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Sauerstoffmeßsonde zum Erfassen des Sauerstoffgehaltesl insbe-
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sondere einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre Die Erfindung betrifft
eine Sauerstoffmeßsonde zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes einer kohlenstoffhaltigen
Atmosphäre mit Hilfe eines sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten, mit
einem einseitig geschlossenen Rohr, an dessen geschlossenem Ende sich eine Innenelektrode
und eine Außenelektrode gegenüberstehen, die über Leitungen mit einer Einrichtung
zum Erfassen der von dem unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck eines das Rohr
außen beaufschlagenden Meßgases und eines das Rohr innen beaufschlagenden Referenzgases
abhängigen Referenzspannung verbunden ist, wobei das einseitig geschlossene Rohr
mit einem die Außenelektrode haltenden Schutzrohr mit Abstand umgeben ist, das mit
Eintrittsöffnungen für das Meßgas versehen ist.
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Derartige Sonden, die insbesondere in stark kohlenstoffhaltigen Atmosphären,
so z.B. in Aufkdhlungseinrichtungen u.dgl. eingesetzt werden, sind aus der deutschen
Patentschrift 31 18 447 bekannt. Die bekannte Sonde weist einen sauerstoffionenleitenden
Festkörper-Elektrolyten auf, der in der Form eines einseitig geschlossenen Rohres
ausgebildet ist. Tritt bei der bekannten Sonde ein Schaden an dem Elektrolyten auf,
so ist es notwendig, die gesamte Sonde z.B. aus der Aufkohlungseinrichtung auszubauen,
um den Elektrolyten ersetzen zu können. Auch muß im Falle eines Schadens der Elektrolyt
als Ganzes ausgetauscht werden, was aufgrund der teilweise beachtlichen Baugröße
der Sonden hohe Ersatzteilkosten zur Folge hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sauerstoffmeßsonde
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß im Falle eines Defektes des Elektrolyten
der Sonde dieser auf einfache und kostengünstige Art und Weise ersetzt werden kann.
Dabei
darf jedoch die Funktionsweise und Funktionsfähigkeit der
Sonde während ihres Betriebes nicht beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß -das einseitig geschlossene
Rohr aus einem einseitig geschlossenen und rohrförmigen, aus dem sauerstoffionenleitenden
Festkörper-Elektrolyten bestehenden Endstück und einem beidseitig offenen, ebenfalls
rohrförmigen Verlängerungsstück besteht, die dicht und drehfest miteinander verbunden
sind.
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Durch diese Maßnahmen wird einerseits die einfache und kostengünstige
Austauschbarkeit des aus dem Elektrolyten bestehenden Endstücke erreicht, andererseits
aber gleichzeitig das sichere Funktionieren der Sonde gewährleistet.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
das Endstück und das Verlängerungsstück so miteinander zu verbinden, daß deren möglichst
glatte und ebene Verbindungsflächen gegeneinander gedrückt werden. Dadurch wird
erreicht, daß die beiden genannten Bauteile dicht miteinander verbunden sind.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß eine exzentrische Aussparung, die einen Mitnehmer aufnimmt, das Endstück und
das Verlängerungsstück miteinander verbindet. Dadurch wird erreicht, daß zum Zwecke,
z.B. der Wartung der Sonde, das gesamte einseitig geschlossene Rohr dreh fest gegenüber
der Außenelektrode hin- und hergedreht werden kann.
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Weiter hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Endstück und das Verlängerungsstück
aus Materialien mit möglichst ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten herzustellen.
Dadurch wird e4in günstiges Temperaturverhalten der Sonde im Hinblick auf Materialausdehnungen
bei den auftretenden hohen Temperaturen erreicht.
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Schließlich hat es sich auch gezeigt, daß mittels einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung, nämlich eines lösbaren Einsatzes des die Außenelektrode haltenden
Schutzrohres, der Austausch des Elektrolyten noch einfacher wird.
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Weitere. vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von in den Figuren
dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung enthalten.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Sauerstoffmeß
sonde, Fig. 2 einen Längs schnitt durch das Endstück und Fig. 3 eine Ansicht auf
das Endstück der Fig. 2 in Richtung des Pfeiles A.
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Die in der Fig. 1 gezeigte Sauerstoffmeßsonde umfaßt einen sauerstoffionenleitenden
Festkörper-Elektrolyten, der in der Form eines einseitig geschlossenen, rohrförmigen
Endstücks 11 ausgebildet ist, und der über Verbindungsflächen 13, auf deren Funktion
und Aufbau noch näher eingegangen wird, mit einem beidseitig offenen, ebenfalls
rohrförmigen Verlängerungsstück 12 verbunden ist. Dabei stoßen an der Verbindungsstelle
jeweils offene Enden der beiden rohrförmigen Stücke derart aufeinander, daß insgesamt
ein einseitig geschlossenes Rohr 1, 12 entsteht.
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Das Rohr 11, 12 ist mit Abstand konzentrisch von einem Schutzrohr
17 umgeben, das auf der geschlossenen Seite des Rohres 11, 12 mittels eines verschraubten
Einsatzes 14 abgeschlossen ist, der zum Zwecke der Zuführung eines Meßgases zum
Elektrolyten mit Eintrittsöffnungen 15 versehen ist. Weiter besteht über eine Außenelektrode
16, die von dem Einsatz 14 aufgenommen wird, eine elektrische Verbindung vom Endstück
11 und damit vom Elektrolyten über den Einsatz 14 zum Schutzrohr 17. Da es sich
bei
der Außenelektrode 16 um ein Verschleißteil handelt, ist diese in der Form eines
großvolumigen Bauelements ausgebildet.
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Eventuell entstandene Ablagerungen im Bereich der Außenelektrode 16,
die durch die hohen Temperaturen und. die kohlenstoffhaltige Atmosphäre während
des Betriebs der Sonde entstehen, können bei. einem normalen Wartungs- und Inspektionsvorgang
durch das Hin- und Herdrehen des gesamten Rohrese 11, 12 und der dadurch entstehenden
Reibung zwischen dem Endstück 11 und der Au-Benelektrode 16 mechanisch abgelöst
werden.
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Das aus dem Endstück 11 und dem Verlängerungsstück 12 bestehende einseitig
geschlossene Rohr 11, 12 weist über seine gesamte Länge eine exzentrische Aussparung
auf, in der sich eine Innenelektrode 18, gegebenenfalls zusammen mit einem Thermoelement
20 zum Heizen und überwachen der Temperatur des Elektrolyten befindet.
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Rohr 11, 12, Schutzrohr 17 und Innenelektrode 18 werden von einem
Halter 22 aufgenommen. Dabei ist das Schutzrohr 17 im vorderen Teil des Halters
22 mit diesem verschraubt, wobei in diesem Bereich des Halters 22 sich auch die
z.B. ebenfalls geschraubte Verbindung der gesamten Sauerstoffmeßsonde z.B. mit einer
Wand eines Ofens o.dgl. befindet. Das einseitig geschlos--sene Rohr 11, 12 ist im
mittleren und hinteren Teil des Halters 22 über ein mit dem Verlängerungsstück 12
verklebtes Gleitstück 21 drehbar im Halter 22 gelagert.
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Zur Abdichtung des mit dem Meßgas gefüllten Raumes zwischen dem Rohr
11, 12 und dem Schutzrohr 17 ist vom Halter 22 zum Gleitstück 21 und damit zum Rohr
11, 12 eine Dichtung 23 aufgebracht. Diese besteht aus einem gummielastischen Balg,
der in bekannter Art und Weise mit den abzudichtenden Bauteilen verbunden wird.
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Am hinteren Teil des Halters 22 ist eine Kappe 24 mit demselben verschraubt,
die insbesondere die Aufgabe hat, eine Druckfeder
25 aufzunehmen.
Die Verlängerung des Gleitstücks 21 und die Kappe 24 sind dabei so aufgebaut, daß
die Druckfeder 25 sich zwischen diesen beiden Bauteilen befindet. Dadurch wird das
gesamte Rohr 11, 12 aufgrund des Drucks der Druckfeder 25 und aufgrund der Verklebung
des Gleitstücks 21 mit dem Verlängerungsstck 12 gegen die Außenelektrode 16 gedrückt.
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Der Halter 22 ist mit einem Gehäuse 26 verbunden, in dem sich des
weiteren auch noch Einrichtungen 28 für Wartungsmaßnahmen befinden, insbesondere
Einrichtungen zum manuellen oder automatischen Hin- und Herdrehen des Rohres 11,
12. Es sei noch erwähnt, daß die beschriebene Sauerstoffmeßsonde auch einen Anschluß
27 zur Gasentnahme aufweisen kann, mit dessen Hilfe Meßgas, z.B. aus dem Ofen, herausführbar
ist.
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Zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes eines Meßgases wird dasselbe,
wie schon erwähnt, über die Eintrittsöffnungen 15 dem Raum zwischen dem Schutzrohr
17 und dem Rohr 11, 12 zugeführt. Im Innenraum des einseitig geschlossenen Rohres
11, 12 befindet sich ein Referenzgas, vorzugsweise Luft, dessen Sauerstoffgehalt
bekannt ist. Aufgrund der verschiedenen Sauerstoffgehalte des Meßgases und des Referenzgases,
also der unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücke, ergibt sich im Bereich des sauerstoffionenleitenden
Festkörper-Elektrolyten, also im Bereich des Endstücks 11, eine elektrische Referenzspannung
zwischen der Außenelektrode 16 und der Innenelektrode 18. Diese Referenzspannung
kann erfaßt und an eine entsprechende elektrische Einrichtung zur Auswertung weitergegeben
werden.
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Zwingend notwendig für das zuverlässige Funktionieren des beschriebenen
Meßverfahrens ist die vollkommene Trennung des Meßgases und des Referenzgases, also
die vollkommene Dichtigkeit des aus dem Endstück 11 und dem Verbindungsstück 12
bestehenden Rohres 11, 12. pies wird dadurch erreicht, daß die radial zur Längsachse
des Rohres 11, 12 gerichteten Verbindungsflächen 13 des Endstücks 11 und des Verlängerungsstücks
12, z.B. durch
Läppen o.dgl., eine möglichst glatte und ebene Oberfläche
aufweisen. Die Verbindungsflächen 13 werden dabei von dem Stirnende des Verlängerungsstücks
12 einerseits und von einer Ringschulter des Endstücks 11 andererseits gebildet.
Liegen die genannten Vèrbindungsflächen 13 13 aneinander an und werden sie zusätzlich
noch, wie im Falle der beschriebenen Sauerstoffmeßsonde, mit Hilfe der Druckfeder
25 gegeneinander gedrückt, so entsteht dadurch in besonders vorteilhafter Weise
eine dichte Verbindung des Endstücks 11 und des Verlängerungsstücks 12. Der exakte
Sitz der beiden zuletzt genannten Bautejle kann durch Öffnungen 19 hindurch überwacht
werden, die gleichzeitig der Zufuhr von Meßgas zum Elektrolyten dienen.
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Wie schon erwähnt wurde und wie ebenfalls dem eingangs genannten Stand
der Technik entnommen werden kann, ist es vorteilhaft, das Rohr 11, 12 zum Zwecke
des Aufrechterhaltens des elektrischen Kontaktes gegenüber der Außenelektrode 16
hin- und herzudrehen. Dazu ist es beim vorliegenden Gegenstand notwendig, daß das
Endstück 11 und das Verlängerungsstück 12 nicht nur dicht, sondern gleichzeitig
drehfest miteinander verbunden sind, daß also eine Drehung des Verlängerungsstückes
12 eine entsprechende Drehung des Endstücks 11 zur Folge hat. Dies wird dadurch
erreicht, daß sich im gesamten Rohr 11, 12 eine exzentrische Aussparung befindet,
die die Innenelektrode 18 aufnimmt, die das Endstück 11 mit dem Verlängerungsstück
12 drehfest verbinden. Wird mit Hilfe der Einrichtung 28 das Rohr 11, 12 gedreht,
so wirkt die Innenelektrode 18 als Mitnehmer für das Verlängerungsstück 12, wie
auch für das Endstück 11, was eine gleichzeitige Drehung der beiden zuletzt genannten
Bauteile gewährleistet.
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Zur Verdeutlichung der Lage der Verbindungsflächen 13 und der Exzentrität
der Aussparung des Rohres 11, 12 sei schließlich noch auf die Fig. 2 und 3 verwiesen,
die das Endstück 11 vergrößert im Längsschnitt und einer Seitenansicht zeigen.
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Da auf den in den Ofen ragenden Teil der Sauerstoffmeßsonde relativ
hohe Temperaturen einwirken, werden sich das Endstück 11 und das Verlängerungsstück
12 entsprechend ihren Materialbeschaffenheiten ausdehnen. Die dabei sich ergebende
Längung des Rohres 11, 12 wird von der Druckfeder 25 aufgefangen. Damit jedoch auch
sonstige Dehnungen des Rohres 11, 12, insbesondere im Bereich der Verbindung des
Endstücks 11 und des Verlängerungsstücks 12, keine negativen Auswirkungen auf die
Funktionsfähigkeit der Sonde haben, ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich,
für die beiden zuletzt genannten Bauteile Materialien mit möglichst ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
zu wählen. Zu dem aus Zirkonoxid hergestellten Endstück 11 paßt deshalb gut Aluminiumoxid
für das Verlängerungsstück 12. Weiter ist es in diesem Zusammenhang und auch im
Hinblick auf einen einfachen Äustauschvorgang des Elektrolyten vorteilhaft, das
Endstück 11 in der Form eines leichten -Schiebesitzes mit dem Verlängerungsstück
12 zu verbinden.
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Bei einem Schaden an dem Elektrolyten ist es einfach möglich, das
Endstück 11 auszutauschen. Es muß dazu nur der Einsatz 14 des Schutzrohres 17 abgeschraubt
und zusammen mit der Außenelektrode 16 aus der Sonde herausgenommen werden. Danach
ist das defekte Endstück 11 zugänglich und kann ersetzt werden.
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Nach dem darauffolgenden Zusammenbau ergibt sich durch die ebenen
Verbindungsflächen 13 und die exzentrische Anordnung der Innenelektrode 18 automatisch
und zwingend wieder die völlige Funktionsfähigkeit der Sonde, einschließlich der
Möglichkeit des Hin- und Herdrehens des Rohres 11, 12 gegenüber der Außenelektrode
16 zu Wartungszwecken.
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Anstatt der bisher beschriebenen Möglichkeit der Verbindung des Endstücks
11 und des Verlängerungsstücks 12 durch möglichst glatte und ebene Oberflächen der
Verbindungsflächen 13 und die exzentrische Aufnahme der Innenelektrode 18 in das
Rohr 11, 12 ist es auch möglich, das Endstück 11 und das Verlängerungsstück 12 miteinander
in einer dichten und drehfesten Art und Weise zu
verschrauben.
Dazu können z.B. entsprechende Gewinde, so insbesondere sogenannte Rundschnecken,
in die Materialien eingearbeitet werden und/oder es könnten Gewindehülsen mit den
entsprechenden Bauteilen verklebt werden. Auch ist es denkbar, das Endstück 11 und
das Verlängerungsstück 12 z.B. mittels entsprechend temperaturfester Klebstoffe
direkt miteinander zu verkleben. Dabei muß es jedo-ch möglich sein, im Falle eines
notwendigen Austausches des Endstücks 11 den Klebstoff in einfa-cher Weise wieder
zu lösen. Weitere Möglichkeiten für die drehfeste Verbindung des Endstücks 11 und
des Verlängerungsstücks 12 bestehen auch noch in einer Nut-Feder-Passung-der bei-den
Bauteile oder in der Verwendung eines Klemmbolzens oder einer Klemmschraube. Bei
allen diesen Möglichkeiten kann es dabei notwendig oder sinnvoll sein, die in den
Figuren dargestellte Ausführungsform einer Sauerstoffmeßsonde in Abhängigkeit von
der speziellen Möglichkeit zu verändern.
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- Leeiseite -