DE3323241C3 - Oxygen probe with ceramic-protected electrode - Google Patents

Oxygen probe with ceramic-protected electrode

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Description

Stand der Technik sind Sauerstoffsonden, die schon nach einem kurzen Betrieb von nur einigen Tagen ihre Anzeige, ihren Widerstand ändern und nach einigen Monaten ausfallen.State of the art are oxygen probes that are after a short operation of only a few days Display, change their resistance and after some Months.

Die Ursachen werden hier vielleicht erst mal vollstän­ dig aufgezählt.Perhaps the causes will be complete here dig enumerated.

  • 1. In Abgaskaminen, in Aufkohlungsöfen, Schmie­ deöfen und in anderen Einrichtungen, in denen Sau­ erstoff das wichtigste Prozeßgas ist, fließt nicht nur das Gas mit einer Geschwindigkeit von 2-50 m/s, sondern fliegen auch mitgerissene Staubkörnchen, Rostpartikeln und Rußflocken mit dieser Ge­ schwindigkeit. Sie bombardieren - wie in einer Sandstrahlanlage - ständig die Edelmetall-Gas­ elektrode, die die Sondenspannung von der Fest­ körperelektrolyt (meist von einem Zirkoniumoxid- Rohr) von der Gasseite abtastet. Die Erfahrung des Erfinders zeigt, daß die Hälfte von vielen bekann­ ten Gaselektroden dadurch schon nach einigen Monaten verlorengeht. Oft entsteht so eine elektri­ sche Unterbrechung, und die Sonde fällt aus, ob­ wohl die andere Elektrode (in Referenzluft) noch viele Jahre lang hielte.1. In exhaust gas chimneys, in carburizing furnaces, Schmie stoves and other facilities where sow is the most important process gas, not only flows the gas at a speed of 2-50 m / s, but also fly entrained dust particles, Rust particles and soot flakes with this Ge dizziness. You bomb - like in a Sandblasting machine - constantly the precious metal gas electrode which the probe voltage from the fixed body electrolyte (usually from a zirconium oxide Pipe) from the gas side. The experience of Inventor shows that half of many got gas electrodes after a few Months is lost. This often creates an electri interruption and the probe fails whether probably the other electrode (in reference air) would last for many years.
  • 2. Die Berührung von Rußflocken und anderen weichen Körnchen verursacht eine Korrosion. Es kann sein, daß ein Körnchen nicht bei der ersten Berührung in die Gaselektrode hineinschmilzt, aber die Umwälzung bringt es immer erneut auf die Elektrode so, daß es unter etwas anderen Umstän­ den einmal doch hineinschmilzt oder eine andere Korrosion verursacht.2. Touching soot flakes and others soft granules cause corrosion. It may not be a grain at the first Touch melts into the gas electrode, however the upheaval always brings it up Electrode so that it is under slightly different circumstances that melts in sometime or another Corrosion caused.
  • 3. Selbst einige Gase sind für die Elektrode schäd­ lich. Je öfter ein z. B. Schwefeldioxid-Molekül an die Gaselektrode fließt, um so größer ist die Korro­ sion.3. Even some gases are harmful to the electrode Lich. The more often a z. B. sulfur dioxide molecule the gas electrode flows, the bigger the corrosion sion.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die­ se schädlichen Bestandteile des Prozeßgases meist schwerer sind als die unschädlichen (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff).The invention is based on the knowledge that the mostly harmful components of the process gas are heavier than the harmless ones (e.g. oxygen, Nitrogen, hydrogen).

Zweck der Erfindung ist die Lebensdauer der Sauer­ stoffsonden zu verlängern, damit man den Sauerstoff für die Wärmebehandlung von Metallen und für die Ener­ gieersparnis bei den Verbrennungen zuverlässig messen kann.The purpose of the invention is the lifetime of the acid extend probe to allow oxygen for the heat treatment of metals and for the ener Reliably measure energy savings during burns can.

Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffsonde gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.The invention relates to a Oxygen probe according to claim 1. Preferred configurations result themselves from claims 2 and 3.

Wenn man die Elektrode mit einer dichten Keramik­ wand wenigstens um 180° umgibt, werden die o. g. schwereren (z. B. Kohlenwasserstoff) Moleküle und na­ türlich auch die z. B. Quarz- und Korundkörnchen durch die Zentrifugalkraft von der Elektrode stärker abge­ lenkt, als die unschädlichen Gase. Diese schädlichen Moleküle sind in der Praxis um so seltener, je höher ihr Molekulargewicht liegt.If you cover the electrode with a dense ceramic wall surrounds at least 180 °, the above. heavier (e.g. hydrocarbon) molecules and na naturally also the z. B. quartz and corundum granules the centrifugal force from the electrode more abge directs than the harmless gases. This harmful In practice, the higher the molecule, the rarer the molecules Molecular weight.

Man kann die Gaselektrode mit einer Keramik-Halb­ schale auch um 360° umgeben, aber nur in einer Ebene, und die Gaselektrode in diesem Hohlraum nur für die Gasströmungen zugänglich machen, die nicht in dieser Ebene fließen. Da so ein relativ großes Loch - die Halbschalenöffnung - entsteht, ist dieser Schutz nur wirksam, wenn das Zirkonoxidrohr erfindungsgemäß selbst dieses Loch schließt. Die elektrische Ableitung der Gaselektrode in ihrer Nähe liegt deswegen auf der Gegenseite des Loches (in Fig. 1, in der Drehachse, nach hinten führend). In anderen Bereichen kann diese Lei­ tung gewöhnlich geschützt werden.You can also surround the gas electrode with a ceramic half-shell by 360 °, but only in one plane, and make the gas electrode in this cavity accessible only to the gas flows that do not flow in this plane. Since such a relatively large hole - the half-shell opening - is created, this protection is only effective if the zirconium oxide tube itself closes this hole according to the invention. The electrical lead of the gas electrode in its vicinity is therefore on the opposite side of the hole (in Fig. 1, in the axis of rotation, leading to the rear). In other areas this line can usually be protected.

Um die leichten korrosiven Gase auch noch unwirk­ sam zu machen, wird das Metall der Gaselektrode erfin­ dungsgemäß in die Mikro-Hohlräume einer Keramik­ matrix gegossen. Dadurch werden die Metallteile der Gaselektrode von einer Keramikmatrix umgeben, die die Zuströmung des Gases zum Elektrodenmetall im­ mer noch ermöglicht, aber im Mikrobereich vielmal ab­ lenkt.To the light corrosive gases also ineffective To make sam, the metal of the gas electrode is invented according to the micro-cavities of a ceramic cast matrix. This will make the metal parts of the Gas electrode surrounded by a ceramic matrix that the inflow of gas to the electrode metal in the still possible, but many times in the micro range directs.

Fig. 1 veranschaulicht die Erfindung. Fig. 1, the invention is illustrated.

Diese Schnittzeichnung zeigt senkrecht auf die Zir­ konoxidrohrachse drei mögliche Ausführungen für die Ablenkung der schädlichen Bestandteile aus dem Pro­ zeßgas. Eine Ablenkung erwirkt eine Halbschafe, deren Keramikwand (2) den Hohlraum (2) in 360° voll umgibt. Das Zirkonoxidrohr sitzt in der Halbschale (2-3) wie in einem Nest. Sie schützt die Gaselektrode (1) - in Fig. 1 von hinten - und das Zirkonoxidrohr (in Fig. 1 von vorne). Die Halbschale (2-3) und das Zirkonoxidrohr lassen das Gas nicht auf die volle Oberfläche der Gas­ elektrode (1) fließen, nur am Rande (8). Die restliche, geringe Korrosion entsteht also nur dort, wo die Berüh­ rung der Gaselektrode (1) mit dem Prozeßgas unbe­ dingt erforderlich ist. Die unwirksamen mittleren Teile der Gaselektrode (1) bleiben völlig ohne Korrosion.This sectional drawing shows three possible versions perpendicular to the zirconia tube axis for the deflection of the harmful components from the process gas. A half sheep, whose ceramic wall ( 2 ) completely surrounds the cavity ( 2 ) in 360 °, acts as a deflection. The zirconium oxide tube sits in the half-shell ( 2-3 ) like in a nest. It protects the gas electrode ( 1 ) - from the rear in Fig. 1 - and the zirconium oxide tube (from the front in Fig. 1). The half-shell ( 2-3 ) and the zirconium oxide tube do not allow the gas to flow onto the full surface of the gas electrode ( 1 ), only at the edge ( 8 ). The remaining, minor corrosion occurs only where the contact of the gas electrode ( 1 ) with the process gas is absolutely necessary. The ineffective middle parts of the gas electrode ( 1 ) remain completely without corrosion.

Eine andere Ablenkung bildet das erfindungsgemäß gebohrte Schutzrohr (4) selbst. Eine Zuströmung von oben (Pfeile) wird in 180° verhindert. Schwere Körn­ chen können also nicht durch die drei Löcher (5) auf die Gaselektrode prallen.Another deflection is formed by the protective tube ( 4 ) drilled according to the invention. Inflow from above (arrows) is prevented at 180 °. Heavy granules can not hit the gas electrode through the three holes ( 5 ).

(6) (in Fig. 1 ist nur als Punkt wahrzunehmen) ist die gemeinsame Drehachse der Halbschale (2-3), des Schutzrohres (4) des Zirkonoxidrohres und der elektri­ schen Ableitung (nach hinten).( 6 ) (in Fig. 1 can only be perceived as a point) is the common axis of rotation of the half-shell ( 2-3 ), the protective tube ( 4 ) of the zirconium oxide tube and the electrical discharge (to the rear).

Eine starke Ablenkung im Mikroströmungsbereich liefert die Keramikmatrix, aus deren Poren das einge­ gossene Elektrodenmetall (7) hier als kleine Punkte zu erkennen ist.The ceramic matrix provides a strong deflection in the microflow area, from whose pores the cast-in electrode metal ( 7 ) can be seen here as small dots.

Vorteile der Erfindung sind:Advantages of the invention are:

  • 1. Lange Lebensdauer.1. Long lifespan.
  • 2. Reproduzierbare Anzeige für viele Jahre.2. Reproducible display for many years.
  • 3. Beliebiges Elektrodenmetall ist verwendbar. Es braucht nicht druckbeständig zu sein. So kann eine katalytische Sondenspannungserhöhung in solchen Prozeßgasen vermieden werden, die nicht im so Gleichgewicht sind.3. Any electrode metal can be used. It need not be pressure resistant. So one can catalytic probe voltage increase in such Process gases are avoided that are not in the are so balance.
  • 4. Hohe Temperaturen.4. High temperatures.
  • 5. Einfache Konstruktion, die eine dünne Sonde, also eine thermisch schnelle Reaktion ermöglicht. Diese Sonde ist dünner als viele Thermoelemente.5. Simple construction, which is a thin probe, thus enables a thermally rapid reaction. This probe is thinner than many thermocouples.
  • 6. Keine Verrußung der Sonde.6. No sooting of the probe.
  • 7. Kein Zusetzen der Sondenöffnungen durch die Abdeckpaste.7. No clogging of the probe openings by the Masking paste.

Claims (3)

1. Sauerstoffsonde, bestehend im wesentlichen aus einem kreisrunden, einseitig geschlossenen, schutz­ rohrförmigen Festkörperelektrolyten mit zwei Elektroden und aus einem diese Bestandteile bein­ haltenden, kreisrunden, dichtwandigen (einseitig ge­ schlossenen) Keramikschutzrohr (4) mit mehreren radialen Bohrungen (5), wodurch das zu messende Gas zur Gaselektrode (1) gelangen kann,
wobei die Bohrungen (5) sich in einem Quer­ schnitt des Schutzrohres (4) (in seinem zylindri­ schen Teil) befinden, dadurch gekennzeichnet,
daß diese Bohrungen (5) auf einer Seite fehlen, und zwar von der Schutzrohrachse (6) aus gesehen in etwa 180°, wobei betriebsmäßig das zu messende Gas auf diese nicht gebohrte Seite des Schutzroh­ res (4) strömt, und
daß nur drei Bohrungen (5) vorhanden sind, von der Schutzrohrachse (6) aus gesehen in 90° Winkelabstand voneinan­ der entfernt.1.Oxygen probe, consisting essentially of a circular, one-sided closed, protective tubular solid electrolyte with two electrodes and a containing these components, circular, tight-walled (one-sided ge closed) ceramic protective tube ( 4 ) with several radial bores ( 5 ), which the gas to be measured can reach the gas electrode ( 1 ),
wherein the bores ( 5 ) are in a cross section of the protective tube ( 4 ) (in its cylindrical part), characterized in that
that these holes ( 5 ) are missing on one side, namely from the protective tube axis ( 6 ) seen in about 180 °, operationally the gas to be measured on this undrilled side of the protective tube res ( 4 ) flows, and
that only three holes ( 5 ) are present, seen from the protective tube axis ( 6 ) at a 90 ° angular distance from each other. 2. Sauerstoffsonde nach Pa­ tentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseelektrode (1) zusätzlich mit einer keramischen Halbschale (2-3) geschützt ist.2. Oxygen probe according to Pa tent Claim 1, characterized in that the gas electrode ( 1 ) is additionally protected with a ceramic half-shell ( 2-3 ). 3. Sauerstoffsonde nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Metall (7) der Gaselektrode (1) in den Mikro-Hohlräumen einer Keramikmatrix einge­ gossen ist, wobei die Anschlußleitung zu Gaselek­ trode (1) optimalerweise in ihrer Nähe parallel zur Drehachse (6) liegt. Die in den Klammern befindlichen Merkmale "einseitig geschlossenen" und "in seinem zylindrischen Teil" stellen unzulässige Ein­ schränkungen dar aus denen Rechte nicht hergeleitet werden können.3. oxygen sensor according to claim 1 or 2, characterized net gekennzeich is poured that the metal (7) of the gas electrode (1) in the micro-cavities is a ceramic matrix, wherein the connecting line to Gaselek trode (1) optimally near them parallel to Axis of rotation ( 6 ) lies. The features in the brackets "closed on one side" and "in its cylindrical part" represent impermissible restrictions from which rights cannot be derived.
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