4. Sauerstoffmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekenn ze ichnet,
- daß die Cermet-Zusammensetzung ein Gemisch aus
Platin und stabilisierter Zirkonerde ist.
5. Sauerstoffmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
- daßi eine Heizung (SO) zum Erhitzen des Feststoffilters
vorhanden ist, um dieses in die Lage zu versetzen, Sauerstoff
von der zu überwachenden Gasatmosphäre zum Sauerstoffsensor zu übertragen.
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