DE3621652C1 - Measuring probe for analyzing a gas and using the same - Google Patents
Measuring probe for analyzing a gas and using the sameInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßsonde zur Analyse eines Gases, mit mindestens einem beidseits mit einer Abgriffelektrodenanordnung versehenen Wandabschnitt aus ionenselektivem Material, der einen Meßgasraum mit einer Meßgasaufnahmeeinrichtung von einem Referenzgasraum trennt, sowie eine Anwendung der Meßsonde, mit mindestens zwei Öffnungen zur Aufnahme eines Meßgases, deren Achsen, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Richtung A, wenigstens nahezu senkrecht zueinander angeordnet sind, zur Analyse eines strömenden Gases.The present invention relates to a measuring probe for analyzing a gas, with at least one wall section made of ion-selective material with a tap electrode arrangement on both sides, which separates a measuring gas chamber with a measuring gas receiving device from a reference gas chamber, and an application of the measuring probe with at least two openings for receiving a measuring gas. whose axes, projected onto a plane perpendicular to the direction A , are arranged at least almost perpendicular to one another for the analysis of a flowing gas.
Derartige Meßsonden werden zur Gasanalyse in der Energie- und Verfahrenstechnik, wie zur Optimierung von Verbrennungsprozessen, eingesetzt. Dabei besteht gerade im Einsatz an Prozessen, bei welchen das Meßmedium strömt und durch Feststoffpartikel kontaminiert ist, das Problem, daß zusammen mit dem zu analysierenden Gas Feststoffpartikel in den Meßgasraum transportiert werden und Anlaß zu Fehlmessungen geben. Ein typisches Beispiel eines derart mit Feststoffpartikeln durchsetzten Meßmediums ist Rauch beim Einsatz derartiger Sonden zur O₂-Messung bei der Überwachung von Verbrennungsprozessen.Such measuring probes are used for gas analysis in energy and process engineering, such as to optimize combustion processes, used. It is just in use in processes in which the measuring medium flows and is contaminated by solid particles, the problem that together with the gas to be analyzed solid particles be transported into the sample gas space and Give cause for incorrect measurements. A typical example of a measuring medium thus permeated with solid particles is smoke when using such probes O₂ measurement when monitoring combustion processes.
Die Erfindung setzt sich primär zum Ziel, an einer Meßsonde eingangs genannter Art eine Konzentrationsübertragung innerhalb der Meßsonde von der Meßgasaufnahme zum Wandabschnitt ohne Transport von Feststoffpartikeln zu realisieren.The invention is primarily aimed at one Measuring probe of the type mentioned a concentration transfer within the probe from the sample gas intake to the wall section without transporting solid particles to realize.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich die Querschnittsfläche des Meßgasraumes in Richtung vom Wandabschnitt gegen die Meßgasaufnahmeeinrichtung gemäßThis is inventively solved in that the cross-sectional area of the sample gas space in the direction from the wall section against the sample gas receiving device according to
F(x) = k · x n F (x) = k · x n
erweitert, wobei bedeuten:extended, meaning:
x:ein betrachteter Abstand vom wandabschnittseitigen Ende des Meßgasraumes gegen die Meßgasaufnahmeeinrichtung hin,F(x):die für das Meßgas freie Querschnittsfläche des Meßgasraumes am Ort x,k:ein Koeffizient, k<0,n:ein Exponent mit n2. x : a considered distance from the wall section end of the sample gas chamber towards the sample gas receiving device, F (x) : the free cross-sectional area of the sample gas space at the location x , k : a coefficient, k <0, n : an exponent with n 2.
Dadurch wird ermöglicht, daß die Konzentrationsübertragung des zu bestimmenden Gases, beispielsweise O₂, vom Meßmedium zum Wandabschnitt ausschließlich aufgrund von Diffusion, ohne Konvektion, erfolgen kann, ohne daß dabei aber die Übertragungszeit bzw. die Reaktionszeit zwischen Konzentrationsänderung im Meßmedium und Änderung des abgegriffenen Signals unbrauchbar lange würde, so daß sich eine derartige Meßsonde nur schlecht als Regelgrößenaufnehmer in einem Regelkreis eignen würde.This enables concentration transfer of the gas to be determined, for example O₂, from the measuring medium to the wall section solely on the basis of diffusion, without convection, without the transmission time or the Response time between changes in concentration in the medium and changing the tapped signal unusable would be long, so that such Measuring probe poorly as a controlled variable pickup in would be suitable for a control loop.
Dadurch, daß sich nämlich der Meßgasraum von der Meßgasaufnahmeeinrichtung, z. B. hohlkegelartig, dann mit n=2 zum Wandabschnitt hin verjüngt, wird die Ansprechgeschwindigkeit auf Konzentrationsänderungen des Meßgases in der Meßgasaufnahmeeinrichtung um ca. einen Faktor 3 erhöht, verglichen mit zylindrischer, linearer Verbindung (n=0) zwischen Meßgasaufnahmeeinrichtung und Wandabschnitt. Durch Vorsehen dieser Maßnahme wird die Ansprechgeschwindigkeit der Meßsonde so, daß sie trotz alleiniger Ausnützung der Diffusion auch für regeltechnische Aufgaben oder Steuerungsaufgaben, die einen raschen Eingriff aufgrund mit der Sonde erfaßter Resultate notwendig machen, eingesetzt werden kann. Durch Ausnützung der Diffusion zur Konzentrationsübertragung innerhalb der Meßsonde wird aber verhindert, daß im Meßmedium vorhandene Feststoffpartikel sich auf dem meßaktiven Wandabschnitt niederschlagen können.The fact that the sample gas space from the sample gas receiving device, for. B. hollow cone-like, then tapered towards the wall section with n = 2, the response speed to changes in the concentration of the sample gas in the sample gas receiving device is increased by a factor of 3 compared to a cylindrical, linear connection (n = 0) between the sample gas receiving device and the wall section. By providing this measure, the response speed of the measuring probe is such that, despite the diffusion being used solely, it can also be used for regulating tasks or control tasks which necessitate rapid intervention on the basis of results recorded with the probe. By utilizing the diffusion to transfer the concentration within the measuring probe, however, solid particles present in the measuring medium are prevented from being able to deposit on the active wall section.
Insbesondere wenn die Meßsonde in einem strömenden Meßmedium eingesetzt werden soll, muß weiter sichergestellt werden, daß möglichst keine Feststoffpartikel in den Meßgasraum eingeblasen werden.Especially when the measuring probe is flowing Medium to be used must be ensured further be that as few solid particles as possible be blown into the sample gas space.
Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Meßgasaufnahmeeinrichtung mindestens zwei, höchstens aber drei Öffnungen zur Aufnahme eines Meßgases aufweist, deren Achsen, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Richtung A, wenigstens nahezu senkrecht zueinander angeordnet sind. This is preferably achieved in that the measuring gas receiving device has at least two, but at most three, openings for receiving a measuring gas, the axes of which, when projected onto a plane perpendicular to the direction A , are arranged at least almost perpendicular to one another.
Wird nun eine derartige Meßsonde so in ein strömendes Meßmedium eingeführt, daß in Strömungsrichtung betrachtet nur hinter der Meßsonde und diesbezüglich je links und rechts Öffnungen liegen, d. h. auf der Luv- bzw. Stau-Seite keine Öffnung liegt, so umfliegen Festkörper im Meßmedium die Meßsonde, ohne in den Meßgasraum einzutreten. Hingegen bewirkt die Umströmung der Meßgasaufnahme, daß Meßgas auf der an der hinteren Seite, der Lee- bzw. Abstrom-Seite, vorgesehenen Öffnung eintritt und, bedingt durch den durch die Umströmung bewirkten Unterdruck, rechts und links aus dem Meßgasraum wieder abgesogen wird. Es entsteht senkrecht zur Hohlkegelachse eine festkörperfreie Gasströmung, bedingt durch die erwähnte aerodynamische Feststoffabtrennung.If such a measuring probe is now flowing into a Measuring medium introduced that viewed in the direction of flow only behind the probe and in this regard there are openings on the left and right, d. H. on the windward or there is no opening on the traffic jam side, solid bodies fly around the measuring probe in the measuring medium, without entering the measuring gas space to enter. In contrast, the flow around the Sample gas intake, that sample gas on the on the rear side, the opening on the lee or downstream side and, due to that caused by the flow Vacuum, right and left from the sample gas chamber again is sucked off. It is created perpendicular to the hollow cone axis a solid-free gas flow, conditional due to the aerodynamic separation of solids.
Um im weiteren eine gute örtliche Temperaturkonstante im Bereich des meßaktiven Wandabschnittes sicherzustellen sowie zu verhindern, daß Meßgas in die Wandung des Meßgasraumes eindiffundiert, die dann als Langzeitspeicher für momentane Meßgaszustände wirkt, und nachmalige Messung verfälscht, wird vorgeschlagen, daß der Meßgasraum teilweise durch poröses Wärmeisoliermaterial begrenzt ist, wobei dessen dem Meßgasraum zugekehrte Oberfläche mit einer gasdiffusionshemmenden Beschichtung versehen ist. Als poröses Wärmeisoliermaterial wird beispielsweise ein keramisches Material eingesetzt, das mittels einer Glasur beschichtet ist, als gasdiffusionshemmende Beschichtung. To furthermore a good local temperature constant ensure in the area of the measuring active wall section as well as to prevent sample gas in the wall of the sample gas space diffused, which then as Long-term storage for current sample gas states and falsified subsequent measurement, it is proposed that the measuring gas space is partially covered by porous heat insulation material is limited, the measuring gas space facing surface with a gas diffusion inhibiting Coating is provided. As a porous thermal insulation material becomes a ceramic, for example Material used that is coated by means of a glaze is as a gas diffusion-inhibiting coating.
Dadurch, daß der Wandabschnitt durch einen Rohrwandabschnitt gebildet ist, wobei im Rohr ein Heizelement so zentriert ist, daß ein gleichmäßiger Zutritt von Referenzgas zur Elektrodenanordnung sichergestellt ist, wird einerseits erreicht, daß der Wandabschnitt regelmäßig erwärmt werden kann, ohne daß das Heizelement dem möglicherweise korrosiven Meßgas ausgesetzt wäre, wobei die Sicherstellung eines gleichmäßigen Zutrittes von Referenzgas an die dem Referenzgasraum zugekehrte Elektrodenanordnung für genaues Messen mit einer zeitlich konstanten Referenz wesentlich ist. Ein Heizelement wird vorgesehen, wenn in bekannter Art und Weise der Wandabschnitt aus einem Material besteht, das erst bei höheren Temperaturen seine ionenselektive Eigenschaft annimmt, die beispielsweise aus Zirkonoxid gefertigt ist.Characterized in that the wall section through a tube wall section is formed, with a heating element in the tube is centered so that even access from Reference gas for the electrode arrangement ensured is achieved on the one hand that the wall section can be heated regularly without the heating element exposed to the possibly corrosive sample gas would be, ensuring an even one Access of reference gas to the reference gas space facing electrode arrangement for precise measurement with a constant reference over time is essential. A heating element is provided if known in the art Way the wall section made of one material exists that its ion-selective only at higher temperatures Property that takes for example Zirconia is made.
Um im weiteren einerseits sicherzustellen, daß kein Referenzgas in den Meßgasraum eintritt, und im weiteren zu ermöglichen, daß sich der Wandabschnitt unter thermischer Belastung frei ausdehnen bzw. kontrahieren kann, wird vorgeschlagen, daß der Wandabschnitt durch einen Wandabschnitt eines Rohres gebildet ist, das in einem elektrischen Isolierkörper mittels einer federnd gespannten Stopfbüchse dicht gehalten ist.To further ensure on the one hand that no Reference gas enters the sample gas space, and further to allow the wall section under Free expand or contract thermal load can, it is proposed that the wall section through a wall section of a tube is formed, the in an electrical insulating body by means of a resilient cocked stuffing box is kept tight.
Dadurch, daß ein elektrischer Isolierkörper, wie aus einem Keramikmaterial, gewählt wird, wird auch ermöglicht, daß das Rohr mit dem Wandabschnitt in einem metallischen Außengehäuse montiert werden kann, das beispielsweise als elektrischer Schirm auf Massepotential gelegt werden kann. The fact that an electrical insulator, such as from a ceramic material, is also made possible that the pipe with the wall section in one metallic outer casing can be mounted that for example as an electrical screen at ground potential can be placed.
Wird, wie weiter vorgeschlagen, mindestens eine Leitung in den Meßgasraum vorgesehen, selbstverständlich mit einem entsprechenden Absperrorgan, so wird es möglich, in den Meßgasraum ein Kalibriergas einzuführen, um die Meßsonde zu kalibrieren, oder es wird möglich, im Betrieb aus dem Meßgasraum eine Gasentnahme vorzunehmen, für weitere Analysen.Will, as suggested further, at least one line provided in the sample gas space, of course with a corresponding shut-off device, see above it becomes possible to place a calibration gas in the sample gas chamber to calibrate the probe, or it becomes possible to operate one from the sample gas chamber during operation Gas sampling for further analysis.
Um im weiteren mit der Meßsonde vorgenommene Messungen nicht zu verfälschen, wird vorgeschlagen, daß elektrische Anschlüsse für die Meßsonde an einem dem Heizelement abgekehrten Ende des obengenannten elektrischen Isolierkörpers angeordnet sind, wodurch sichergestellt ist, daß die elektrischen Anschlüsse weitgehendst auf gleicher Temperatur liegen, wodurch Verfälschungen durch unterschiedliche Thermospannungen an den Anschlüssen verhindert werden.For further measurements made with the measuring probe not to falsify, it is proposed that electrical Connections for the measuring probe on one of the heating elements opposite end of the above electrical Insulating body are arranged, which ensures is that the electrical connections are largely are at the same temperature, causing falsifications due to different thermal voltages at the connections be prevented.
Im weiteren wird einerseits aus Explosions-Sicherheitsgründen vorgeschlagen, daß im Bereiche der Meßgasaufnahmeeinrichtung eine Flammensperre den Meßgasraum unterteilt, die Meßgasturbulenzen in der Aufnahmeeinrichtung gegen den Wandabschnitt hin dämpft, womit zusätzlich zu ihrer eigentlichen Funktion die Flammensperre als turbulenzdämpfendes Organ wirkt und damit noch zusätzlich verhindert, daß Feststoffpartikel in den Meßgasraum gegen den meßaktiven Wandabschnitt gefördert werden. Furthermore, on the one hand, for explosion safety reasons proposed that in the area of the sample gas receiving device a flame arrester the sample gas chamber divided, the measuring gas turbulence in the receiving device dampens against the wall section, with what in addition to their actual function, the flame arrester acts as a turbulence-damping organ and thus additionally prevents solid particles into the sample gas space against the active wall section be promoted.
Um im weiteren möglichst isotherme Verhältnisse im Bereich des meßaktiven Wandabschnittes zu schaffen, wird vorgeschlagen, daß der Wandabschnitt durch einen Rohrabschnitt gebildet ist, wobei Wärmeisoliermaterial axial vor und hinter dem Abschnitt vorgesehen ist, dessen dem Meßgasraum zugekehrte Oberfläche aus oben abgehandelten Gründen mit einer gasdiffusionshemmenden Schicht versehen ist. Damit wird der meßaktive Wandabschnitt praktisch vom Wärmeisoliermaterial genannter Art umgeben, womit die erwähnten thermischen Verhältnisse erfüllt werden.In order to keep isothermal conditions in the To create the area of the active wall section, it is proposed that the wall section by a Pipe section is formed, using thermal insulation material is provided axially in front of and behind the section whose surface facing the measuring gas space from above dealt with reasons with a gas diffusion inhibiting Layer is provided. This is the measuring active wall section practically named from the thermal insulation material Kind surrounded by what the thermal conditions mentioned be fulfilled.
In einer Anwendung der Meßsonde mit mindestens zwei Öffnungen zur Aufnahme eines Meßgases, deren Achsen, projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Richtung A, wenigstens nahezu senkrecht zueinander angeordnet sind, also senkrecht zu einer Gasdiffusionsrichtung zwischen Meßgasaufnahmeeinrichtung und meßaktivem Wandabschnitt und zur Analyse eines strömenden Gases wird nun weiter vorgeschlagen, daß man keine der Öffnungen an der Luv-Seite bezüglich des die Meßgasaufnahmeeinrichtung umströmenden Gases anordnet, womit nun in der Anwendung sichergestellt ist, daß, wie bereits oben erläutert wurde, keine Feststoffpartikel in den Meßgasraum eindringen.In an application of the measuring probe with at least two openings for receiving a measuring gas, the axes of which, projected onto a plane perpendicular to the direction A , are at least almost perpendicular to one another, i.e. perpendicular to a gas diffusion direction between the measuring gas receiving device and the measuring active wall section and for the analysis of a flowing gas now further proposed that none of the openings on the windward side be arranged with respect to the gas flowing around the measuring gas receiving device, which now ensures in the application that, as already explained above, no solid particles penetrate into the measuring gas space.
Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. The invention is then based on, for example explained by figures.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Meßsonde, Fig. 1 shows a longitudinal section through a measurement probe,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie I-I durch die Meßsonde gemäß Fig. 1, Fig. 2 shows a section according to line II through the probe according to FIG. 1,
Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie III-III durch die Meßsonde gemäß Fig. 1. Fig. 3 is a section according to line III-III through the probe of FIG. 1.
Die Erfindung wird am Beispiel einer O₂-Meßsonde zum Anordnen in einen Rauchgaskanal beschrieben. Die erfindungsgemäße Sonde umfaßt ein Zirkonoxidrohr 1, das endständig verschlossen ist und in seinem Inneren einen Referenzgasraum 3 bildet. Am unteren Ende des Zirkonoxidrohres 1 ist auf seiner äußeren Mantelfläche eine Meßgaselektrode 5 in Form einer Platinschicht vorgesehen, ihr über die Zirkonoxidwandung gegenüberliegend eine Referenzgaselektrode 7, ebenfalls als Platinschicht ausgebildet. Das Zirkonoxidrohr 1 ragt an der Spitze in einen sich z. B. hohlkegelartig erweiternden Meßgasraum 9 ein, der außen durch einen Wärmeisolierkörper 11 begrenzt ist. Der Wärmeisolierkörper 11 besteht vorzugsweise aus einem keramischen Material. Endständig ist am Zirkonoxidrohr 1 ein zweiter Wärmeisolierkörper 13 vorgesehen. Die dem Meßgasraum 9 zugekehrten Oberflächen der Isolierkörper 11 und 13 sind mit einer gasdiffusionshemmenden Schicht 13 a bzw. 11 a versehen, z. B. einer Glasglasur. Vom Zirkonoxidrohr 1 liegt im Meßgasraum 9, begrenzt durch die Körper 11 und 13, nur gerade der mit den beiden Elektroden 7 bzw. 5 bedeckte meßaktive Abschnitt frei. Damit sind im Bereich dieses Abschnittes isotherme Verhältnisse sichergestellt.The invention is described using the example of an O₂ measuring probe for arrangement in a flue gas duct. The probe according to the invention comprises a zirconium oxide tube 1 , which is closed at the ends and forms a reference gas space 3 in its interior. At the lower end of the zirconium oxide tube 1 , a measuring gas electrode 5 in the form of a platinum layer is provided on its outer circumferential surface, a reference gas electrode 7 opposite it, also formed as a platinum layer, via the zirconium oxide wall. The zirconium oxide tube 1 protrudes at the top in a z. B. hollow cone-like expanding gas chamber 9 , which is limited on the outside by a heat insulating body 11 . The heat insulating body 11 is preferably made of a ceramic material. A second heat insulating body 13 is provided at the end on the zirconium oxide tube 1 . The surfaces of the insulating bodies 11 and 13 facing the measuring gas chamber 9 are provided with a gas diffusion-inhibiting layer 13 a and 11 a , for. B. a glass glaze. From Zirkonoxidrohr 1 only just of the two electrodes 7 and 5 covered meßaktive portion is located in the measurement gas space 9 bounded by the body 11 and 13, free. This ensures isothermal conditions in the area of this section.
Ausgehend von diesem Abschnitt erweitert sich die für das Meßgas freie Querschnittsfläche F des Meßgasraumes 9, in Funktion des Abstandes x, der betrachteten Querschnittsfläche F von seinem abschnittseitigen Ende, nach dem AusdruckProceeding from this section, the cross-sectional area F of the measuring gas space 9 free for the measuring gas expands as a function of the distance x of the cross-sectional area F under consideration from its end on the section side after the printout
F(x) = k · x n F (x) = k · x n
wobei k ein Koeffizient ist, und für den Exponenten n giltwhere k is a coefficient and applies to the exponent n
n 2. n 2.
Für eine Hohlkegelform gilt n=2, wogegen für eine Zylinderform n=0 gelten würde.For a hollow cone shape n = 2 applies, whereas for a cylindrical shape n = 0 would apply.
Durch die erwähnte Erweiterung bzw. Verengung wird erreicht, daß die Diffusion in -x-Richtung ca. um einen Faktor 3 schneller wird, als wenn keine Verengung vorläge. Der Meßgasraum 9 ist über eine Flammensperre 14 von einer Meßgasaufnahmeeinrichtung 16 getrennt. Der Körper 11 und die Flammensperre 14 sind in einem unteren Schutzrohr 18 montiert, an welchem sich der Wärmeisolierkörper 11 unten abstützt, wobei das Schutzrohr 18 die Flammensperre 14 und einen Reinigungsdeckel 15 nach unten überragt. Zwischen der Flammensperre 14 und dem Deckel 15 ist die eigentliche Meßgasaufnahmeeinrichtung 16 mit einem Meßgasaufnahmeraum 21 definiert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind im unteren Schutzrohr 28 an der Meßgasaufnahmeeinrichtung 16 zwei, höchstens drei Öffnungen 23 bzw. 25 vorgesehen. Diese Öffnungen sind entlang des Umfanges des Rohres 18 um je 90° zueinander versetzt angeordnet, derart, daß die Öffnungsachsen, projiziert auf eine Ebene E senkrecht zur Richtung x bzw. der Rohrachse A, zueinander wenigstens nahezu rechtwinklig stehen.As a result of the aforementioned expansion or narrowing, the diffusion in the x direction becomes about a factor 3 faster than if there was no narrowing. The measuring gas chamber 9 is separated from a measuring gas receiving device 16 via a flame arrester 14 . The body 11 and the flame arrester 14 are mounted in a lower protective tube 18 , on which the heat insulating body 11 is supported at the bottom, the protective tube 18 projecting downward beyond the flame arrester 14 and a cleaning cover 15 . Between the flame arrester 14 and the cover 15 , the actual measuring gas receiving device 16 with a measuring gas receiving space 21 is defined. As can be seen from FIG. 2, two, at most three openings 23 and 25 are provided in the lower protective tube 28 on the measuring gas receiving device 16 . These openings are arranged offset along the circumference of the tube 18 by 90 ° to one another, such that the opening axes, projected onto a plane E perpendicular to the direction x or the tube axis A , are at least almost at right angles to one another.
Vorzugsweise sind drei derartige Öffnungen vorgesehen. Oberhalb des Wärmeisolierkörpers 11 ist ein elektrischer Isolierkörper 27, vorzugsweise ebenfalls aus einem keramischen Material gefertigt, vorgesehen, mit einem Flansch 29. Der Flansch 29 ist zwischen dem unteren Schutzrohr 18 und einem oberen Schutzrohr 31 mit Hilfe einer Muffe 33 mit gegenläufigen Gewinden festgespannt. Zur Sicherstellung einer guten Dichtheit sind an den Flanschflanken Flachdichtungen 35 vorgesehen. Das Zirkonoxidrohr 1 ragt durch eine entsprechende Bohrung durch den elektrischen Isolierkörper 27 und ist dort eingespannt, mittels einer Stopfbuchse 43, die durch eine Feder 37, zwischen einem Bügel 39 an der Oberseite des Körpers 27 und einer Stopfbuchsbrille 41 gespannt ist. Die Feder 37 hält dabei die Stopfbuchse 43 gepreßt, auch wenn letztere bei höheren Temperaturen zusammensackt.Preferably three such openings are provided. An electrical insulating body 27 , preferably also made of a ceramic material, with a flange 29 is provided above the heat insulating body 11 . The flange 29 is clamped between the lower protective tube 18 and an upper protective tube 31 by means of a sleeve 33 with opposing threads. Flat seals 35 are provided on the flange flanks to ensure good tightness. The zirconium oxide tube 1 projects through a corresponding bore through the electrical insulating body 27 and is clamped there, by means of a stuffing box 43 which is tensioned by a spring 37 between a bracket 39 on the upper side of the body 27 and a stuffing box gland 41 . The spring 37 keeps the gland 43 pressed, even if the latter collapses at higher temperatures.
Im Zirkonoxidrohr 1 ist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, in seinem aktiven Bereich mit den Elektroden 5, 7 eine Heizpatrone 45 zentriert, mit Hilfe eines Mantelthermoelementes 47 und zweier Zentrierdrähte 49. Die Anschlüsse 5 a bzw. 7 a zur Meßgaselektrode bzw. Referenzgaselektrode sind vorzugsweise mittels Platindrähten direkt auf Stützpunkte am elektrischen Isolierkörper 27 geführt, von denen sie extern abgeleitet werden. Auch die übrigen elektrischen Anschlüsse (nicht dargestellt) für die Heizpatrone 45 und das Thermoelement 47 sind vorzugsweise auf solche Stützpunkte an dem der Heizpatrone 45 abgekehrten Ende des elektrischen Isolierkörpers 27 geführt.In Zirkonoxidrohr 1 is, as shown in FIG. 3, a heating cartridge 45 centered in its active region to the electrodes 5, 7, by means of a sheathed thermocouple 47 and two Zentrierdrähte 49th The connections 5 a and 7 a to the measuring gas electrode or reference gas electrode are preferably led by means of platinum wires directly to support points on the electrical insulating body 27 , from which they are derived externally. The other electrical connections (not shown) for the heating cartridge 45 and the thermocouple 47 are preferably routed to such support points on the end of the electrical insulating body 27 facing away from the heating cartridge 45 .
Die Wirkung dieser Meßsonde ist die folgende:The effect of this probe is as follows:
Wird die Meßsonde in einen Gasstrom P eingeführt, so wird die Öffnung 23 in bezüglich Gasströmungsrichtung abgekehrte Lee-Seite gedreht, so daß die beiden Öffnungen 25, in Gasströmungsrichtung betrachtet, links und rechts liegen. Im Gasstrom P mitfliegende Feststoffpartikel fliegen, wie mit dem Pfeil F dargestellt, am umströmten Meßaufnahmeraum 21 vorbei, während Gas in die Öffnung 23 eintritt und durch Unterdruckwirkung aus den Öffnungen 25 wieder abgesogen wird. Dadurch wird verhindert, daß im Gasstrom mitfliegende Feststoffpartikel erst überhaupt in den Meßgasaufnahmeraum 21 eindringen. Das durch die Strömung g jedoch eindringende Gas diffundiert je nach Konzentrationsgradient in den Meßgasraum 9, und zwar wegen der sich verengenden Ausbildung um einen Faktor von ca. 3 rascher, als wenn eine linear begrenzte Diffusion vorläge. Um zu verhindern, daß Gas in die Wände der Formkörper 11 und 13 eindiffundiert, letztere dann praktisch als Speicher wirken und nachfolgende Messungen verfälschen, sind auf diesen Körpern die besagten diffusionshemmenden Schichten 13 a, 11 a angebracht. If the measuring probe is introduced into a gas flow P , the opening 23 is rotated in the lee side facing away from the gas flow direction, so that the two openings 25 , when viewed in the gas flow direction, lie to the left and right. Solid particles flying in the gas stream P , as shown by the arrow F , fly past the flow-receiving measurement space 21 , while gas enters the opening 23 and is sucked out of the openings 25 again by a vacuum effect. This prevents solid particles that are entrained in the gas flow from entering the measuring gas receiving space 21 at all. Depending on the concentration gradient, however, the gas penetrating through the flow g diffuses into the measuring gas space 9 , namely because of the narrowing formation by a factor of approx. 3 faster than if there was a linearly limited diffusion. In order to prevent gas from diffusing into the walls of the shaped bodies 11 and 13 , the latter then practically acting as a store and falsifying subsequent measurements, said diffusion-inhibiting layers 13 a , 11 a are attached to these bodies.
Es ist dabei zu betonen, daß die Flammensperre 14 nebst ihrer eigentlichen Wirkung, nämlich zu verhindern, daß das Meßgas im Raum 21 vom meßaktiven Teil der Sonde her gezündet werden könnte, praktisch als Strömungsgleichrichter Turbulenzen vom Raum 21 gegen den meßaktiven Bereich hin unterdrückt.It should be emphasized that the flame arrester 14, in addition to its actual effect, namely to prevent the measurement gas in space 21 from being ignited by the measurement-active part of the probe, practically suppresses turbulence from room 21 towards the measurement-active area.
Die aerodynamische Feststoffabtrennung am Meßgasaufnahmeraum 21 bzw. an der Meßgasaufnahmeeinrichtung 16 verhindert somit, daß Festkörper in den Meßgasraum 9 eindringen, wobei eine gute Durchspülung des Raumes 21 sichergestellt ist.The aerodynamic separation of solids at the measuring gas receiving space 21 or at the measuring gas receiving device 16 thus prevents solids from entering the measuring gas space 9 , whereby a good flushing of the space 21 is ensured.
Dadurch, daß das Zirkonoxidrohr, abgesehen von seiner aktiven Partie mit den Elektroden, thermisch isoliert ist, wird einerseits eine örtlich konstante Temperatur an diesem aktiven Bereich sichergestellt und zudem wird nur eine minimale Heizleistung zur Aufwärmung des Zirkonoxidrohres mittels der Heizpatrone 45 notwendig. Durch Anordnen der Heizpatrone innerhalb des Referenzgasraumes 3 ist sie im weiteren vor Rauchgaskorrosion geschützt.Because the zirconium oxide tube, apart from its active part with the electrodes, is thermally insulated, on the one hand a locally constant temperature is ensured in this active area and, in addition, only a minimal heating power is required for heating the zirconium oxide tube by means of the heating cartridge 45 . By arranging the heating cartridge within the reference gas space 3 , it is further protected against flue gas corrosion.
Eine gasdichte Trennung des Meßgasraumes 9 von der Umgebung, in diesem Fall von der das Referenzgas liefernden Umgebung, wird durch die federnd gepreßte Stopfbuchse 43 einerseits und andererseits die Flanschdichtungen zwischen den verspannten Schutzrohren 31 und 18 sichergestellt. Der Luftzutritt zur Referenzelektrode erfolgt gleichmäßig durch den in Fig. 3 ersichtlichen Ringspalt zwischen der zentrierten Heizpatrone 45 und der Innenwandung des Zirkonoxidrohres 1. Im weiteren ist in Fig. 1 eine Leitung 51 dargestellt, die in den Meßgasraum 9 einmündet und mit deren Hilfe entweder Referenzgas zur Kalibrierung der Messung eingeführt werden kann oder, zur Überprüfung der Meßsondenfunktion, eine Gasprobe entnommen werden kann. Selbstverständlich ist (nicht dargestellt) an der Leitung 51 ein entsprechendes Absperrventil vorgesehen.A gas-tight separation of the measuring gas chamber 9 from the environment, in this case from the environment supplying the reference gas, is ensured by the spring-pressed stuffing box 43, on the one hand, and, on the other hand, the flange seals between the clamped protective tubes 31 and 18 . The air access to the reference electrode occurs evenly through the annular gap shown in FIG. 3 between the centered heating cartridge 45 and the inner wall of the zirconium oxide tube 1 . In addition, a line 51 is shown in FIG. 1, which opens into the measuring gas chamber 9 and with the aid of which reference gas can be introduced to calibrate the measurement or, to check the function of the measuring probe, a gas sample can be taken. A corresponding shut-off valve is of course provided (not shown) on line 51 .
Um zu verhindern, daß Thermospannungen, wie an Lötstellen der elektrischen Abgriffe, das Meßresultat verfälschen, sind insbesondere die Elektrodenabgriffe an dem der Heizpatrone 45 abgekehrten Ende des elektrischen Isolierkörpers 27 angeordnet.In order to prevent thermal voltages, as at the soldering points of the electrical taps, from falsifying the measurement result, in particular the electrode taps are arranged on the end of the electrical insulating body 27 facing away from the heating cartridge 45 .
Mit Hilfe der beschriebenen Meßsonde ist es möglich, auch in festkörperkontaminierten, auch strömenden Gasen lediglich aufgrund der Gasdiffusion Messungen vorzunehmen, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit der Meßsonde auf Konzentrationsänderungen im strömenden Gasmedium wesentlich besser ist, als dies bei linear begrenzter Diffusion der Fall wäre. Speichereffekte der mit dem Meßgas in Kontakt tretenden Bauelemente werden vermieden, so daß eine relativ preisgünstige, rasch ansprechende und genaue Meßsonde realisiert ist.With the help of the measuring probe described, it is possible also in solid contaminated, also flowing gases only based on gas diffusion measurements make, the reaction rate of Measuring probe for changes in concentration in the flowing Gas medium is much better than that of linear limited diffusion would be the case. Memory effects the components coming into contact with the sample gas are avoided, so that a relatively inexpensive, quickly responsive and accurate probe is realized.
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