DE3201796C2

DE3201796C2 -

Info

Publication number: DE3201796C2
Application number: DE19823201796
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl.-Phys. 4190 Kleve De Koertvelyessy
Original assignee: Thermo-Control Koertvelyessy 4190 Kleve De GmbH
Current assignee: THERMO-CONTROL KOERTVELYESSY GMBH, 4190 KLEVE, DE
Priority date: 1982-01-21
Filing date: 1982-01-21
Publication date: 1990-08-30
Also published as: DE3201796A1

Description

Stand der Technik

Die Sauerstoffsonden dienen zur Messung des Sauerstoff- Partialdruckes in einem Gas, z. B. 21% oder etwa 210 mbar in der Luft der Erde.

Dieser Druck ist für viele Industrieprozesse charakteri stisch z. B. für Verbrennung, Feuerung, Aufkohlung, Ent kohlung, Schmelzung, Isothermglühung usw. Durch die Rege lung des Sauerstoff-Partialdruckes kann man oft diese Prozesse regeln, damit Wärmeenergie sparen sowie Wärme behandlungs-Produkte optimieren.

Die Sauerstoff-Sonde ist im Prinzip sehr einfach:

Zwischen zwei Gasen mit unterschiedlichem Sauerstoff druck entsteht eine potentielle Energie, wie dies zum ersten Mal von Nernst ausgerechnet wurde. Wenn diese zwei Gase mit einer Zirkonoxid-Wand (in Fig. 1: 6) voneinander getrennt sind, kann man die Nernst-Spannung mit zwei Elektroden (Fig. 2: 5 und 10) abtasten. Die Formel beinhaltet das Material der Elektroden nicht. Im Gegen satz zu den Thermoelementen ist diese elektrische Spannung also materialunabhängig.

In der Praxis jedoch treten zahlreiche Probleme auf:

Viele Sonden sind nicht stabil und führen den Prozeß selbständig in eine falsche Richtung. Dabei kann die Spannung von z. B. 22 mV zu hoch, am nächsten Tag um 9 mV zu niedrig im gleichen Gas sein. Diese kleinen unberechen baren Fehler sind in der Praxis gefährlicher als ein großer Fehler von z. B. -900 mV, der das Versagen der Sauerstoff sonde offensichtlich macht.

Als Ursachen dieser Fehler werden im Schrifttum genannt (in Klammern die Richtung der Spannungsänderung):

Haarriß des Zirkonoxid-Rohres (-)
Verschmutzung der Elektrode (-)
Verrußung der Elektrode (+ oder -)
Korrosion der Elektrode (+ oder -)
Unterbrechung in der Zuleitung zur Elektrode (-)
Alterung dieser Zuleitungen (+ oder -)
Gasgeschwindigkeitsänderung bei der Elektrode (+ oder -)
Alterung des Zirkonoxids (-)
Ionisierung des zu messenden Gases (+ oder -)
Kriechströme (+ oder -)
Induktionsströme (+ oder -).

Bei der Untersuchung der bekannten Sondenmodelle kann man erkennen, daß die Gaselektroden oft eine Oberfläche von vielen Quadratmillimetern, manchmal sogar von mehreren Quadrat zentimetern haben. Diese bringen einen kleinen Innenwider stand mit sich, der im Schrifttum ausnahmslos als günstig bezeichnet wird.

Die Untersuchungen des Erfinders ergaben aber, daß nicht die Größe der Elektroden, sondern ihre Randlänge (in Fig. 1 und 2 mit Pfeilen gezeigt) für den elektrischen Innen widerstand und überhaupt für die Funktion einer Sauerstoff sonde maßgeblich ist. Die mittleren Teile einer Elektrode sind wirkungslos.

Die Idee der Erfindung besteht darin, nur den Rand der Elektrode mit dem zu messenden Gas in Berührung zu bringen und ihre restlichen Teile mit gasdichter Keramik zu schließen.

Man kann zwar die Sauerstoffsonde nicht im gasdichten Schutzrohr einbauen - wie die Thermoelemente -, aber mit Hilfe dieser Erfindung werden die korrosiven chemischen Einwirkungen auf die Elektrode fast ausgeschlossen. Man könnte diese neuen Sonden quasi gasdicht geschützt nennen. Die neuen Sonden wurden bereits ausprobiert. Es wurde nach genügend langem Betrieb keine Instabilität gefunden, nicht einmal der innere Widerstand änderte sich.

Die neue Sauerstoffsonde gemäß der Erfindung kann optimal mit einer Doppel-Nest-Konstruktion - wie auch in Fig. 1 gezeigt - verwirklicht werden. In Fig. 1 ist (1) ein Nest für die Gaselektrode der Sonde, (2) ist das zweite Nest für die Ableitungsisolierung der elektrischen Leitung zur Elektrode, (3) ist das gasdichte Sinterkeramikstück, (4) die Bohrung für die elektrische Leitung, (5) die Gas-Elek trode, (6) das Zirkonoxid-Rohr, (7) die Leitung, (8) die gasdichte Isolierung dieser Leitung (7).

Zum leichteren Verständnis wurde oben das Keramikstück (3) unmontiert, in der Mitte montiert und unten unmontiert, aber aus anderer Sicht gezeigt.

In Fig. 2 dagegen wurde die konventionelle Ausführung einer Sauerstoffsonde mit Blockelektroden gezeigt, wobei (9) die Innenelektrode ist, (10) ihre Leitung (die meist positiv ist). Andere Bestandteile sind wie in Fig. 1 nume riert.

Die Vorteile der Erfindung sind folgende:

1. Im Vergleich zu einer aufgedampften Elektrode:
diese Elektroden haben eine große Fläche, die aber völlig ungeschützt der korrosiven Wirkung des Gases ausgesetzt ist.
Das Nest (1) dagegen schließt mit Hilfedes Zirkon oxid-Rohres (6) die Elektrode (5) von allen Richtungen gasdicht ab, das zu messende Gas berührt nur den Rand der Elektrode (zwei Pfeile).
2. Im Vergleich zu einer Block-Elektrode (in Fig. 2: 5 oder 10):
Eine große Block-Elektrode z. B. ⌀10 × 8 mm hat nach Erfahrung des Erfinders eine wesentlich längere Lebens dauer als die dünne aufgedampfte Schicht. Auf der anderen Seite dehnt sich die Block-Elektrode bei Erwärmung um 200% stärker aus als das Zirkonoxid- Rohr, und mit ihrer großen Kraft kann sie das Rohr (6) sprengen oder in ihm einen Haarriß verursachen. Außerdem ist diese Elektrode recht teuer, sie ist meist aus Edelmetall gefertigt.
Die Untersuchungen des Erfinders ergaben, daß größten teils diese Elektrode sowieso wirkungslos ist, dadurch auch die Kosten dieses Edelmetallblocks.
3. Die elektrische Ableitung der Sondenspannung geschieht durch das zweite Nest (2), das nicht nur die Leitung (7), sondern ihre gasdichte Keramikisolierung (8) in sich aufnimmt und sie vor Gasströme schützt. Dadurch ist diese Lösung vorteilhafter als die angelöteten, ange schweißten, eingestemmten konventionellen Verbindungen, die hinterher nicht mehr zu schützen sind, weil
- a) der Schmelzpunkt aller in Frage kämenden keramischen Materialien weit über den der Leitungsmaterialien liegt. Mit einer keramischen Schicht kann man also die Verbindung nicht überziehen: die Leitung (7) würde eher schmelzen als ihre Schutzschicht.
- b) Der Keramik-Zement kann nie gasdicht schließen. (Oft weist er auch Phosphorsäure oder andere Bindemittel auf, die die Leitungen angreifen und nach Monaten durchätzen.)

Claims

1. Sauerstoffsonde bestehend aus einem meist Zirkonoxid-Rohr (6) und aus zwei Elektroden - (5) und (10) -, davon eine (5) in dem zu messenden Gas und das Zirkonoxid-Rohr (6) berührend, gekennzeichnet durch ein gasdichtes Keramikstück (3) mit zwei Nestern, davon ein Nest (1), das die Gaselektrode (5) umgibt, und das zweite (2), das die gasdichte Keramikrohr-Isolierung (8) der elektri schen Leitung (7) der Elektrode (5) umgibt.

2. Sauerstoffsonde nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaselektrode (5) aus Metallblech und/oder aus Draht spirale gefertigt ist, deren Form dem Nest (1) entspricht und deren Ableitung (7) mittig ist.