DE3218257C2 - Verbrennungsgasfühler - Google Patents

Abstract

Eine Verbrennungserfassungsvorrichtung mit einem Feststoffelektrolyten (7), der nahe einem Brenner (2) angeordnet und tafelförmig ausgebildet ist. Durch die Tafelform des Feststoffelektrolyten (7) wird die Herstellung der Vorrichtung wesentlich vereinfacht, und die durch Anode (5A) und Kathode (5B) eingenommenen Flächen werden minimiert. Der Aufbau der Gesamtvorrichtung ist sehr vereinfacht, und ihre Zuverlässigkeit ist erheblich verbessert. Ferner werden vorteilhafterweise die Herstellungskosten gesenkt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verbrennungsgasfühler der im Oberbegriff des Patentanspruchs vorausgesetzten Art, der zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration einer Flamme einsetzbar ist.

Bei der Verwendung eines Verbrennungsgasfühlers müssen die auf einem Feststoffelektrolyten gebildete Kathode und die Anode gesondert einer Bezugsgasatmosphäre bzw. der Meßgasatmosphäre ausgesetzt werden. Um diese Trennung 2<i gewährleisten, ist es bekannt, den Feststoffelektrolyi rohrförmig auszubilden, wobei entweder beide Rohrenden o.ren sind oder ein Rohrende geschlossen ist

Die Ausbildung der Anode auf der Innenfläche eines solchen rohrförmigen Verbrennungsfühlers muß von Hand erfolgen, wobei es keine Rolle spielt, ob der rohrförmige Fühlerkörper ein- oder beidendig offen ist. Ferner ist die Ausbildung der Elektrodenzuleitung schwierig. Aus diesen Gründen ergeben sich hohe Herstellungskosten, und die Betriebszuverlässigkeit wird in unerwünschter Weise verschlechtert.

Im Fall des Mischungsverhältnis-Gasfühlers werden Kathode und Anode in Form poröser Schichten erzeugt, und die von den porösen Schichten ausgeübte Katalysatorwirkung beeinflußt in hohem Maß die Ausgangskennlinien des Gasfühlers. Somit ist eine strenge Kontrolle hinsichtlich der Porosität, der Dicke und anderer Faktoren der auf der Innenumfangsfiäche des zylindrischen Fühlerkörpers ausgebildeten Anode erforderlich. Tatsächlich kann jedoch der Hauptteil der Anode keiner Sichtprüfung unterzogen werden, wodurch sich verschiedene Probleme ergeben.

Die Herstellungskosten werden auch durch die benötigte Menge an Platin oder einer ähnlichen Edelmetallegierung bestimmt, die als Werkstoff für die auf der Innen- und der Außenfläche des Feststoffelektrolytrohrs gebildeten Elektroden verwendet wird. Es wurden zwar Anstrengungen unternommen, um die benötigte Menge der Edelmetallegierung zu verringern, tatsächlich ist jedoch die Ausbildung der Elektroden sehr schwierig, so daß bei der Bildung der Elektroden oder der Zuleitungen Legierungsmetall auf einen unnötig großen Bereich aufgebracht und somit verschwendet wird, was wiederum die Herstellungskosten erhöht.

Es ist auch ein Verbrennungsgasfühler bekannt (US-PS 40 88 543), der einen plattenförmigen Feststoffelektrolyt mit abgasseitig und bezugsgasseitig angebrachten Elektroden aufweist, wobei die Feststoffelektrolytplatte einen dichten Endverschluß eines rohrförmigen Gehäuses bildet, das ein Eindringen des Abgases zu den beeugsgasseitigen Elektroden verhindert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsgasfühler der eingangs vorausgesetzten Art weiter zu entwickeln, der besonders hinsichtlich d^r Kathoden- und Anodenausbildung einfacher und mit geringerem Aufwand als der bekannte Verbrennungsgasfühler herstellbar ist und zuverlässig arbeitet

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst

Durch die Tafelform des Feststoffelektrolyten ist es ermöglicht, die Kathode und die Anode in einfacher Weise reproduzierbar und nur auf den erforderlichen Flächenbereichen abzuscheiden, während die Trennung zwischen Bezugsgasatmosphäre und Meßgasatmosphäre durch die Abschirmung gewährleistet ist

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit dem Verbrennungsgasfühler gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2a und 2b Seitenansichten von der einen bzw. der anderen Seite dieses Verbrennungsgasfühlers,
F i g. 3 eine Schnittansicht IIl-III nach F i g. 2a,
F i g. 4 eine Draufsicht auf die gesamte Vorrichtung und

F i g. 5 das Schaltbild einer mit der gesamten Vorrichtung verbundenen Schaltung.

Nach Fig. 1, die insbesondere die Verbrennungsgasfühleranordnung in der Vorrichtung zeigt, wird einem auf einer Grundplatte 1 angeordneten Zündbrenner 2 Brennstoff von der Unterseite der Grundplatte 1 zugeführt Der Zündbrenner 2 umfaßt eine Düse 2/4, die parallel zur Grundplatte 1 verläuft und aus der ein Flammenstrahl 3 austritt. Eine Fassung 4 ist mittels einer Schraube 4/4 an dem Abschnitt der Grundplatte 1 vor der Düse 2A festgelegt Die Fassung 4 enthält zwei Elektrodenzuführungen SA und SB, die aufeinander zu vorgespannt und zur Unterseite der Grundplatte 1 geführt sind. Ein Verbrennungsgasfühler 6 ist zwischen den Elektrodenzuführungen SA und 5ßin der Fassung 4 eingespannt. Der Fühler 6 ist tafelförmig und so angeordnet, daß der obere Abschnitt einer Seite des Fühlers 6 von dem aus der Düse 2/4 austretenden Flammenstrahl 3 kontaktiert wird. Infolgedessen wird der Fühler 6 auf eine Betriebstemperatur im Bereich von 300-1000⁰C erwärmt.

Wie aus den F i g. 2a und 2b hervorgeht, weist der Fühler 6 ein tafelförmiges Substrat aus einem Feststoffelektrolyten 7, ζ. B. aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid, auf und ist auf seiner einen Seite von einer Anodenplatte 8 (vgl. F i g. 2a) bedeckt. Die Anodenplatte 8 besteht aus einer porösen Schicht aus z. B. Platin und ist durch Aufdampfen im Vakuum oder ein ähnliches Verfahren hergestellt. Die Anodenplatte 8 weist an ihrem einen Ende eine Anodenzuleitungsplatte 9 aus einem Werkstoff auf, der nur als elektrischer Leiter dient. Zum Beispiel kann diese Zuleitungsplatte 9 durch Aufbringen und Brennen einer Platinpaste gebildet sein. Auf der anderen Seite des Feststoffelektrolyten 7 sind eine Ka-

b5 tliodenplatte 10 und eine Kathodenzuleitung 11 in gleicher Weise wie auf der gegenüberliegenden Seite gebildet (vgl. F i g. 2a). Eine Schutzschicht 12 überdeckt den größten Teil der mit der Kathodenzuleitung 11 verbun-

denen Kathodenplatte 10. Die Schutzschicht 12 ist porös, so daß sie auch als Katalysator wirken kann, während sie gleichzeitig als Schutz gegen eine direkte Kontaktierung der Kathodenplatte 10 durch den Flammenstrahl 3 dient. Der Fühler 6 von F i g. 2a weist im Schnitt die Form von F i g. 3 auf.

Nach F i g. 1 ist der Fühler 6 so angeordnet, daß die Schutzschicht 12 der Düse IA zugewandt ist und daß die Anodenzuleitungsplatte 9 und die Kathodenzuleitungsplatte 11 durch die Elektrodenzuführungen 5A bzw. 5ß kontaktiert werden.

An der Rückseite des Fühlers 6 ist eine Abschirmung 13 angeordnet Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, besteht die Abschirmung 13 aus einem im wesentlichen U-förmigen, seitlich gedrehten Teil, so daß zwischen der Ab- is schirmung 13 und dem Fühler 6 ein Zwischenraum gebildet ist, der von einem Luftstrom in Vertikalrichtung durchsetzt wird. Die Abschirmung 13 ist von der Schraube 4A₁ die die Fassung 4 an der Grundplatte 1 hält, gehalten. Die Abschirmung 13 verhindert wirksam eine Erstreckung des Flammenstrahls 3 hinter den Fühler 6, d. h. auf die gleiche Seite wie die Anode 8. Ein aufwärts gerichteter Luftstrom wird durch Wärmekonvektion in dem Raum angrenzend an die Anode 8, der von der Abschirmung 13 umgeben ist, erzeugt Diese Luft enthält ca. 20% Sauerstoff und dient als Bezugsgas relativ zu dem kathodenseitig strömenden heißen Verbrennungsgas. Eine an der Innenseite des Unterendes der Abschirmung 13 vorgesehene Lamelle 14 drosselt den Luftstrom, so daß eine übermäßige Abkühlung des Fühlers 6 durch den Luftstrom verhindert wird.

Wie aus F i g. 5 ersichtlich ist, wird dem Zündbrenner 2 durch eine Hauptleitung 16 über ein Magnetventil 15 Brennstoff zugeführt. Die Hauptleitung 16 verzweigt sich nach dem Magnetventil in zwei Leitungen, deren eine zum Zündbrenner 2 und deren andere zu einem Hauptbrenner führt. Das Magnetventil 15 wird durch eine Solenoidspule 17 geöffnet und geschlossen, die vom Ausgangssignal eines Stellers 18 beaufschlagt wird, der entsprechend dem Ausgangssignal des Fühlers 6 arbeitet.

Wenn z. B. das Gemisch zu fett ist, d. h. wenn der Sauerstoffgehalt zu niedrig ist, erzeugt der Fühler 6 eine EMK von 0,5—0,8 V₁ die den Steller 18 betätigt, so daß dieser das Magnetventil 15 schließt. Wenn andererseits ^5 die Flamme am Zündbrenner 2 ausgegangen ist, wird der Fühler 6 nicht erwärmt, so daß der Innenwidersland, der vor dem Erwärmen 1 kQ oder weniger beträgt, drastisch auf 10 ΜΩ oder mehr erhöht wird. Bei Feststellung der Widerstandserhöhung schließt der Steller 18 das Magnetventil 15.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Bildung der Anode 8 und der Kathode 10 auf beiden Seiten des Fühlers 6 in einfacher Weise mit einem bekannten Verfahren, z. B. Aufdampfen oder Bedrucken, durchführbar, da der Fühler 6 tafelförmig ist. Dabei wird zweckmäßigerweise der Feststoffelektrolyt 7, also das Substrat, z. B. durch Walzen zu einer großflächigen Tafel geformt und nach der Bildung der Elektroden auf den entsprechenden Oberflächen mittels einer Laserspitze oder eines Diamantschneiders in einzelne Fühlerelemente zugeschnitten.

Ferner ermöglicht die Tafelform des Fühlers 6 eine leichte Sichtprüfung der Anode 8 und dei Kathode 10, was wiederum eine einfachere Kontrolle der Porosität, der Dicke und anderer Faiooren von Anode und Kathode gestattet.

Da ferner über dem Bereich, auf dem jede Elektrode zu bilden ist, ein ausreichend großer Raum erhalten bleibt kann jede Elektrode genau auf dem erwünschten Bereich gebildet werden, wodurch eine Verschwendung der Edelmetallegierung unterbleibt, was zu einer Kostensenkung beiträgt

Die Trennung von Bezugsgas und Atmosphäre voneinander kann mit hoher Zuverlässigkeit erfolgen, da die Erstreckung des Flammenstrahls 3 zur Anodenseite durch die Abschirmung 13 verhindert wird.

Somit ist es möglich, einen Verbrennungsgasfühler zu erhalten, der einen einfachen Aufbau hat und mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verbrennungsgasfühler mit einer nahe einem Brenner angeordneten Kathode, die auf der Oberfläche eines Feststoffelektrolyten ausgebildet und einem heißen Verbrennungsgasstrom ausgesetzt ist, und einer auf dem Feststoffelektrolyten ausgebildeten Anode, die einer Bezugsgasatmosphäre ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffelektrolyt (7) tafelförmig ist, auf dessen einer Oberflächenseite die Anode (8) und auf dessen anderer Oberflächenseite die Kathode (10) abgeschieden sind und daß auf der die Anode (8) aufweisenden Seite des Feststoffelektrolyten (7) unter Abstand eine Abschirmung (13) angeordnet ist, die eine Erstreckung eines aus dem Brenner (2) austretenden Flammenstrahls (3) zur Anodenseite des Feststcffelektrolyten^Z) verhindert