DE3503155C2 - Sauerstoffmeßsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 1.

Sauerstoffmeßsonden werden insbesondere in stark kohlenstoff­ haltigen Atmosphären, beispielsweise auch in Aufkohlungsein­ richtungen, eingesetzt. Eine bekannte Sauerstoffmeßsonde (DE 31 18 447 C1) weist einen Sauerstoffionen leitenden Festelektro­ lyten auf, der in der Form eines einseitig geschlossenen, lan­ gen Rohres ausgebildet ist. Tritt bei der bekannten Sauerstoff­ meßsonde ein Schaden an dem Festelektrolyten auf, so ist es notwendig, die gesamte Sonde auszubauen, um den Festelektro­ lyten ersetzen zu können. Im Falle eines Schadens an dem Fest­ elektrolyten muß dieser als Ganzes ausgetauscht werden, was aufgrund der teilweise beachtlichen Baugröße des rohrförmigen Festelektrolyten hohe Ersatzteilkosten zur Folge hat.

Um den Festelektrolyten zu verkleinern, ist es bekannt (DE 29 13 633 A1) den Festelektrolyten als ein einseitig geschlosse­ nes, kurzes Rohr auszubilden. Dieses kurze Rohr, das alleine in die zu messende Gasatmosphäre reicht, ist dichtend in einem Ge­ häuseeinsatz gehalten und abgedichtet. Die Innenelektrode des Festelektrolyten reicht bis zu seinem axialen Ende und wird dort mit einer Kontaktplatte kontaktiert. Diese Kontaktplatte wird mittels einer Tellerfeder gegen das Ende des Festelektro­ lyten angedrückt, wobei zwischen der Kontaktplatte und der Tel­ lerfeder ein Keramikrohr angeordnet ist. Dieses Keramikrohr reicht nicht in die zu messende Gasatmosphäre hinein. Es ist vielmehr innen und außen mit einem Referenzgas umströmt, das durch die mit Schlitzen versehene Kontaktplatte hindurch in das Innere des als geschlossenes Rohrstück ausgebildeten Festelek­ trolyten gelangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sauerstoffmeß­ sonde so weiterzubilden, daß im Falle eines Defektes des Fest­ elektrolyten dieser auf einfache und kostengünstige Weise er­ setzt werden kann. Dabei darf jedoch die Funktionsweise und die Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde während ihres Betrie­ bes nicht beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Aufgrund der Merkmale des Patentanspruches 1 wird es möglich, das als Endstück ausgebildete Festelektrolytteil einfach und kostengünstig auszutauschen, wobei das Festelektrolytteil selbst relativ kurz ist. Dennoch wird eine sichere Funktion der Sauerstoffmeßsonde gewährleistet.

Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die nachfolgende Beschreibung gibt ein in den Zeichnungen dar­ gestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Sauerstoffmeßsonde,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Endstück und

Fig. 3 eine Ansicht auf das Endstück der Fig. 2 in Rich­ tung des Pfeiles A.

Die in der Fig. 1 gezeigte Sauerstoffmeßsonde umfaßt einen sau­ erstoffionenleitenden Festelektrolyten, der in der Form eines einseitig geschlossenen, rohrförmigen Endstücks 11 ausge­ bildet ist, und der über Verbindungsflächen 13, auf deren Funk­ tion und Aufbau noch näher eingegangen wird, mit einem beidsei­ tig offenen, ebenfalls rohrförmigen Verlängerungsstück 12 ver­ bunden ist. Dabei stoßen an der Verbindungsstelle jeweils offe­ ne Enden der beiden rohrförmigen Stücke derart aufeinander, daß insgesamt ein einseitig geschlossenes Rohr 11, 12 entsteht.

Das Rohr 11, 12 ist mit Abstand konzentrisch von einem Schutz­ rohr 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 Festelektrolyten 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 Festelektrolyten 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. Eventuell entstandene Ablagerungen im Bereich der Außenelektro­ de 16, die durch die hohen Temperaturen und die kohlenstoffhal­ tige Atmosphäre während des Betriebs der Sonde entstehen, kön­ nen bei einem normalen Wartungs- und Inspektionsvorgang durch das Hin- und Herdrehen des gesamten Rohres 11, 12 und der da­ durch entstehenden Reibung zwischen dem Endstück 11 und der Au­ ßenelektrode 16 mechanisch abgelöst werden.

Das aus dem Endstück 11 und dem Verlängerungsstück 12 bestehen­ de einseitig geschlossene Rohr 11, 12 weist über seine gesamte Länge eine exzentrische Aussparung auf, in der sich eine Innen­ elektrode 18, gegebenenfalls zusammen mit einem Thermoelement 20 zum Heizen und Überwachen der Temperatur des Festelektrolyten befindet.

Rohr 11, 12, Schutzrohr 17 und Innenelektrode 18 werden von ei­ nem Halter 22 aufgenommen. Dabei ist das Schutzrohr 17 im vor­ deren Teil des Halters 22 mit diesem verschraubt, wobei in die­ sem Bereich des Halters 22 sich auch die z. B. ebenfalls ge­ schraubte 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.

Zur Abdichtung des mit dem Meßgas gefüllten Raumes zwischen dem Rohr 11, 12 und dem Schutzrohr 17 ist vom Halter 22 zum Gleit­ stück 21 und damit zum Rohr 11, 12 eine Dichtung 23 aufge­ bracht. Diese besteht aus einem gummielastischen Balg, der in bekannter Art und Weise mit den abzudichtenden Bauteilen ver­ bunden wird.

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 ge­ samte Rohr 11, 12 aufgrund des Drucks der Druckfeder 25 und aufgrund der Verklebung des Gleitstücks 21 mit dem Verlänge­ rungsstück 12 gegen die Außenelektrode 16 gedrückt.

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 automa­ tischen Hin- und Herdrehen des Rohres 11, 12. Es sei noch er­ wähnt, daß die beschriebene Sauerstoffmeßsonde auch einen An­ schluß 27 zur Gasentnahme aufweisen kann, mit dessen Hilfe Meß­ gas, z. B. aus dem Ofen, herausführbar ist.

Zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes eines Meßgases wird dassel­ be, 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 Sauerstoffge­ halt bekannt ist. Aufgrund der verschiedenen Sauerstoffgehalte des Meßgases und des Referenzgases, also der unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücke, ergibt sich im Bereich des sauerstoff­ ionenleitenden Festelektrolyten, also im Bereich des Endstücks 11, eine elektrische Referenzspannung zwischen der Außenelektrode 16 und der Innenelektrode 18. Diese Referenz­ spannung kann erfaßt und an eine entsprechende elektrische Ein­ richtung zur Auswertung weitergegeben werden.

Zwingend notwendig für das zuverlässige Funktionieren des be­ schriebenen Meßverfahrens ist die vollkommene Trennung des Meß­ gases und des Referenzgases, also die vollkommene Dichtigkeit des aus dem Endstück 11 und dem Verbindungsstück 12 bestehenden Rohres 11, 12. Dies 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 auf­ weisen. Die Verbindungsflächen 13 werden dabei von dem Stirnen­ de des Verlängerungsstücks 12 einerseits und von einer Ring­ schulter des Endstücks 11 andererseits gebildet. Liegen die ge­ nannten Verbindungsflächen 13 aneinander an und werden sie zu­ sätzlich noch, wie im Falle der beschriebenen Sauerstoffmeßson­ de, mit Hilfe der Druckfeder 25 gegeneinander gedrückt, so ent­ steht dadurch in besonders vorteilhafter Weise eine dichte Ver­ bindung des Endstücks 11 und des Verlängerungsstücks 12. Der exakte Sitz der beiden zuletzt genannten Bauteile kann durch Öffnungen 19 hindurch überwacht werden, die gleichzeitig der Zufuhr von Meßgas zum Festelektrolyten dienen.

Wie schon erwähnt wurde und wie ebenfalls dem eingangs genann­ ten Stand der Technik entnommen werden kann, ist es vorteil­ haft, das Rohr 11, 12 zum Zwecke des Aufrechterhaltens des elektrischen Kontaktes gegenüber der Außenelektrode 16 hin- und herzudrehen. Dazu ist es beim vorliegenden Gegenstand notwen­ dig, 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 exzen­ trische Aussparung befindet, die die Innenelektrode 18 auf­ nimmt, die das Endstück 11 mit dem Verlängerungsstück 12 dreh­ fest verbindet. 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 Bautei­ le gewährleistet.

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 ver­ größert im Längsschnitt und einer Seitenansicht zeigen.

Da auf den in den Ofen ragenden Teil der Sauerstoffmeßsonde re­ lativ hohe Temperaturen einwirken, werden sich das Endstück 11 und das Verlängerungsstück 12 entsprechend ihren Materialbe­ schaffenheiten ausdehnen. Die dabei sich ergebende Längung des Rohres 11, 12 wird von der Druckfeder 25 aufgefangen. Damit je­ doch auch sonstige Dehnungen des Rohres 11, 12, insbesondere im Bereich der Verbindung des Endstücks 11 und des Verlängerungs­ stücks 12, keine negativen Auswirkungen auf die Funktionsfähig­ keit 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 Austauschvorgang des Festelektrolyten vorteilhaft, das Endstück 11 in der Form eines leichten Schiebesitzes mit dem Verlängerungsstück 12 zu verbinden.

Bei einem Schaden an dem Festelektrolyten ist es einfach möglich, das Endstück 11 auszutauschen. Es muß dazu nur der Einsatz 14 des Schutzrohres 17 abgeschraubt und zusammen mit der Außen­ elektrode 16 aus der Sonde herausgenommen werden. Danach ist das defekte Endstück 11 zugänglich und kann ersetzt werden. 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 Außen­ elektrode 16 zu Wartungszwecken.

Claims (7)

1. Sauerstoffmeßsonde bestehend aus einem Schutzrohr (17), das ein Keramikrohr umgibt, das an ein Festelektrolytteil mittels einer Druckfeder (25) angedrückt ist, wobei das Refe­ renzgas die Innenseite des Festelektrolytteils beaufschlagt und die Trennstelle zwischen dem als Verlängerungsstück (12) die­ nenden Keramikrohr und dem als ein austauschbares Endstück (11) dienenden Festelektrolytteil im Bereich der zu messenden Gas­ atmosphäre liegt, und wobei das Keramikrohr und das Festelek­ trolytteil an Dichtflächen (13) gasdicht aneinanderliegen.

2. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Endstück (11) rohrförmig gestaltet und drehfest mit dem Verlängerungsstück (12) verbunden ist.

3. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die umlaufenden Verbindungsflächen (13) glatte, geläppte Oberflächen aufweisen.

4. Sauerstoffmeßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Endstück (11) und das Verlänge­ rungsstück (12) über einen in exzentrisch angeordnete Ausspa­ rungen eingreifenden Mitnehmer drehfest verbunden sind.

5. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die exzentrische Aussparung des einseitig geschlossen­ en Rohres (11, 12) als Mitnehmer eine Innenelektrode (18) auf­ nimmt.

6. Sauerstoffmeßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Endstück (11) und das Verlänge­ rungsstück (12) aus Materialien mit möglichst ähnlichen Tempe­ raturausdehnungskoeffizienten bestehen, vorzugsweise aus Zir­ konoxid und aus Aluminiumoxid.

7. Sauerstoffmeßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem Schutzrohr (17) ein die Außen­ elektrode (16) aufnehmender Einsatz (14) lösbar angebracht ist.