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Sauerstoffmeßsonde, insbesondere zum Erfassen des Sauerstoff-
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gehaltes einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre Die Erfindung betrifft
eine Sauerstoffmeßsonde, insbesondere zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes einer
kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, mit einem sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten
in Form eines einseitig geschlossenen Rohres, an dessen geschlossenem Ende sich
eine Innenelektrode und eine Außenelektrode gegenüberliegen, die über Leitungen
mit einer Einrichtung zum Erfassen der von dem unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck
eines das Rohr außen beaufschlagenden Meßgas es und eines das Rohr innen beaufschlagenden
Referenzgases abhängigen Referenzspannung verbunden sind, wobei das Rohr mit einem
Schutzrohr mit Abstand umgeben ist, das mit Eintrittsöffnungen für das Meßgas versehen
ist.
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Bei derartigen Meßsonden, die auch in stark kohlenstoffhaltigen Atmosphären
eingesetzt werden, beispielsweise in Aufkohlungseinrichtungen, sind die Elektroden
üblicherweise als eine dünne Schicht aus Edelmetall innen und außen auf das Rohr
des Festkörperelektrolyten aufgebracht und über vorzugsweise aus dem gleichen Material
bestehende Drähte an die Einrichtung zum Erfassen der Referenzspannung angeschlossen.
Es hat sich in der
Praxis gezeigt, daß die Platinschicht der Außenelektrode
verhältnismäßig stark mit Kohlenstoff chemisch reagiert, so daß die Außenelektrode
von der kohlenstoffhaltigen Atmosphäre angegriffen und teilweise beschädigt wird,
was mit Meßungenau -igkeiten oder Meßwertverfälschungen verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sauerstoffmeßsonde
der eingangs ger>¢nten Art so zu gestalten, daß ihre Lebensdauer wesentlich erhöht
wird, auch wenn sie in einer stark kohlestoffhaltigen Atmosphäre eingesetzt wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Außenelektrode ein Metallklotz dient,
gegen den das geschlossene Ende des Rohres verspannt ist.
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Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß eine größere Außenelektrode
zur Verfügung gestellt wird, durch die die Abtragezeit verlängert wird. Damit läßt
sich die Lebensdauer der Sauerstoffmeßsonde wesentlich erhöhen.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß das
Rohr mit einer Feder in Richtung auf eine Stirnwand des Schutzrohres belastet ist,
wobei die Außenelektrode zwischen der Stirnwand des Schutzrohres und dem geschlossenen
Ende des Rohres angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß sich
das Rohr selbsttätig zu der Elektrode nachstellt, während gleichzeitig ein genügender
Kontaktdruck gewährleistet ist, so daß eine sichere Kontaktgabe zwischen dem Rohr
und der Elektrode gegeben ist.
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Es hat sich auch gezeigt, daß die Rückleitung der Außenelektrode,
die üblicherweise aus einem Platindraht besteht, gegen Beschädigen durch die kohlenstoffhaltige
Atmosphäre anfällig ist, insbesondere in dem kühleren Bereich der Sauerstoffmeßsonde.
In diesem kühleren Bereich, der eine Temperatur von weniger als 6500C hat, fällt
Kohlenstoff aus, der stark mit dem Platin reagiert, so daß die Gefahr besteht, daß
der Platindraht bricht. Um diese Gefahr
zu reduzieren, wird in vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Schutzrohr aus einem elektrisch
leitenden Material hergestellt ist, insbesondere aus hitzebeständigem Stahl, und
als Rückleitung für die Außenelektrode dient.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist als Außenelektrode
eine Ronde vorgesehen, die mit einem Zapfen in eine in Verlängerung der Achse des
Rohres in der Stirnwand des Schutzrohres befindliche Aussparung eingesetzt ist und
die eine an dem balligen Ende des Rohres anliegende, konkav gewölbte Kontaktfläche
besitzt. Diese Ronde besitzt ein großes Volumen, durch das die Lebensdauer der Sauerstoffmeßzelle
deutlich verlängert wird. Durch die besondere Ausbildung ist dabei ständig eine
gute Kontaktgabe gewährleistet.
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Für die Außenelektrode werden bevorzugt Edelmetalle eingesetzt.
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Da sie als ein großvolumiges Verschleißteil ausgebildet wird, ist
es auch denkbar, daß Eisen für die Außenelektrode verwendet wird. Besonders vorteilhaft
ist jedoch, wenn die Außenelektrode aus Ruthenium hergestellt ist. Dieses Ruthenium
reagiert verhältnismäßig weniger mit Kohlenstoff als Platin.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Stirnwand des Schutzrohres mit Eintrittsöffnungen für das Meßgas versehen
ist, die durch einen Filter abgedeckt sind. Dadurch wird ein Schutz gegen feste
Partikel erzielt, die in dem Meßgas enthalten sind. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn die Stirnwand in das mit einem Gewinde versehene Schutzrohr eingeschraubt ist
und eine Baueinheit mit der Außenelektrode und dem Filter bildet. Diese Baueinheit
erlaubt es, die Außenelektrode einfach auszutauschen.
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Um eine Ablagerung von Kohlenstoff in Form von Ruß o.dgl. in dem kühleren
Bereich des Rohres zu behindern, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
daß in Abstand zu dem geschlossenen Ende des Rohres zwischen diesem und dem Schutzrohr
ein zweiter Filter angebracht ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Rohr
im Bereich seines offenen Endes mit einem aufgeklebten, im wesentlichen zylindrischen
Gleitstück versehen ist, mit dem es gleitend in einem Halter geführt ist, der mit
einem zu dem Rohr koaxialen Außengewinde versehen ist, auf das eine Kappe aufge
-schraubt ist, die eine Druckfeder gegen einen Ringbund des Gleitstückes verspannt.
Dieses Gleitstück erlaubt zum einen eine gut abdichtbare Gle: führung, die die Ausdehnungsmöglichkeit
des Rohres nicht behindert. Darüber hinaus erlaubt diese Ausbildung eine einfache
und dennoch sichere Unterbringung der Druckfeder, die den Kontaktdruck zwischen
dem Rohr und der Aussenelektrode sicherstellt. Dabei ist es besonders zweckmäßig,
wenn das Gleitstück die Kappe nach außen überragt und in dem Halter verdrehbar ist.
Das nach außen ragende Ende des Gleitstücks kann dann von Hand oder mittels eines
Werkzeuges ergriffen und bei einem Wartungsvorgang verdreht werden, so daß durch
dieses Verdrehen eventuell im Bereich der Außenelektrode entstande Ablagerungen
mechanisch abgelöst werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß zwischen
dem Ringbund und dem Halter ein bei einem Uberweg des Ringbundes ansprechender Kontakt
angeordnet ist. Ein derartiger Uberweg tritt nur dann auf, wenn der als Rohr ausgebildete
Festkörperelektrolyt bricht. Uber diesen Kontakt kann dann ein Alarm ausgelöst werden,
der eine Störung der Sauerstoffmeßsonde anzeigt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles und den
Unteransprüchen.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Meßsonde
und Fig. 2 eine Ansicht auf die Stirnwand der Meßsonde der Fig. 1 in Richtung des
Pfeiles II.
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Die dargestellte Sauerstoffmeßsonde besitzt einen sauerstoffionenleitenden
Festkörperelektrolyten, der in der Form eines dünnen, einseitig geschlossenen Rohres
1 ausgebildet ist. Auf den Bereich des offenen Endes dieses Rohres 1 ist ein Gleit
-stück 10 aufgeklebt, mit welchem das Rohr 1 in einem Halter 9 gleitend geführt
ist. Das Gleitstück 10 und der Halter 9 be -stehen aus einem korrosionsfesten Material,
beispielsweise Messing und bevorzugt V4A-Stahl. Zur Abdichtung ist ein mit der Außenfläche
des Gleitstücks 10 zusammenwirkender 0-Ring 11 in eine Nut des Halters 9 eingelassen.
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In das dem geschlossenen Ende des Rohres 1 zugekehrte Ende des Halters
9, das mit einem Innengewinde versehen ist, ist ein mit einem Außengewinde versehenes
Schutzrohr 2 eingeschraubt, das das Rohr 1 mit Abstand konzentrisch umgibt. Das
Schutzrohr 2 ist an seinem freien Ende durch eine Stirnwand 4 verschlossen, die
mit Eintrittsöffnungen 5 für ein Meßgas versehen ist, die parallel zur Achse des
Schutzrohres 2 und des Rohres 1 gerichtet sind. An dem geschlossenen Ende des Rohres
1, das eine ballige Kontur hat, liegt mit einer konkaven Kontaktfläche eine Außenelektrode
3 an, die als eine Ronde ausgebildet ist, die mit einem Zapfen in eine in Verlängerung
der Achse des Rohres 1 liegende Aussparung der Stirnwand eingesetzt ist. Die Stirnwand
4 ist als ein gesondertes Bauteil ausgebildet, das mit einem Außengewinde versehen
und in ein Innengewinde des Schutzrohres 2 eingeschraubt ist. Die Eintrittsöffnungen
5 für das Meßgas werden von einem Filter 6 abgedeckt, der die Außenelektrode 3 umgibt.
Der Durchmesser der Außenelektrode 3 beträgt etwa 2 Drittel bis 3 Viertel des Durchmessers
des Rohres 1.
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Das ballige Ende des Rohres 1 wird mittels einer Feder 13 gegen die
Außenelektrode 3 angedrückt. Die Feder 3 stützt sich gegen einen außerhalb des Halters
9 befindlichen Ringbund 14 des Gleitstückes 10 und eine Schulter einer Kappe 12
ab, die auf ein zur Achse des Rohres 1 koaxiales Außengewinde 15 des Halters 9 aufgeschraubt
ist. Die Druckfeder 13 bewirkt zum einen einen
sicheren Kontaktdruck
zwischen dem Rohr 1 und der Außenelektrode.
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Zum anderen erlaubt sie das Auffangen von temperaturabhängigen Längenausdehnungen
des Rohres 1.
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In nicht näher dargestellter Weise kann zwischen dem Ringbund 14 und
dem Ende des mit dem Außengewinde 15 versehenen Ansatzes des Halters 9 ein Kontakt
angeordnet werden, der bei einem Überweg des Ringbundes 14 ansp cht, d.h. einem
Uberweg der nur bei einem Bruch des Rohres 1 möglich ist. Dieser Kontakt kann dann
zu einer Alarmgabe herangezogen werden, die anzeigt, daß die Sauerstoffmeßsonde
durch Bruch des Festkörperelektrolyten gestört ist.
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Das sich mit einem Absatz gegen das offene Ende des Rohres 1 abstützende
Gleitstück 10 ragt mit seinem Ende 19 nach außen über die Kappe 12 vor. Dieses Ende
19 ist als ein Rändelrand oder eine Werkzeugangriffsfläche, beispielsweise ein Sechskant,
ausgebildet, so daß das drehbar in dem Halter 9 gehaltene Rohr gegenüber dem Schutzrohr
2 und vor allem gegenüber der Außenelektrode 3 hin und her gedreht werden kann.
Durch eine derartige Maßnahme kann bei einem normalen Wartungs- oder Inspektionsvorgang
ein mechanisches Ablösen von eventuell an der Kontaktstelle der Außenelektrode 3
zu dem Rohr 1 vorhandenen Ablagerungen erzielt werden.
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Das Rohr 1 ist in nicht näher dargestellter Weise mit einer vorzugsweise
als Platinschicht ausgebildeten Innenelektrode an seinem geschlossenen Ende versehen,
die über einen Platindraht mit einer Einrichtung zum Erfassen einer Referenzspannung
zwischen der Außenelektrode 3 und der Innenelektrode verbunden ist. Uber das offene
Ende des Rohres 1 strömt in das Rohr 1 ein Referenzgas, vorzugsweise Luft, das einen
definierten Sauerstoffgehalt aufweist. In dem Rohr 1 befindet sich ferner noch ein
Thermoelement 8, mit welchem die Temperatur in dem Bereich des geschlossenen Endes
des Rohres 1 überwacht wird, d.h. dem Bereich der Meßstelle.
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Zwischen der nicht dargestellten Innenelektrode und der Außenelektrode
wird in bekannter Weise eine Referenzspannung gemessen, wozu eine Rückleitung für
die Außenelektrode 3 vorgesehen ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird
diese Rückleitung dadurch erhalten, daß das Schutzrohr 2 aus einem elektrisch leitenden
Material, insbesondere einem hitzebeständigen Stahl, ebenso wie die Stirnwand 4
hergestellt ist, so daß eine elektrische Verbindung zwischen der Außenelektrode
3 und dem Schutzrohr 1 und dem Halter 9 besteht. Dieser Halter 9, der mit einem
Außengewinde 17 in eine Wand eines Ofens o.dgl. eingeschraubt ist, kann an Masse
liegen. Es ist auch möglich, den Halter 9 isolierend in den Ofen o.dgl. einzusetzen.
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Wenn ein Schutzrohr 2 aus einem nicht leitenden Material Verwendung
findet, beispielsweise aus Keramik, so kann an der Innenwandung ein leitender Stab,
beispielsweise ein Platinstab angebracht werden, der mit der Stirnwand 4 oder direkt
mit der Elektrode 3 in Verbindung steht.
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In Abstand zu dem geschlossenen Ende des Rohres 1 ist ein zweiter
Filter 7 zwischen dem Schutzrohr 2 und dem Rohr 1 vorgesehen, der an dem Schutzrohr
2 befestigt ist und der möglichst dicht an das Rohr 1 anschließt, ohne jedoch dessen
Gleitbewegung zu behindern. Durch diesen Filter 7 wird der eigentliche Meßraum im
Bereich des geschlossenen Endes des Rohres von dem dahinterliegenden und in der
Regel eine geringere Temperatur aufweisenden Bereich abgetrennt, was zu dem Vorteil
führt, daß eine Ablagerung von Ruß o.dgl. in diesem Bereich verringert werden kann.
Es wird damit ein Gasaustausch zu dem kühleren Bereich der Meßsonde vermindert.
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Der Halter 9 führt in einen Schaltkasten 16, an welchem er mittels
eines Flansches befestigt ist. In diesem Schaltkasten 16 befinden sich die elektrischen
Anschlüsse sowie ein Anschluß 18 für die Zufuhr des Referenzgases, insbesondere
Luft.
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Durch die Verwendung einer relativ großvolumigen Außenelektrode 3
wird erreicht, daß die Abtragezeit, die insbesondere in einer stark kohlenstoffhaltigen
Atmosphäre durch den Kohlenstoff ge -geben ist, verlängert wird. Damit wird die
Lebensdauer der Meßsonde erhöht. Bevorzugt wird für die Außenelektrode 3 ein Edelmetall
verwendet, insbesondere Ruthenium. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Außenelektrode
3 aus Eisen hergestellt wird.
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In diesem Falle wäre e möglich, die Außenelektrode 3 einteilig mit
der Stirnwand 4 auszubilden, d.h. die Stirnwand 4 mit einem Ansatz entsprechend
der Ausbildung der Außenelektrode 3 der Fig. 1 zu versehen.
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