DE3729337A1

DE3729337A1 - Vorrichtung zur messung einer sauerstoffkonzentration

Info

Publication number: DE3729337A1
Application number: DE19873729337
Authority: DE
Inventors: Toru Kodachi; Jun Usami
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-09-04
Filing date: 1987-09-02
Publication date: 1988-04-07
Also published as: GB2194846B; JPS6363962A; GB8720705D0; GB2194846A; DE3729337C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Mes sung einer Sauerstoffkonzentration für industrielle Zwec ke, die zur Verwendung bei einer die Verbrennung regeln den Einrichtung für verschiedene Verbrennungsöfen od. dgl. geeignet ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Messung einer Sauerstoffkonzentration, die dazu ausgebildet ist, die Sauerstoffkonzentration in einem Verbrennungsabgas oder einem Meßgas (einem Meßvor gang unterliegendes Gas) festzustellen, wobei die Vorrich tung eine Fehlerselbsterkennungsfunktion erfüllt, durch die, wenn ein abnormaler Zustand im Ausgangssignal des eine Sauerstoffkonzentrationszelle enthaltenden Meßfühler teils aufgetreten ist, eine geeignete Gegenmaßnahme gegen den abnormalen Zustand ergriffen werden kann.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen dieser Art wird eine Feh lerselbsterkennungsfunktion dadurch erfüllt, daß einem aus der elektromotorischen Kraft einer Sauerstoffkonzen trationszelle herrührenden Ausgangssignal ein Ansteuer signal überlagert wird, wenn das Meßfühlerteil allein aus einer Sauerstoffkonzentrationszelle gebildet ist. Ein ab normaler Zustand, z. B. ein Zustand offener Leitungsführung der vom Meßfühlerteil zu einem Verstärker od. dgl. führen den Leitungsdrähte, wird unter Verwendung des auf diese Weise erzeugten Ansteuersignals ermittelt.

Bei einem solchen bekannten System wurde keine praktische Gegenmaßnahme ergriffen, um beispielsweise ein Verbren nungssteuersystem für einen Verbrennungsofen nach der Er mittlung des abnormalen Zustands auf der Grundlage des die Sauerstoffkonzentration des vom Verbrennungsofen abge gebenen Abgases kennzeichnenden Signals auf die sichere Seite hin zu regeln. Auf Grund dieser Unvollkommenheit des herkömmlichen Systems wird, wenn ein abnormaler Zustand eingetreten ist, wie ein Zustand offener Leitungsführung eines Leitungsdrahtes, ein nicht auf die tatsächliche Sau erstoffkonzentration des Meßgases bezogenes fehlerhaftes Signal als Ausgang abgegeben, wodurch angezeigt wird, daß das Meßgas oder - in mehr praxisnaher Weise - das Abgas von dem Verbrennungsofen eine hohe Sauerstoffkonzentration aufweist. Dann wird die Verbrennung des Ofens in Überein stimmung mit einem solchen fehlerhaft ermittelten Signal geregelt. In dieser Situation kann der Verbrennungszustand plötzlich in einen Zustand mit Brennstoffüberschuß sprin gen, der eine Explosionsgefahr in sich schließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben heraus gestellten, herkömmlichen Systemen anhaftenden Probleme zu beseitigen.

Im Hinblick auf diese Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vor richtung zur Messung einer Sauerstoffkonzentration mit ei ner Diffusionskammer, die mit einem Meßgas durch Diffusion gefüllt ist, und mit einem Ermittlungsteil, das eine Sauer stoffkonzentrationszelle sowie ein Sauerstoffpumpteil, die die Diffusionskammer umschließen, umfaßt, wobei ein Sauer stoffpumpstrom des Sauerstoffpumpteils durch ein vom Er mittlungsteil abgeleitetes und aus einer elektromotori schen Kraft in der Sauerstoffkonzentrationszelle erhalte nes Ausgangssignal so geregelt wird, daß die Sauerstoffmo lekülkonzentration in der Diffusionskammer auf einen vor bestimmten Konzentrationswert eingestellt und ein zum Sau erstoffpumpstrom proportionales sowie die Sauerstoffkon zentration des Meßgases wiedergebendes Signal einem Steuer system zugeführt wird, das die Erzeugung des Meßgases steuert, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung des weiteren die folgende Verbesserung umfaßt:

(a) eine einen abnormalen Zustand im Ausgangssignal vom Er mittlungsteil feststellende Einrichtung und
(b) eine Schalteinrichtung, die das die Sauerstoffkonzentration wiedergebende, dem Steuersystem zugeführte Signal in ein Notsignal umschaltet, wenn ein regelwidriger Zustand durch das Ermittlungsteil festgestellt wird, um das gesteuerte Objekt in einen sicheren Betriebszustand zu führen.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen er läutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung in ihrem an einer Ofenwand montierten Zustand;

Fig. 2A eine Übersichtdarstellung eines Meßfühlerteils eines Sauerstoff-Fühlelements;

Fig. 2B eine Schrägansicht des Meßfühlerteils im zusammen gebauten Zustand;

Fig. 3 den Schnitt nach der Linie III-III in der Fig. 2A;

Fig. 4 eine zu Fig. 3 gleichartige Schnittdarstellung des Meßfühlerteils und ein Blockdiagramm zum Arbeits vorgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei ei nem normalen und bei einem abnormalen Betriebszu stand;

Fig. 5 einen zu Fig. 3 gleichartigen Schnitt einer abge wandelten Ausführungsform des Meßfühlerteils.

Gemäß Fig. 1 ist eine Sonde 20 zur Aufahme eines Meßgases in eine Öffnung 22 in einer Wand 21 eines Gaszuges eines Verbrennungsofens eingesetzt. Die Sonde 20 ist eine Doppel rohrkonstruktion aus einem stirnseitig geschlossenen Außen rohr 23 und einem stirnseitig offenen Innenrohr 24. In der Seitenwand des geschlossenen stirnseitigen Abschnitts des Außenrohres 23 ist eine Gaseintrittsöffnung 25 ausgebildet, die in den Gaszug und damit in das Abgas hineinragt. Das Innenrohr 24 ist im Außenrohr 23 an einer solchen Stelle angeordnet, daß eine stirnseitige Öffnung 26 des Innenroh res 24 der Gaseintrittsöffnung 25 zugewandt ist. Das stirn seitig offene Ende des Innenrohres 24 wird mit Hilfe einer Zwischen- oder Trennwand 27 im Außenrohr abgestützt, wo durch das Innenrohr 23 gegenüber dem Raum zwischen dem In nen- und dem Außenrohr abgesperrt ist. An einer der Trenn wand 27 nahegelegenen Stelle, die jedoch der Basisseite (rechte Seite in Fig. 1) des Außenrohres 23 näher liegt als die Trennwand, ist eine Gasaustrittsöffnung 28 vorgesehen, wodurch in der Rohranordnung ein Unterdruck gegenüber dem zu messenden Abgas vorhanden ist. Auf Grund dieser Ausbil dung wird das im Gaszug strömende Abgas durch die Gasein trittsöffnung 25 eingesogen, es fließt zuerst durch den In nenraum des Innenrohres 23 und dann durch den zwischen dem Innen- sowie Außenrohr gebildeten Raum, worauf es durch die Gasaustrittsöffnung 28 ausströmt, wie die Pfeile in der Fig. 1 angeben.

Am Basisteil der Sonde 20 ist ein Gasmeßfühlerteil 29 ange bracht, das aus einer mit der Sonde 20 in Verbindung ste henden Zylinderhülse 30, einem von rechts her in die Zylin derhülse 30 eingesetzten Fühlerteil 31, das in den Innen raum der Zylinderhülse hineinragt sowie durch eine Schraub kupplung an der Hülse befestigt und durch eine Kappe abge deckt ist, und einem Keramikfilter 32, das an der Sonde zu gewandten Ende der Zylinderhülse 30 angebracht ist, um das Meßgas aus der Sonde nach einem Filtern dem Fühlerteil 31 zuzuleiten, gebildet ist. Die Sonde 20 und das Fühlerteil 29 sind durch einen Flansch 33 gemeinsam an der Ofen- oder Gaszugwand 21 gehalten. An der Zylinderhülse 30 ist eine Prüf- oder Eichgasquelle 34 angebracht, um Prüfgas dem Meß fühlerteil 29 zuzuführen. Ein Luftloch 35, das dem Fühler teil 31 Bezugsluft zuführt, und Leitungsdrähte 36, die das ermittelte Signal vom Fühlerteil 31 nach außen leiten, sind dem Gasmeßfühlerteil 29 zugeordnet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2A, 2B und 3 wird ein Sauer stoff-Fühlelement S für die erfindungsgemäße Sauerstoff konzentration-Meßvorrichtung erläutert. Die tatsächlichen Abmessungen dieses Fühlelements S betragen etwa 5 mm in der Breite, etwa 1,5 mm in der Dicke und etwa 30-60 mm in der Länge.

Am oberen Teil dieses Sauerstoff-Fühlelements S ist ein Sauerstoffpumpteil P vorgesehen, das einen Festkörper-Elek trolyt 40 und eine obere Pumpelektrode 41 sowie eine unte re Pumpelektrode 42, die auf der oberen und unteren Seite des Festkörper-Elektrolyts 40 angebracht sind, umfaßt. Auf der oberen Fläche des Sauerstoffpumpteils P ist ein oberes Heizelement H 1 vorgesehen, das den Außenumfang der oberen Pumpelektrode 41 umgibt.

In zum Pumpteil P ähnlicher Weise ist eine Sauerstoffkon zentrationszelle B vorgesehen. Diese Konzentrationszelle B umfaßt einen Festkörper-Elektrolyt 43, eine Meßelektrode 44 und eine Bezugselektrode 45, wobei die beiden Elektro den an der oberen bzw. unteren Fläche des Festkörper-Elek trolyts 43 angeordnet sind.

Zwischen das Sauerstoffpumpteil P und die Sauerstoffkon zentrationszelle B ist ein aus einem Isoliermaterial ge bildeter Abstandshalter 47 (47 a, 47 b) mit einer bestimmten Stärke eingefügt, um eine Diffusionskammer 46 in Form ei nes schmalen, flachen Raumes zu bilden, in den das Meßgas mit einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeführt wird. In der Mitte dieser Diffusionskammer 46 im Sauer stoffpumpteil P ist eine Gaseinführöffnung 47 (48 a, 48 b, 48 c, 48 d) vorgesehen, um die Diffusionskammer 46 mit dem Außenraum, beispielsweise der Meßstelle, in dem das Meßgas vorhanden ist, zu verbinden. Demzufolge wird das Meßgas durch die Gaseinführöffnung 48 eingebracht sowie unter ei nem bestimmten Diffusionswiderstand in der Diffusionskam mer 46 diffundiert, und es gelangt mit der an der unteren Seite des Sauerstoffpumpteils P angeordneten Pumpelektrode in Berührung. Ferner kommt das Gas auch mit der Meßelektro de 44 der Sauerstoffkonzentrationszelle B an der der unte ren Pumpelektrode 42 nahen Stelle in Berührung.

Unterhalb der Sauerstoffkonzentrationszelle B sind eine Abstandslage 49 aus einem Festkörper-Elektrolyt und ein Festkörper-Elektrolyt 50 in dieser Reihenfolge vorgesehen. Hierdurch wird ein Luftkanal 51 gebildet, in dem die Be zugselektrode 45 freiliegt. Dieser Luftkanal 51 steht am Basisteil des Sauerstoff-Fühlelements S mit der Außenat mosphäre in Verbindung. Die erwähnte Bezugsluft, in die sem Fall die Atmosphärenluft, wird in das Fühlelement durch diesen Luftkanal 51 eingeführt und kommt mit der Be zugselektrode 45 in Berührung.

Im Luftkanal 51 ist an einer Stelle unterhalb der unteren Fläche des Festkörper-Elektrolyts 43 und nahe der beiden äußeren Teile der Bezugselektrode 45 ein Temperaturfühler T (s. Fig. 3) vorgesehen.

Noch weiter unten ist ein unteres Heizelement H 2 vorhanden, wobei durch dieses Heizelement H 2 zusammen mit dem oberen Heizelement H 1, die beidseits des Sauerstoffpumpteils P so wie der Sauerstoffkonzentrationszelle B angeordnet sind, die beiden Teile P und B auf eine vorbestimmte Temperatur (z. B. über 600°C) von beiden Seiten her in Sandwichart aufgeheizt werden können.

Die Festkörper-Elektrolyte 40, 43, 50 und die Abstandslage 49 bestehen aus einer stabilisierten oder teilweise stabi lisierten Zirkondioxidkeramik, die bei hoher Temperatur ei ne Sauerstoffionenleitfähigkeit besitzt. Wie in der ein schlägigen Technik bekannt ist, kann diese stabilisierte oder teilweise stabilisierte Zirkondioxidkeramik erhalten werden, indem eine feste Lösung von Zirkonoxid mit Yttrium oxid oder Kalziumoxid usw. gebildet wird. Jede der Elektro den 41, 42, 44 und 45 ist aus einem porösen Platin usw. ge fertigt. Von diesen Elektroden 41, 42, 44 und 45 sind die obere Pumpelektrode 41, die untere Pumpelektrode 45 und die Meßelektrode 44, die mit dem Meßgas in Berührung kom men, jeweils mit einer porösen Keramikschicht 52, 53, 54 aus Aluminiumoxid usw. in einem laminierten Aufbau ausge bildet. Das Meßgas kommt mit den Elektroden 41, 42 und 44 jeweils durch diese porösen Keramikschichten 52, 53 und 54 in Berührung.

Die Heizelemente H 1 und H 2 werden von Heizteilen 55 und 56 gebildet, die mit porösen Lagen 57 (57 a, 57 b) und 58 (58 a, 58 b), welche jeweils aus Aluminiumoxid od. dgl. mit elek trisch isolierenden Eigenschaften bestehen, abgedeckt sind. Über diesen porösen Lagen 57 und 58 sind jeweils luftdich te Lagen 59 und 60 ausgebildet, die aus einem Festkörper- Elektrolyt, wie z. B. Zirkondioxid usw., gefertigt sind. Da durch können die beiden Heizteile 55 und 56 gegenüber dem Meßgas abgesondert oder isoliert werden. Die Heizteile 55 und 56 können beispielsweise durch einen Druckvorgang un ter Verwendung einer Paste, deren Hauptanteil ein Gemisch aus Aluminiumoxid- und Platinpulver ist, oder durch Auf bringen einer Mischkeramik-Dünnschicht auf die Unterlage gebildet werden.

Der Temperaturfühler T wird unter Verwendung eines Wider standskörpers mit einem positiven oder negativen Tempera turkoeffizienten, welcher den elektrischen Widerstand bei einer Temperaturänderung in hohem Maß verändert, gebildet. Ein Temperaturfühlelement 61 ist in eine elektrisch isolie rende und poröse Hülle 62 aus Aluminiumoxid od. dgl. einge bettet, so daß das Fühlelement 61 gegenüber dem umgebenden Festkörper-Elektrolyt 43 und der Abstandslage 49 elek trisch isoliert ist. Der Widerstandskörper dieses Tempera turfühlelements 61 wird durch eine Laminat-Drucktechnik ge bildet, wobei eine Paste verwendet wird, deren Hauptgehalt aus Zirkondioxidpulver, Aluminumoxid u. dgl. und Platin pulver besteht, oder eine Paste, deren Hauptgehalt aus ke ramischem Pulver einer Keramik, von Zirkondioxid, Alumi niumoxid usw. und Platinpulver unter Zugabe von etwa 0,1- 0,5% Titanoxid besteht, oder eine Paste, deren Hauptge halt aus einem Keramikpulver, wie Cermet, Zirkondioxid oder Aluminiumoxid usw. unter Zugabe von Oxiden von Man gan, Kobalt, Nickel usw. besteht, oder eine Paste, die ab sichtlich einen hohen Temperaturkoeffizient, wie Cermet, hat. Der Körper kann auch durch Anordnen einer Mischkera mik-Dünnschicht od. dgl. erhalten werden. Der Widerstands körper des Temperaturfühlelements 61 kann aus einem Zirkon dioxid-Porzellan oder einem Platindraht oder einer Platin- Dünnschicht usw. gebildet sein. Zur Fertigung des Laminat drucks eines solchen Platindrahtes oder einer Platin-Dünn schicht können die bekannten Techniken der chemischen Dampfabscheidung, der Dampfabscheidung oder eines Aufsprüh hens Verwendung finden. Anstelle der Anwendung eines Wi derstandskörpers für das Temperaturfühlelement 61 kann ei ne Kombination von verschiedenen Arten von Metallen oder Pasten oder Mischkeramiken, die jeweils diese unterschied lichen Arten von Metallen enthalten, verwendet werden, um die laminierte gedruckte Schaltung eines Thermoelementkör pers zu bilden, der in dem Temperaturfühlelement 61 ver wendet wird.

Das Sauerstoffpumpteil P, die Sauerstoffkonzentrationszel le B, die Heizelemente H 1 und H 2, der Temperaturfühler T und der Abstandshalter 47 werden geschichtet, um einen schmalen, plattenförmigen, länglichen Körper zu bilden, der dann zur Fertigung eines unitären Bauteils gesintert wird. Die Fig. 2B zeigt ein gedrucktes elektrisches An schlußteil M für die Pumpelektroden 41 und 42, die Meß elektrode 44, die Bezugselektrode 45, die Heizteile 55 so wie 56 und für den Temperaturfühler T .

Wenn die Sauerstoffkonzentration gemessen wird, dann wer den das Sauerstoff-Fühlelement S - genauer das Sauerstoff pumpteil P und die Sauerstoffkonzentrationszelle B - auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten, während die tat sächliche, vom Temperaturfühlelement 61 des Temperaturfüh lers T ermittelte Temperatur überwacht wird, indem ein Heizstrom durch die Heizteile 55 und 56 der Heizelemente H 2 sowie H 2 geführt wird. In einem Zustand, wenn das Sauer stoffpumpteil P und die Konzentrationszelle B auf einer vorbestimmten Temperatur, z. B. 600°C, gehalten werden oder wenn die vorbestimmte Temperatur erreicht wird, kann der Meßvorgang begonnen werden. In einer praktischen Ausfüh rungsform des Sauerstoff-Fühlelements S dauert es etwa 3 min vom Beginn der Zufuhr des Heizstroms, um die vorbe stimmte Temperatur zu erreichen. Der Energieverbrauch be trägt etwa 8 W.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 wird das Prinzip der Sauer stoffkonzentrationsmessung unter Verwendung des Fühlele ments S erläutert, worauf auf die Funktion der erfindungs gemäßen Vorrichtung eingegangen wird, wenn ein abnormaler Zustand im vom Fühlelement S abgeleiteten Ausgangssignal eingetreten ist.

Mittels eines Vergleichs des in die Diffusionskammer 46 durch die Gaseintrittsöffnung 48 des Sauerstoffpumpteils P diffundierten Meßgases mit der Bezugluft in der Atmosphäre mit Hilfe der Sauerstoffkonzentrationszelle B wird zwi schen der Meßelektrode 44 und der Bezugselektrode 45 eine dem Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks entsprechende elektromotorische Kraft E erzeugt. Diese erzeugte elektro motorische Kraft E wird mit einer Vergleichsspannung V _f (erzeugte elektromotorische Kraft entsprechend dem Luftver hältnis m = 1) verglichen. Eine Differenzspannung (E - V _f) zwischen diesen wird an einen Pumpstromregler 63 für den Sauerstoffpumpstrom Ip gelegt.

Dieser Pumpstromregler 63 regelt den Sauerstoffpumpstrom Ip entsprechend der Differenzspannung (E - V _f) in der fol genden Weise:

(i) im Fall von E < V _f
Durch die Regelung des Sauerstoffpumpstroms Ip zieht das Sauerstoffpumpteil P den Sauerstoff in der Dif fusionskammer 46 auswärts, wie in Fig. 4 durch die ausgezogene Linie dargestellt ist.
(ii) Im Fall von E <V _f
Durch die Regelung des Sauerstoffpumpstroms Ip führt das Sauerstoffpumpteil P den Sauerstoff in die Diffu sionskammer durch die Elektrolysezerlegung des Kohlen dioxid-(CO₂-) und des Wassers-(H₂O-)Gehalts im Meßgas ein, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 dar gestellt ist. In der Diffusionskammer 46 läuft folgen de Reaktion ab: H₂O + ½ O₂ → H₂O, CO₂ + ½ O₂ → CO₂Durch diese Regelung wird die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer auf einen vorbestimmten Wert einregelt.

Das Einstellen dieses vorbestimmten Werts der Sauerstoff konzentration wird so vorgenommen, daß die Sauerstoffkon zentration in der Diffusionskammer 46 auf einen Wert ge bracht wird, der dem Luftverhältnis m = 1 entspricht, oder in mehr praktischer Weise erlangt die Sauerstoffkonzentra tion 0%.

Jedes Sauerstoffmolekül, Kohlendioxidmolekül, Wasserstoff molekül im Meßgas hat einen unterschiedlichen Diffusions koeffizienten gegenüber demjenigen von Stickstoff, so daß der Sauerstoffpumpstrom Ip durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:

Ip = K ₁ P _O ₂ - K ₂ P _CO - K ₃ PH ₂

worin ist:

K ₁: Koeffizient im Verhältnis zur Diffusion eines Sauer stoffmoleküls;
K ₂: Koeffizient im Verhältnis zur Diffusion eines Kohlenmon oxids;
K ₃: Koeffizient im Verhältnis zur Diffusion von Wasser stoff;
P: jeweiliger Partidaldruck eines Sauerstoffmoleküls, Koh lenmonoxidmoleküls und Wasserstoffmoleküls.

Demzufolge wird, wenn das Meßgas im oxidierenden Bereich ist, weil die Konzentration der Kohlenmonoxidmoleküle und diejenige der Wasserstoffmoleküle beide 0% sind, das Fol gende erhalten:

Ip = K ₁ · P _O ₂

Wenn das Meßgas im reduzierenden Bereich ist, da die Kon zentration der Sauerstoffmoleküle 0% ist, wird das Folgen de erhalten:

Ip = (K ₂ P _CO + K ₃ P _H ₂)

In einer Zusammenfassung des oben erläuterten Prinzips der Messung der Sauerstoffkonzentration ergibt sich, daß die Messung der Sauerstoffkonzentration ausgeführt wird, um den Sauerstoffpumpstrom Ip so zu regeln, daß die Sauer stoffmolekülkonzentration in der Diffusionskammer 46 zu 0% (Luftverhältnis m = 1) wird und daß der Sauerstoff pumpstrom Ip durch einen Bezugswiderstand (r _r) gemessen wird.

Dadurch kann die Sauertoff-Überschußkonzentration im oxi dierenden Bereich und die Sauerstoff-Mangelkonzentration im reduzierenden Bereich durch ein einziges Signal ausge drückt werden. Das trägt in hohem Maß zur Ausbildung eines Steuersystems einer atmosphärischen Steuerung eines Indu strieofens, der sowohl im oxidierenden wie auch im reduzie renden Bereich arbeitet, bei.

Im folgenden wird eine Erläuterung für einen Fall gegeben, wenn ein regelwidriger Zustand in dem vom oben erwähnten Sauerstoff-Fühlelement S abgeleiteten Signal aufgetreten ist.

Wenn das Sauerstoff-Fühlelement S in richtiger Weise arbei tet, d. h., wenn in der Sauerstoffkonzentrationszelle B und im Sauerstoffpumpteil P ein Fehler oder ein Bruch nicht vorhanden sind, so daß diese Teile normal arbeiten, und wenn ein Problem, wie ein Zustand offener Leitungsführung, in den Leitungsdrähten 36, nicht vorliegt, so wird die er zeugte elektromotorische Kraft in der Sauerstoffkonzentra tionszelle B einen Spannungswert zwischen 300 mV und 500 mV annehmen und diese Spannung an der Stelle ª in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung auftreten.

Liegt dagegen ein Fehler, ein Bruch od. dgl. in der Sauer stoff-Konzentrationszelle B und/oder im Sauerstoffpumpteil P oder in den Leitungsdrähten 36 od. dgl. vor, so tritt der folgende Spannungswert an dieser Stelle ª auf.

(1) Wenn eine Störung oder ein Bruch in der Konzentrations zelle B oder eine offene Verbindung in der von der Konzen trationszelle B wegführenden Leitung vorliegt, so treten 0 mV an der Stelle ª durch den an Erde liegenden Wider stand R auf.
(2) Wenn weder eine Störung noch ein Bruch in der Konzen trationszelle B und auch eine offene Verbindung in der von dieser Zelle B wegführenden Leitung nicht vorliegen, so ist ein Funktionsfehler oder ein Bruch im Sauerstoffpump teil P oder eine offene Verbindung in den von diesem Pump teil P wegführenden Leitungsdrähten aufgetreten, womit
- a) wenn das Meßgas aus einer Verbrennung mit dem Luftver hältnis m < 1 herrührt, eine Spannung unterhalb von 200 mV an der Stelle ª auftreten wird, und
- b) wenn das Meßgas aus einer Verbrennung mit dem Luftver hältnis m < 1 herrührt, eine Spannung oberhalb von 600 mV an der Stelle ª auftreten wird.

Demzufolge wird der Spannungswert an der Stelle ª ständig für den Normalzustand der Vorrichtung mit dem zwischen 200 mV und 600 mV liegenden Spannungswert durch einen Ab normaldetektor 66, der im wesentlichen aus einer Ver gleichschaltung besteht, überwacht. Wenn der Spannungs wert an der Stelle ª außerhalb des Werts zwischen 200 mV und 600 mV liegt, was bedeutet, daß ein Fehler od. dgl., wie oben erläutert wurde, eingetreten ist, so erregt die ser Abnormaldetektor 66 ein erstes Relais Ry 1, um den Sauerstoffpumpstrom Ip zu unterbrechen, und ein zweites Relais Ry 2, um ein Notsignal Q mit einem vorbestimmten Wert durch seine Schaltkontakte dem Ausgangswandler 65 zu zuführen. Ferner erregt der Abnormaldetektor 66 einen Alarmkreis 67 zur Abgabe eines Alarmsignals. Das oben ge nannte Notsignal Q wird als ein Spannungssignalwert fest gesetzt, der im Brennraum einen Überschußluft-Verbrennungs zustand durch ein Verbrennungssteuersystem hervorruft und möglicherweise schließlich die Verbrennung zum Erlöschen bringt. Dieser Spannungssignalwert kann durch einen in ei ne mit einem Kontakt des zweiten Relais Ry 2 verbundene Steuerschaltung eingegliederten Regelwiderstand VR frei verändert werden.

Da, wie vorstehend erläutert wurde, der Sauerstoffpump strom Ip unterbrochen wird, wenn ein regelwidriger oder abnormaler Zustand ermittelt wird, kann der Ausfall des Sauerstoffpumpteils P selbst durch einen außergewöhnlich hohen Sauerstoffpumpstrom Ip verhindert werden. Ferner wird durch die oben erläuterte Umschaltung auf das Notsi gnal Q eine Explosionsgefahr durch die Verbrennung in ei nem Zustand mit Brennstoffüberschuß eindeutig mit Sicher heit verhindert und das gesamte Verbrennungssystem in ei nen sicheren Verbrennungsbereich unter Sauerstoff-Über schußbedingung geführt.

Unter Bezug auf die Fig. 5 wird eine abgewandelte Ausfüh rungsform des Sauerstoff-Fühlelements S erläutert, wobei zur vorherigen Ausführungsform gleiche Teile mit densel ben Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals erläu tert werden.

Diese Ausführungsform ist nahezu zu der in Fig. 3 gezeig ten identisch mit der Ausnahme, daß das obere Heizelement H 1 und der Temperaturfühler T weggelassen sind. Bei die ser Ausführungsform wird die Temperatur des Sauerstoff- Fühlelements S unter Ausnutzung der Änderung im Wider standswert des Heizteils 56 des unteren Heizelements H 2 ermittelt und so die Temperaturregelung bewirkt. In allen anderen Einzelheiten besteht Identität zur vorher erläu terten Ausführungsform.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird das zu steuern de Verbrennungssystem oder Objekt selbsttätig zu einem sicher arbeitenden Verbrennungssystem durch die Ermitt lung des Auftretens eines regelwidrigen Zustands und die Lieferung des Notsignals geführt, so daß ein sicherer Be trieb des Steuersystems auf diese Weise gewährleistet wird. Dies wird durch eine Vorrichtung zur Messung einer Sauer stoffkonzentration erreicht, die ein Meßfühlerteil mit ei ner Sauerstoffkonzentrationszelle und einem Sauerstoffpump teil umfaßt. Der Zustand der Meßvorrichtung wird unter Ver wendung einer von der Sauerstoffkonzentrationszelle abge leiteten elektromotorischen Kraft überwacht. Ein regelwi driger Zustand wird durch das Ausgangssignal, das entweder einen ersten Schwellenwert überschreitet oder unter einem zweiten Schwellenwert ist, ermittelt. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, daß ein Notsignal geliefert wird, um dem Be triebszustand eines Ofens od. dgl., der überwacht wird, durch die Vorrichtung entgegenzuwirken, so daß die Ver brennung im Ofen od. dgl. auf die sichere Seite verlagert wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung einer Sauerstoffkonzentration mit einer Diffusionskammer (46), die mit einem Meßgas durch Diffusion gefüllt ist, und mit einem Ermittlungs teil (S, 31), das eine Sauerstoffkonzentrationszelle (B) sowie ein Sauerstoffpumpteil (P), die die Diffu sionskammer umschließen, umfaßt, wobei ein Sauerstoff pumpstrom (Ip) des Sauerstoffpumpteils durch ein vom Ermittlungsteil abgeleitetes und aus einer elektromo torischen Kraft (E) in der Sauerstoffkonzentrationszel le erhaltenes Ausgangssignal so geregelt wird, daß die Sauerstoffmolekülkonzentration in der Diffusionskammer auf einen vorbestimmten Konzentrationswert eingestellt und ein zum Sauerstoffpumpstrom proportionales sowie die Sauerstoffkonzentration des Meßgases wiedergeben des Signal einem Steuersystem (65) zugeführt wird, das die Erzeugung des Meßgases steuert, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung des weiteren umfaßt:

(a) eine einen abnormalen Zustand im Ausgangssignal vom Ermittlungsteil (S, 31) feststellende Einrich tung (66) und
(b) eine Schalteinrichtung (Ry 2), die das die Sauer stoffkonzentration wiedergebende, dem Steuersystem zugeführte Signal in ein Notsignal (Q) umschaltet, wenn ein regelwidriger Zustand durch das Ermitt lungsteil festgestellt wird, um das gesteuerte Ob jekt in einen sicheren Betriebszustand zu führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Sauerstoffpumpstrom (Ip), wenn ein regelwidriger Zustand durch das Ermittlungsteil festgestellt wird, unterbrechende Einrichtung (Ry 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der vorbestimmte Wert des Notsignals (Q) frei veränderbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellen eines regelwidri gen Zustandes durch die Ermittlungseinrichtung ein Alarm ausgelöst wird.