DE3786127T2

DE3786127T2 - Sauerstoffkonzentrationsmessvorrichtung.

Info

Publication number: DE3786127T2
Application number: DE87307543T
Authority: DE
Inventors: Toru Kodachi; Jun Usami
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1987-08-26
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2007-08-27
Also published as: EP0259093A3; EP0259093B1; US4875990A; EP0259093A2; DE3786127D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung für industrielle Zwecke. Im spezielleren betrifft die Erfindung eine Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, die zur Verwendung bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre und auch zur Verwendung bei der Messung von Sauerstoffkonzentration in einem Verbrennungsabgas eines Industrieofens oder -kessels geeignet ist, wobei die Vorrichtung in den Ofen oder in den Abgasdurchgang eingefügt wird oder sie an der Wand des Ofens befestigt wird.
Eine herkömmliche Vorrichtung dieser Art ist in der JP-A-54-99492 geoffenbart worden. Um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, wird eine derartige bekannte Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 1-6 beschrieben.
Bei dieser Meßvorrichtung ist die Sensorzelle von einer Sauerstoffkonzentrationszelle 1 gebildet. Die Sauerstoffkonzentrationszelle 1 umfaßt ein Trockenelektrolytelement 2 vom zylindrischen Typ mit geschlossenem Boden sowie einer Innenelektrode 3 und einer Außenelektrode 4, die an der inneren bzw. der äußeren Oberfläche des Endes des Trockenelektrolytelements 2 mit geschlossenem Boden vorgesehen sind. Das genannte geschlossene Ende ist in einem Gasdurchgang 6 angeordnet, in dem das Trockenelektrolytelement 2 von einem Halter 5 gehalten wird, der abnehmbar mit einem Rahmen 7 des Meßvorrichtung gekoppelt ist, und ein offenes Ende des Trockenelektrolytelements 2 ist in der Freiluftatmosphäre angeordnet. Leitungsdrähte 8 und 9 sind mit der Innen- und der Außenelektrode 3 und 4 gekoppelt, um die induzierte Spannung dazwischen herauszuleiten.
Um die äußere Oberfläche des genannten Trockenelektrolytelements 2 mit geschlossenem Ende herum ist das Heizgerät 10 angeordnet, sodaß die Sauerstoffkonzentrationszelle 1 auf bis zu 500ºC 1000ºC erwärmt wird. Das Heizgerät 10 ist gasdicht im Gasdurchgang 6 des Rahmens 7 vorgesehen. Eine Sonde 12 ist vorgesehen, um das zu messende Verbrennungsabgas durch Saugwirkung der Ejektordüse 11 in den Gasdurchgang einzubringen. Am oberen Ende der Sonde 12 ist ein Staubfilter 13 vorgesehen. Des weiteren ist ein Heizrohr 14 vorgesehen, um die herum das Heizgerät 10 montiert ist, und es ist eine Wärmeisolierschicht 15 vorgesehen, welche das Heizrohr 14 umgibt.
Es ist ein Einlaßrohr 16 für Eichgas vorgesehen und es sind ein Austragsdurchgang 17 und eine weitere Wärmeisolierschicht 18 vorgesehen.
Diese bekannte Vorrichtung hat insofern Nachteile, als der Sensorabschnitt, der die aus der Sauerstoffkonzentrationszelle 1 gebildete Sensorzelle, und ein Heizelement umfaßt, welches das Heizgerät 10 und das Heizrohr 14 und andere aufweist, eine beträchtliche Größe hat und die Wärmekapazität somit relativ groß wird. Daher ist eine lange Zeit erforderlich, bevor die Sensorzelle der Sauerstoffkonzentrationszelle 1 durch das Erwärmen der Wärmequelle, zum Beispiel durch das Heizgerät 10, eine vorherbestimmte Arbeitstemperatur annimmt. Genau gesagt ist die Aufwärmzeit, gezählt vom Beginn des Aufwärmens des Heizgeräts 10 bis zum Beginn der tatsächlichen Messung, sehr lang, und des weiteren ist die Reaktionsgeschwindigkeit niedrig, da der Sensorabschnitt groß ist.
Es ist eine weitere Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung wie in Fig. 2 gezeigt bekannt, welche die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas mißt und bei der das zu messende Gas durch eine Saughilfe eines Luftejektors 72 in einen Sauerstoffkonzentrationsdetektor 1 eingebracht wird.
Diese bekannte Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung dient der industriellen Verwendung kund ist zu verwenden, indem sie an der Ofenwand eines Verbrennungsofens usw. montiert ist, und sie umfaßt ein Hauptstromrohr 73, in das das auf seine Sauerstoffkonzentration zu messende und von einer Sonde 71 aufgenommene Abgas durch die Saugwirkung eines Luftstroms angesaugt wird, der von einem Luftejektor 72 ausgestoßen wird, ein Abzweigungsrohr 74, durch das ein abgezweigter Abgasstrom zum Hauptstromrohr 73 zurückgeführt wird, einen Sauerstoffkonzentrationssensor 75, der ein zylindrisches Trockenelektrolytelement 75 mit geschlossenem Boden umfaßt, das lösbar am Abzweigungsrohr 74 montiert ist, einen Heizofen 76, der nahe der äußeren Oberfläche des Sauerstoffkonzentrationssensors 75 montiert ist, und ein Eichgasauslaßrohr 77, die mit der Abzweigungsrohrwand der Gasflußeinlaßseite zum Sauerstoffkonzentrationsdetektor 75 verbunden ist.
Jedoch hat die obengenannte industrielle Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung auch insofern Nachteile, als die Größe und das Gewicht groß werden und somit die Wärmekapazitanz zunimmt, was zu einer langen Aufwärmzeit aufgrund der Tatsache führt, daß der Sauerstoffkonzentrationssensor 75 eine zylindrische Form mit geschlossenem Boden aufweist und daß der Heizofen 76 getrennt vom Detektor 75 vorgesehen ist. Des weiteren strömt das Abgas durch Wärmekonvektion in das Abzweigungsrohr, sodaß die Ansprechcharakteristik ungenügend ist, und die Montageposition der Meßvorrichtung ist aufgrund der großen Größe des Detektors begrenzt.
Als eine Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung unter Verwendung eines Luftejektors ist auch eine Vorrichtung mit einer Konstruktion wie in Fig. 3 gezeigt bekannt, worin die Oberseite der Sonde 71 von einer Ofenwand 78 in den Abgasdurchgang 79 eingefügt wird, ein Meßgasdurchgang 80 am Basisabschnitt der Sonde 71 vorgesehen ist und ein Sauerstoffsensor 75, der ein zylindrisches Zirkondioxidelektrolytelement mit geschlossenem Boden aufweist, und ein Ejektor 72, in diesem Meßgasdurchgang vorgesehen sind.
Bei der obengenannten Industriegas- oder Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gab es, da das Meßgas durch eine Sonde 71 in den Sauerstoffsensor 75 eingebracht wird, Nachteile insofern, als die Ansprechzeit je nach der Variation der Fließrate des Meßgases variiert und die zur Messung erforderliche Zeit lang ist.
Des weiteren wird, da der Meßgasdurchgang 80 und der Sauerstoffsensor 75 an der Außenseite der Ofenwand 78 vorgesehen sind, die eine relativ geringe Temperatur aufweist, die Temperatur des vom Ausstoßstrom des Ejektors 72 angesaugten Meßgases niedrig. Das verursacht die Kondensation des Wasser(H&sub2;O)-Gehalts und Säure(SOx, beispielsweise SO&sub2; usw.)-Gehalts der im Abgas enthalten ist, was Korrosion der entsprechenden Teile bewirkt und auch das Blockieren des Rohres durch Auffangen des Staubs im Abgas verursacht.
Des weiteren gibt es zum Messen der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas, das durch eine Sonde unter Verwendung eines Trockenelektrolytelements gesammelt wird, eine in der JP-A-56-69553 geoffenbarte industrielle Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung. Genau gesagt ist eine solche Vorrichtung wie in Fig. 4 gezeigt beschaffen. Diese Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung umfaßt einen Sauerstoffkonzentrationssensor 1, der aus einem zylindrischen Trockenelektrolytelement mit geschlossenem Boden gebildet ist, das mit einem Gasfang 85 kombiniert ist, der einen Gasstromeinlaß 83 und einen Gasstromauslaß 84 aufweist, die so angeordnet sind, daß sie eine Gasstrompufferplatte 82 umgeben, die an der Eingangsseite eines Filter 81 vorgesehen ist, der ebenfalls so angeordnet ist, daß er das genannte geschlossene Ende des Trockenelektrolytelements umgibt.
Jedoch werden beim obengenannten Sauerstoffkonzentrationsdetektor ein Nichrome-Drahtheizgerät und ein Sauerstoffsensor mit geschlossenem Boden verwendet, sodaß für die Sonde ein Durchmesser von etwa 50 mm erforderlich ist und die Gesamtgröße der Vorrichtung groß wird und somit das Gewicht schwer wird, und es gibt auch Nachteile insofern, als die Ansprechzeit beträchtlich lang ist und der anwendbare Temperaturbereich und der Bereich der Meßkonzentration eng sind, und andere.
Bei der bekannten Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Kessels eines Dampfkraftwerkes oder verschiedener Verbrennungsöfen ist es übliche Praxis, daß verschiedene Formen von Meßvorrichtungen vorhanden sind, eine zur Verwendung bei hoher Temperatur und eine zur Verwendung bei niedriger Temperatur, wobei etwa 600ºC die Grenze dazwischen bildet.
Bei der Hochtemperaturverwendung, bei der die Umgebungstemperatur bereits bei oder über der Arbeitstemperatur liegt, gibt es ein Temperaturmeßelement zum Messen der Temperatur des Sauerstoffsensorelements in der Nähe des Sensors und die elektromotorische Kraft des Sauerstoffsensors bei jeder Meßtemperatur wird zuerst geeicht und wird dann als ein Ausgangssignal abgeleitet.
Bei der Meßvorrichtung, die bei einer Temperatur gleich oder unter etwa 600ºC bis zur Raumtemperatur zu verwenden ist, wird, da die Umgebungstemperatur im allgemeinen geringer als die Arbeitstemperatur des Sauerstoffsensors ist, die Temperatur in der Nähe des Sauerstoffsensorelements durch ein Heizgerät so eingestellt, daß sie über der Arbeitstemperatur liegt, und die elektromotorische Kraft E, die dem Sauerstoffpartialdruck im Meßgas entspricht, wird durch eine exponentiallogarithmische Umwandlungsschaltung in der Analyseeinheit bearbeitet, und die Sauerstoffkonzentration wird am Ausgang als der direkt ablesbare Wert abgeleitet.
Bei dieser Art bekannter Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtungen mit getrennten Anordnungen für die Verwendung bei hoher Temperatur und die Verwendung bei niedriger Temperatur war es sehr mühevoll, die obigen beiden Arten von Meßvorrichtungen gegeneinander auszutauschen, um dem jeweiligen Meßtemperaturbereich zu entsprechen, wenn die Sauerstoffkonzentration in einer Atmosphäre zu messen ist, deren Temperatur von der Raumtemperatur bis zu etwa 1400ºC schwankt.
Bei den obigen Arten von bekannten Meßvorrichtungen ist eine kleine Meßkammer zum Montieren der Sonde zum Sammeln des Meßgases angeordnet. Die Konstruktion einer solchen Meßkammer wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 erklärt.
Das zylindrische Trockenelektrolytelement 2 mit geschlossenem Boden ist mit einer Innen- und einer Außenelektrode 3, 4 versehen, die durch das Beschichten sowohl der inneren als auch der äußeren Oberfläche des genannten Trockenelektrolytelements mit Edelmetall wie Platin und das Einbrennen der genannten überzugsschichten gebildet werden. Das Trockenelektrolytelement 2 mit den Elektrodenschichten 3, 4 ist in einem zylindrischen Metallrohr 86 untergebracht und durch festes Ausstopfen mit Keramikfasern 87, die aus Metalloxidfasern wie Tonerde, Silica usw. bestehen, gestützt, um die Position im Zylinder-beizubehalten. Ein Leitungsdrahtschutzrohr 88 ist zum Schutz vorgesehen, um die Leitungsdrähte zur inneren und äußeren Elektrode 3 und 4 zu führen.
Ein Bezugs- oder Normlufteinlaßrohr 89 zum Einbringen der Bezugsluft, beispielsweise der atmosphärischen Luft, ist an der Innenseite des Zylinders mit geschlossenem Boden des Trockenelektrolytelements 2 vorgesehen. Das Bezugslufteinlaßrohr wird von einem Befestigungselement 90 getragen. In das Bezugslufteinlaßrohr 89 ist ein Temperaturmeßelement 91, beispielsweise als ein Platin- und Platin-Rhodium-Thermoelement ausgebildet, eingefügt, um die Temperatur des Trockenelektrolytelements zu messen.
An einem offenen Ende des genannten zylindrischen Metallrohrs 86 ist ein Keramikfilter 13 vorgesehen, der das Hindurchtreten von Meßgas durch Diffusion zuläßt. Ein Prüfgaseinlaßrohr 16 zum Einbringen des genannten Bezugs- oder Eichgases in Kontakt mit der äußeren Elektrode 72 des Trockenelektrolytelements 71 und ein Austragsauslaß 92 zum Austragen des Meß- und des Eichgases sind auf dem zylindrischen Rohr 86 vorgesehen.
Diese Vorrichtung hat auch insofern Nachteile, als das zylindrische Trockenelektrolytelement 2 mit geschlossenem Boden zum Eichen des Sensorabschnitts besonders aufgrund einer großen Größe des Sauerstoffsensorabschnitts am geschlossenen Ende von der Konstruktion eine große Größe annimmt. Wegen obengenannter Ursache ist es sehr schwierig oder fast unmöglich gewesen, die Größe der kleinen Meßkammer A zu minimieren, in welcher der Sauerstoffsensorabschnitt D untergebracht ist und die durch die genannte zylindrische Röhre 86 und den Keramikfaserfilter 87 dazu gezwungen ist, kleiner als eine gewisse Größe zu sein.
Aus diesem Grund sollte zur Eichung der Vorrichtung eine vergleichsweise große Menge des Eichgases in die kleine Meßkammer A eingebracht werden, wobei deren Zufuhrzeit lang ist und die Eichung daher relativ lange dauert. Das verursacht ein Problem insofern, als die Eichung nicht auf einfache Art während der Messung durchgeführt wird.
Bei den obengenannten bekannten Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtungen war es notwendig, das im Sauerstoffbestimmungselement erzeugte elektrische Signal aus dem Ofen herauszuleiten. Zu diesem Zweck sind in der Sonde Hilfsleitungsdrähte zum Verbinden des Sauerstoffsensors mit den äußeren Leitungsdrähten vorgesehen.
Ein Beispiel für die Leitungsdrahtmontageanordnung ist in Fig. 6 gezeigt. Diese Leitungsdrahtmontageanordnung umfaßt ein Schutzrohr 93, in deren Innerem der Sauerstoffsensor untergebracht ist, einen Flansch 94, der auf dem Schutzrohr 93 montiert ist, Leitungsdrähte 95, die an die Verbindungsklemmen angeschlossen sind, die am Ende des Sauerstoffsensors vorgesehen sind und dazu dienen, das Ausgangssignal vom Sauerstoffsensor herauszuleiten oder Steuersignale an dieses zu liefern, und eine Zwischenverbindungsklemme 96 aus Kunststoff zum Anschließen an die Leitungsdrähte 95.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Sauerstoffkonzentrationsdetektor und den Zusatzleitungsdrähten kann im Niedrigtemperaturbereich, beispielsweise durch eine Anschlußverbindung, die Federstücke aus Phosphorbronze usw. aufweist, ausreichen. Jedoch sind derartige Verbindungsmittel unter Verwendung von Federkontakt im Hochtemperaturbereich ziemlich unbefriedigend, da ihre
Federeigenschaften beeinträchtigt werden und Fehlkontakt in der elektrischen Schaltung verursachen können. Aus diesem Grund sind bei den herkömmlichen Vorrichtungen, die für den Hochtemperaturbereich verwendet werden, die elektrischen Kontakte des Sauerstoffbestimmungselements mit Silberlot oder Platinlot an Platinleitungsdrähte gelötet. Das macht die elektrische Verbindung selbst recht zufriedenstellend. Aber die Verbindungsarbeit ist recht mühevoll. Des weiteren muß, wenn das Sauerstoffsensorelement am Kopf der Sonde vorgesehen ist, wie beim System mit direkter Einfügung, der Austausch des Sauerstoffsensorelements unvermeidbar durch den Austausch der gesamten Sonde durchgeführt werden, und das ist unwirtschaftlich.
Bei der Vorrichtung wie oben erwähnt besteht, da die Leitungsdrähte 95 der Umgebung an der Stelle zwischen dem Schutzrohr 93 und der Zwischenverbindungsklemme 96 ausgesetzt sind, die Gefahr des Zusammenbrechens oder Schmelzens der Leitungsdrähte 95 durch den Kontakt mit anderen Vorrichtungen wie dem Verbrennungsofen aufgrund von deren Flexibilität.
Die US-A-4588494 und EP-A-57393 zeigen Sauerstoffsensorsonden, die den oben besprochenen ähnlich sind. Die EP-A-117692 zeigt eine als Einheit ausgebildete Elektrode und Heizgerät und einen Temperatursensor, der mit einem Wärmeregler zum Erwärmen des Sensors verbunden ist.
Das Ziel der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die Beseitigung der obengenannten Nachteile der herkömmlichen Vorrichtungen, und es ist insbesondere ihr Ziel, eine derartige Vorrichtung zu verwirklichen, die geringe Größe, geringes Gewicht sowie eine einfache Konstruktion und hervorragende Ansprech- bzw. Reaktionseigenschaften aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung dieser Art zu schaffen, mit der die Messung über einen weiten Temperaturbereich durchgeführt werden kann, beispielsweise von normaler Temperatur bis etwa 1400ºC, und im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen für einen weiteren Konzentrationsbereich.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, mit welcher der Gasgehalte oder die Sauerstoffkonzentration des Meßgases mit hoher Geschwindigkeit und bei stabilen Bedingungen kontinuierlich gemessen und auch die Kondensation von im Meßgas enthaltenem Wassergehalt oder Feuchtigkeit verhindert werden kann.
Ein wieder anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist bei einigen Ausführungsformen die Schaffung einer Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, bei der nur der Meßabschnitt ausgetauscht werden braucht, wenn der Meßabschnitt Schaden nimmt, und so der Meßabschnitt auf leicht abnehmbare Weise montiert ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist bei einigen Ausführungsformen die Schaffung einer Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, bei der die elektrische Verbindung zwischen dem Sensorelement und den Leitungsdrähten leicht und definitiv hergestellt werden kann.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es bei einigen Ausführungsformen, eine Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung zu erhalten, bei der die Eichung des bestimmten Outputs innerhalb sehr kurzer Zeit durchgeführt werden kann.
Die Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Verschiedene bevorzugte, jedoch fakultative Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
die Fig. 1 bis 5 Querschnittsansichten sind, um die herkömmliche Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung wie erklärt zu zeigen;
Fig. 6 eine Vorderansicht ist, um ebenfalls die herkömmliche Vorrichtung insbesondere bezüglich des Leitungsdrahtabschnitts zu zeigen, wie das oben erklärt worden ist;
die Fig. 7 bis 33 die Ausführungsformen der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung zeigen
und worin:
die Fig. 7-A und 7-B perspektivische Ansichten zum Zeigen des Meßabschnitts (Sauerstoffsensor) im auseinandergezogenen Perspektivenschnitt bzw. in Gesamtansicht zeigen;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III von Fig. 7-A ist;
Fig. 9 den in Fig. 7-B gezeigten Sauerstoffsensor gemeinsam mit elektrischer Steuerungsschaltung im Blockdiagramm zeigt;
Fig. 10 ein Blockdiagramm zur Erklärung des Temperaturausgleichs- und Temperatursteuervorgangs ist;
Fig. 11 ein Blockdiagramm zum Erklären des Betriebs eines Temperaturlinearisators ist;
die Fig. 12-A und 12-B Diagramme sind, welche die Beziehung zwischen der Temperatur und Vergleichsspannung (Vf) bzw. zwischen der Temperatur und dem Sauerstoffpumpstrom (IP) und dem Kompensationskoeffizienten (K) zeigen;
die Fig. 13 bis 17 zeigen in Querschnittansicht modifizierte Ausführungsformen des Sauerstoffsensors gemäß vorliegender Erfindung;
Fig. 18 zeigt teilweise im Blockdiagramm den Sauerstoffsensor wie in Fig. 15 gezeigt, mit der Temperaturbetriebsverarbeitungsschaltung kombiniert;
Fig. 19 zeigt teilweise im Blockdiagramm den in Fig. 17 gezeigten Sauerstoffsensor mit der Temperaturausgleichsverarbeitungsschaltung kombiniert;
die Fig. 20 bis 23 sind Querschnittsansichten, welche die ganze Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vor liegender Erfindung zeigen;
Fig. 24 eine modifizierte Ausführungsform der in Fig. 23 gezeigten Vorrichtung, im Querschnitt gezeigt;
die Fig. 25, 26-A und 27 sind Querschnittsansichten, welche die gesamte Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung zeigen;
Fig. 26-B ist eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A' in Fig. 26-A;
Fig. 26-C ist eine Querschnittansicht entlang der Linie B-B' in Fig. 26-A;
Fig. 28 ist eine Querschnittansicht des in Fig. 27 gezeigten Sauerstoffsensors, die mehr Details zeigt;
Fig. 29 ist eine Querschnittansicht einer modifizierten Anordnung der in Fig. 27 gezeigten Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung;
Fig. 30 ist eine Querschnittansicht, die einen wesentlichen Abschnitt der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung zeigt;
Fig. 31 zeigt den Teil von Fig. 30 detaillierter;
Fig. 32 ist eine Vorderansicht der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung; und
Fig. 33 eine Querschnittansicht von Fig. 32.
Zuerst auf die Fig. 7-A, 7-B und 8 bezugnehmend, wird ein Sauerstoffsensor der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung gezeigt. Die tatsächliche Größe dieses Sauerstoffsensors S ist etwa 5 mm Breite, etwa 1,5 mm Dicke und etwa 30 60 mm Länge. Aber dieser Wert soll lediglich zu einem besseren Verständnis beitragen und schränkt die vorliegende Erfindung nicht ein.
An der oberen Seite dieses Sauerstoffsensors S, der in Fig. 7-B allgemein gezeigt wird, ist ein Sauerstoffpumpabschnitt P vorgesehen, der ein Trockenelektrolytelement 40 umfaßt, sowie eine obere Pumpelektrode 41 und eine untere Pumpelektrode 42, die an der oberen und der unteren Seite dieses Trockenelektrolytelements 40 angeordnet sind. Über der oberen Oberfläche dieses Sauerstoffpumpabschnitts P ist ein oberes Heizelement H1 vorgesehen, sodaß es die Peripherie der oberen Pumpelektrode 41 umgibt.
Auf ähnliche Weise wie der obengenannte Sauerstoffpumpabschnitt P ist ein Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B vorgesehen. Dieser Abschnitt B umfaßt ein Trockenelektrolytelement 43 und eine Meßelektrode 44 sowie eine Bezugselektrode 45, die an der Ober- bzw. der Unterseite des Trockenelektrolytelements 43 vorgesehen ist.
Zwischen diesem Sauerstoffpumpabschnitt P und dem Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B ist ein Abstandhalterelement 47 (47a, 47b) angeordnet, das aus einem Isolator mit einer bestimmten Dicke gebildet ist, um eine Diffusionskammer 46 mit der Form eines engen flachen Raumes zu bilden, in den das zu messende das mit einem vorherbestimmten Diffusionswiderstand eingebracht wird. In der Mittelposition dieser Diffusionskammer 46 im Sauerstoffpumpabschnitt P ist ein Gaseinbringloch 48 (48a, 48b, 48c, 48d) vorgesehen, um die genannte Diffusionskammer 46 mit dem Außenraum zu koppeln, zum Beispiel mit der Meßstelle, in der das Meßgas vorhanden sein kann. Das Meßgas wird durch dieses Gaseinbringloch 48 (48a, 48b, 48c, 48d) eingebracht und in der Diffusionskammer 46 unter einem bestimmten Diffusionswiderstand diffundiert, und kommt mit der Pumpelektrode 42 in Kontakt, die an der Unterseite des Sauerstoffpumpabschnitts P angeordnet ist. Das Gas kommt auch mit der Meßelektrode 44 des Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitts B an der Stelle nahe der genannten unteren Pumpelektrode 42 in Kontakt.
Unterhalb des Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitts B sind ein Abstandhalterelement 49, das aus einem Trockenelektrolyt gebildet ist, und ein Trockenelektrolytelement 50 in dieser Reihenfolge vorgesehen. Durch diese Konstruktion wird ein Luftdurchgang 51 gebildet, in dem die genannte Bezugselektrode 45 frei liegt. Dieser Luftdurchgang 51 steht am Basisabschnitt des Sauerstoffsensors S mit der Außenatmosphäre in Verbindung. Die obengenannte Bezugsluft, in diesem Fall die atmosphärische Luft, wird in das Element durch diesen Luftdurchgang 51 eingebracht und kommt mit der genannten Bezugselektrode 45 in Kontakt.
Im Luftdurchgang 51 ist an einer Stelle unterhalb der unteren Oberfläche des Trockenelektrolytelements 43 und in der Nähe der beiden Enden der Bezugselektrode 45 ein (nicht gezeigter) Temperaturbestimmungsabschnitt T vorgesehen.
An der weiteren unteren Seite ist ein unteres Heizelement H2 vorgesehen. Durch dieses untere Heizelement H2, gemeinsam mit dem oberen Heizelement H1, das an beiden Seiten des Sauerstoffpumpabschnitts P und des Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B angeordnet ist, können die beiden Abschnitte P und B von beiden Seiten auf sandwichähnliche Art auf eine vorherbestimmte Temperatur (beispielsweise über 600ºC) erwärmt werden.
Die Trockenelektrolytelemente 40, 43, 50 und das Abstandhalterelement 49 bestehen aus stabilisierter oder teilweise stabilisierter Zirkondioxidkeramik, die bei hoher Temperatur Sauerstoffionleitfähigkeit aufweist. Wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, kann diese stabilisierte oder teilweise stabilisierte Zirkondioxidkeramik erhalten werden, indem eine feste Lösung aus Zirkonoxid mit Yttriumoxid oder Kalziumoxid usw. gebildet wird. Jede der Elektroden 41, 42, 44, 45 ist aus porösem Platin usw. gebildet. Von den Elektroden 41, 42, 44, 45 sind die obere Pumpelektrode 41, die untere Pumpelektrode 42 und die Meßelektrode 44, die so angeordnet ist, daß sie mit dem Meßgas in Kontakt stehen, jeweils in laminierter Konstruktion mit porösen Keramikschichten 52, 53, 54 überzogen, die aus Tonerde usw. bestehen. Das Meßgas kommt durch derartige poröse Keramikschichten 52, 53, 54 jeweils mit den Elektroden 41, 42, 44 in Kontakt.
Die Heizelemente H1 und H2 sind aus den Heizelementen 55 und 56 gebildet, welche die Heizelemente darstellen, die mit porösen Schichten 57 (57a, 57b) bzw. 58 (58a, 58b) überzogen sind, die aus Tonerde usw. mit elektrischer Isolierwirkung gebildet sind. Über diesen porösen Schichten 57 (57a, 57b) und 58 (58a, 58b) sind luftdichte Schichten 59 bzw. 60 vorgesehen, die aus Trockenelektrolyt wie Zirkondioxid usw. gebildet sind. Dadurch können die beiden Heizelemente 55 und 56 vom äußeren Meßgas getrennt oder isoliert werden. Die Heizelemente 55 und 56 können beispielsweise durch Drucken unter Verwendung von Paste gebildet werden, deren Hauptbestandteil aus einer Mischung aus Tonerdepulver und Platinpulver besteht, oder indem ein Cermet-artiger Film auf der Basis angeordnet wird.
Der genannte Temperaturdetektorabschnitt T wird unter Verwendung eines Widerstandskörpers konstruiert, der einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der den elektrischen Widerstand bei Temperaturänderung stark ändert. Ein Temperaturbestimmungselement 61 ist in einer elektrisch isolierenden porösen Schicht 62 eingebettet, die aus Tonerde oder ähnlichem gebildet ist, sodaß das Element 61 vom umgebenden Trockenelektrolytelement 43 und dem Abstandhalterelement 49 elektrisch isoliert ist. Der Widerstandskörper dieses Temperaturbestimmungselements 51 wird durch laminierte Drucktechniken unter Verwendung von Paste gebildet, deren Hauptbestandteil Pulver aus Zirkonerde, Tonerde und ähnlichem und Platinpulver besteht, oder von Paste, deren Hauptbestandteil aus Keramikpulver aus Keramik, Zirkonerde, Tonerde usw. und Platinpulver besteht, der etwa 0,1 0,5% Titanoxid hinzugefügt ist, oder von Paste, deren Hauptbestandteil aus Keramikpulver wie Cermet, Zirkonerde oder Tonerde usw. besteht, der Oxide von Mangan, Kobalt, Nickel usw. hinzugefügt sind, oder von Paste, die einen absichtlich hohen Temperaturkoeffizienten aufweist, wie Cermet. Er kann auch erhalten werden, indem Cermet-artiger Film und ähnliches angeordnet wird. Der Widerstandskörper des Temperaturbestimmungselements 61 kann aus einem Zirkonerdeporzellan oder einem Platindraht oder Platinfilm usw. gebildet sein. Zum Bilden des laminierten Drucks mit einem solchen Platindraht oder dünnen Platinfilm können die bekannten Techniken des CVD-Verfahrens, der Bedampfung oder der Kathodenzerstäubung verwendet werden. Anstatt der Verwendung des Widerstandskörpers für das Temperaturbestimmungselement 61 kann eine Kombination aus verschiedenen Arten von Metallen oder Pasten oder Cermets, die jeweils solch verschiedene Art von Metallen enthalten, verwendet werden, um eine laminierte gedruckte Schaltung des Thermoelementkörpers zu bilden, der im Temperaturbestimmungselement 61 zu verwenden ist.
Der obengenannte Sauerstoffpumpabschnitt P, der Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B, die Heizelemente H1 und H2, der Temperaturbestimmungsabschnitt T und das Abstandhalterelement 47 werden laminiert, um einen länglichen Formkörper mit schmaler Breite zu bilden, und dann gesintert, um eine Konstruktionseinheit zu bilden. In Fig. 7-B bezeichnet M einen gedruckten Anschluß für elektrischen Kontakt für die Pumpelektroden 41 und 42, für die Meßelektrode 44, für die Bezugselektrode 45, für die Heizelemente 55 und 56 und für das Temperaturbestimmungselement.
Bei der Ausführungsform wie oben erwähnt bilden der Sauerstoffpumpabschnitt und der Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt die Sensorzelle oder den Sauerstoffsensor gemäß der Erfindung, aber dieser kann auch aus einem der beiden Abschnitte gebildet sein.
Des weiteren können die Heizelemente beim Sauerstoffsensor S weggelassen werden, oder das Temperaturbestimmungselement kann weggelassen werden.
Beim Messen der Sauerstoffkonzentration werden der Sauerstoffsensor S oder präziser der Sauerstoffpumpabschnitt P und der Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B auf einer vorherbestimmten Temperatur gehalten, während die tatsächliche Temperatur, die vom Temperaturbestimmungselement 61 des Temperaturbestimmungsabschnittes T überwacht wird, indem ein Heizstrom durch die Heizelemente 55 und 56 der Heizabschnitte H1 und H2 geleitet wird. Unter einer Bedingung, bei der der Sauerstoffpumpabschnitt P und der Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B bei einer bestimmten vorherbestimmten Temperatur, z. B. 600ºC, gehalten werden, oder daß die vorherbestimmte Temperatur erreicht wird, kann mit dem Meßverfahren begonnen werden. Bei einer praktischen Ausführungsform des Sauerstoffsensors S dauert es etwa 3 Minuten vom Beginn des Leitens des Heizstroms, bis die vorherbestimmte Temperatur erreicht ist. Der Stromverbrauch beträgt etwa 8 W.
Das Prinzip der Sauerstoffkonzentrationsmessung unter Verwendung des Sensors S wird unter Bezugnahme auf das in Fig. 9 gezeigte Teilblockdiagramm erklärt werden.
Durch einen Vergleich des Meßgases, das durch das Gaseinbringloch 48 des Sauerstoffpumpabschnitts P in die Diffusionskammer 46 diffundiert wird, mit der Bezugsluft in der Atmosphäre durch den Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B wird eine elektromotorische Kraft E, die dem Anteil des Sauerstoffpartialdrucks davon entspricht, zwischen der Meßelektrode 44 und der Bezugselektrode 45 erzeugt. Diese erzeugte elektromotorische Kraft wird mit einer Vergleichsspannung Vf verglichen (erzeugte elektromotorische Kraft, die dem Luftanteil entspricht m 1). Eine Differenzspannung (E-Vf) dazwischen wird einem Sauerstoffpumpstrom(Ip)-Regler 63 zugeführt.
Dieser Pumpstrom (Ip)-Regler 63 wirkt so, daß er den Sauerstoffpumpstrom (Ip) je nach der Differenzspannung (E-Vf) auf die folgende Weise steuert.

i) im Fall von E< Vf:

Durch die Regulierung des Sauerstoffpumpstroms (Ip) wirkt der Sauerstoffpumpabschnitt P so, daß er den Sauerstoff in der Diffusionskammer 46 nach außen abzieht, wie durch die in Fig. 9 gezeigte durchgehende Linie gezeigt.

ii) Im Fall von E> Vf:

Durch die Regulierung des Sauerstoffpumpstroms (Ip) wirkt der Sauerstoffpumpabschnitt P so, daß er den Sauerstoff durch die Elektrolysezerlegung des Kohlendioxids (CO&sub2;) und des Wasser(H&sub2;O)-Gehalts im Meßgas in die Diffusionskammer einbringt. (In der Diffusionskammer 46 findet folgende Reaktion statt:
H&sub2;O+1/2O&sub2; → H&sub2;O, CO+1/2O&sub2; → CO&sub2;
Durch diese Regulierung wird die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer so gesteuert, daß sie einen vorherbestimmten Wert hat.
Die Festlegung dieses vorherbestimmten Wertes der Sauerstoffkonzentration ist so eingestellt, daß die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer 46 zu einem Wert wird, welcher dem Luftanteil m 1 entspricht, oder praktischer ausgedrückt, die Sauerstoffkonzentration wird 0%.
Jedes des Sauerstoffmoleküls, Kohlendioxidmoleküls, Wasserstoffmoleküls im Meßgas hat gegenüber dem von Stickstoff einen anderen Diffusionskoeffizienten, sodaß der Sauerstoffpumpstrom (Ip) durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
Ip = K&sub1;·PO2 - K&sub2;·PCO - K&sub3;·PH2
worin
K&sub1;: Koeffizient im Verhältnis zur Diffusion von Sauerstoffmolekül.
K&sub2;: Koeffizient im Verhältnis zur Diffusion von Kohlenmonoxid.
K&sub3;: Koeffizient im Verhältnis zur Diffusion von Wasserstoff.
P: jeweiliger Partialdruck von Sauerstoffmolekül, Kohlenmonoxidmolekül, Wasserstoffmolekül.
Demgemäß wird, wenn das Meßgas sich im Oxidationsbereich befindet, da die Konzentration von Kohlenmonoxidmolekül und jene von Wasserstoffmolekül beide 0% betragen, Folgendes erhalten:
Ip = K&sub1;·PO2
Wenn das Meßgas sich im Reduktionsbereich befindet, wird, da die Konzentration des Sauerstoffmoleküls 0% beträgt, Folgendes festgelegt
Ip = -(K&sub2;·PCO+K&sub3;·PH2)
Das oben erklärte Prinzip der Messung der Sauerstoffkonzentration zusammenfassend wird die Messung der Sauerstoffkonzentration durchgeführt, um den Sauerstoffpumpstrom (Ip) zu steuern, sodaß die Sauerstoffmolekülkonzentration in der Diffusionskammer 46 O% wird (Luftanteil m 1) und der Sauerstoffpumpstrom (Ip) durch einen Bezugswiderstand (rr) gemessen wird.
Dadurch können die Sauerstoffüberschußkonzentration im Oxidationsbereich und die Sauerstoffmangelkonzentration im Reduktionsbereich durch ein einziges Signal ausgedrückt werden. Das trägt wesentlich zur Bildung eines Steuersystems der Atmosphärensteuerung eines Industrieofens bei, das sowohl im Oxidationsals auch im Reduktionsbereich arbeitet.
In der Folge wird das Prinzip der Kompensation des Outputs des Sensors S unter Verwendung des Signals des Temperaturbestimmungselements unter Bezugnahme auf ein in Fig. 10 gezeigtes Blockdiagramm erklärt.
Der Sauerstoffkonzentrationszellabschnitt B vergleicht das durch das Gaseinbringloch 48 des Sauerstoffpumpabschnittes P in die Diffusionskammer 46 diffundierte Meßgas mit dem Bezugsgas der atmosphärischen Luft, und eine elektromotorische Kraft E, die dem Sauerstoffpartialdruck der beiden Gase entspricht, wird zwischen der Meßelektrode 44 und der Bezugselektrode 45 erzeugt.
Die erzeugte elektromotorische Kraft E wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
worin
R: Gaskonstante
T: absolute Temperatur
n: Valenzzahl
F: Faraday-Konstante
PA: Sauerstoffkonzentration des Bezugsgases
PS: Sauerstoffkonzentration des Meßgases
In einem Subtraktor 97 wird von der erzeugten elektromotorischen Kraft E eine Einstellspannung Vf (eine erzeugte Spannung, die dem Luftanteil m 1 entspricht) subtrahiert. Die Differenzspannung (E-Vf) dazwischen wird dem Sauerstoffpumpstrom (Ip)-Regler 63 zugeführt. Jedoch nimmt gemäß dem Temperaturanstieg der vorherbestimmte Wert, um den Luftanteil in 1 zu machen, d. h. die Einstellspannung Vf ab, beispielsweise um 0 mV bis 100 mV, wie in Fig. 12 zu sehen ist, sodaß diese Einstellspannung mit einem entsprechenden Wert der Temperaturvariation ausgeglichen werden muß. Für diese Kompensation wird der vom Temperaturbestimmungsabschnitt T stammende Output verwendet.
Wenn Thermistor Th für den Temperaturbestimmungsabschnitt T verwendet wird, hat der Widerstand R des Thermistors das folgende Kennzeichen, das durch die absolute Temperatur T ausgedrückt ist.
Der Wert, der diesen Widerstand R darstellt, der durch den Thermistor Th erhalten wird, wird durch einen Verstärker 98 verstärkt und dann einem daran angeschlossenen Temperaturlinearisiergerät 100 zugeführt, in dem die Temperaturwiderstandseigenschaft, die eine logarithmische Beziehung aufweist, in eine Temperaturwiderstandseigenschaft umgewandelt wird, die ein lineares Verhältnis aufweist.
Ein Beispiel für dieses Temperaturlinearisiergerät 100 wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 erklärt. Der Wert des durch den Verstärker 98 verstärkten Widerstands R wird im Log-Konverter (logarithmischer Konverter) 101 umgewandelt, sodaß er eine Beziehung aufweist, die durch Log R und 1/T ausgedrückt wird, worin 1/T=A·Log R+B. (A und B sind Konstante). Dieser Log-Konverter 101 kann beispielsweise gebildet werden, indem die Strom-Spannungseigenschaften in der Emitter-Basis-Schaltung eines Transistors verwendet werden, oder eine Kontraktionsschaltung oder lineare polygonale Approximationsschaltung verwendet wird. Vom Log-Konverter 101 wird eine Spannung erhalten, die der absoluten Temperatur 1/T entspricht, und dieser Wert wird in einem darauffolgenden Inverskonverter 102 verarbeitet. Dieser Inverskonverter 102 ist in der Praxis ein Frequenzteiler, um einen Wert im Verhältnis zur absoluten Temperatur T zu erzeugen.
Der Output des Temperaturlinearisiergerätes 100 wird einerseits einer Bezugsspannungseinstellschaltung 103 zugeführt und andererseits einer Koeffizientkompensationsschaltung 104 zugeführt, die mit dem Output verbunden ist.
Die Bezugsspannungseinstellschaltung 103 bildet eine Einstellspannung Vf, die der Schwankung der absoluten Temperatur T entspricht, beispielsweise durch einen Funktionskonverter, der auf polygonaler Annäherung und einer Vorspannungsschaltung basiert, und diese Einstellspannung Vf wird einem Subtraktor 97 zugeführt.
Die temperaturkompensierte Differenzspannung (E-Vf) wird dem Ip-Regler 105 zugeführt, und ein vorherbestimmtes Steuersignal zum Steuern des Pumpstroms (Ip) wird davon abgeleitet. Dieser Ip-Regler 105 liefert vorherbestimmte Steuersignale und bewirkt die Anteils- und Integrationssteuerung für den Sauerstoffpumpabschnitts P, sodaß die erzeugte elektromotorische Kraft des Sauerstoffpumpabschnitt P der Outputspannung der Bezugsspannungseinstellschaltung 103 gleich wird.
Die Steuerung erfolgt beispielsweise folgendermaßen.
i) Im Fall von E-Vf; Steuerung des Sauerstoffpumpabschnitts P, um den Sauerstoff in der Diffusionskammer 46 nach außen abzusaugen, wie mit der durchgehenden Linie in Fig. 8 gezeigt.
ii) Im Fall von E> Vf; Steuerung des Sauerstoffpumpstroms (Ip), um die elektrische Zerlegung von Kohlendioxid (CO&sub2;), Wassergehalt (H&sub2;O) im Meßgas zu bewirken und Sauerstoff durch den Sauerstoffpumpabschnitt P in die Diffusionskammer 46 einzubringen.
(in der Diffusionskammer 46 läuft folgende Reaktion ab:
H&sub2;+1/2H&sub2;O, CO+1/2O&sub2;→CO&sub2;.
Dadurch wird die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer 46 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Um den Pumpstrom (Ip) zu steuern, wie oben erwähnt, wird ein Spannung-zu-Strom-Konverter 106 nach dem Ip-Regler 105 angeschlossen, und die Ausgangsspannung wird in den Pumpstrom (Ip) umgewandelt.
Das Verfahren zum Einstellen des obengenannten vorbestimmten Werts besteht darin, die Sauerstoffkonzentration in der Diffusionskammer 46 so einzustellen, daß es eine Sauerstoffkonzentration ist, die dem Luftanteil m 1 entspricht, oder praktisch, die Sauerstoffkonzentration so einzustellen, daß sie 0% beträgt.
Im Meßgas hat jedes der Sauerstoffmoleküle, der Kohlenmonoxidmoleküle und der Wasserstoffmoleküle einen unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten gegenüber dem Stickstoff, sodaß der Sauerstoffpumpstrom (Ip) durch die folgende Formel ausgedrückt wird.
Ip = K&sub1;·PO2 - K&sub2;·PCO - K&sub3;·PH2
worin K&sub1;: Koeffizientenverhältnis zur Diffusion von Sauerstoffmolekül
K&sub2;: Koeffizientenverhältnis zur Diffusion von Kohlenmonoxidmolekül
K&sub3;: Koeffizientenverhältnis zur Diffusion von Wasserstoffmolekül
P: jeweiliger Partialdruck von Sauerstoff-, Kohlenmonoxid- und Wasserstoffmolekül.
Demgemäß ist, wenn das Meßgas sich im Oxidationsbereich befindet, da jedes des Kohlenmonoxidmoleküls und des Wasserstoffmoleküls eine Konzentration von 0% aufweist, Folgendes gegeben:
Ip = K&sub1;·PO2
Des weiteren ist, wenn das Meßgas sich im Reduktionsbereich befindet, da das Sauerstoffmolekül 0% Konzentration aufweist, Folgendes gegeben:
Ip = -[K&sub2;·PCO + K&sub3;·PH2]
Der Ausgangsstrom des Spannung-Strom-Konverters 106, d. h. der Pumpstrom (Ip) wird einerseits dem Sauerstoffpumpabschnitt P und andererseits durch eine Multiplikatorschaltung 107 einem Ausgangskonverter 108 zugeführt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration konstant ist, schwankt der Pumpstrom (Ip) je nach der absoluten Temperatur T, wie aus Fig. 12-B zu ersehen ist. Daher wird die Ausgangsspannung des Temperaturlinearisiergeräts 100, die der absoluten Temperatur entspricht, in der Koeffizientenkompensationsschaltung 104 verwendet, die in der Praxis ein Funktionskonverter durch Diagonalannäherung und eine Vorspannungsschaltung ist, und es wird ein Koeffizient K(t) wie in Fig. 12-B gezeigt abgeleitet, der den Pumpstrom (Ip) gegen die Schwankung der absoluten Temperatur T konstant macht. Im Multiplikator 7 wird der Pumpstrom (Ip) mit dem so abgeleiteten Koeffizienten K(t) vervielfacht, um unabhängig von der Schwankung der absoluten Temperatur T bei einer bestimmten Sauerstoffkonzentration einen konstanten Pumpstrom (Ip) zu erhalten.
Durch den obigen Vorgang wird der Pumpstrom (Ip) von der Multiplikatorschaltung in einem Verhältnis 1 zu 1 gegenüber der Sauerstoffkonzentration erhalten. Im darauffolgenden Outputkonverter 108 wird dieser Wert auf eine gewünschte Art des Anzeigemodus umgewandelt, zum Beispiel in die Sauerstoffkonzentration im Meßgas oder ein Signal, das den O&sub2;-Wert darstellt - was den Mangel an Sauerstoffkonzentration zeigen kann usw.
Nun wird der anwendbare Temperaturbereich von der üblichen Raumtemperatur bis etwa 1400ºC betrachtet. Wenn die Temperatur des Sauerstoffsensors S, oder präziser die Temperatur des Sauerstoffpumpabschnitts P und des Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitts B unterhalb seiner Betriebstemperatur liegt, beispielsweise unter 600ºC, wird ein Heizstrom zu den Heizabschnitten H1 und H2 geleitet, um die obigen Abschnitte P und B bei einer bestimmten vorherbestimmten Temperatur zu halten. Auch wenn der Sauerstoffpumpabschnitt P und der Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B über die Betriebstemperatur steigen, kann das Erwärmen der Heizabschnitte H1 und H2 fortgesetzt werden.
Es ist auch möglich, den Heizstrom durch einen Schalter im Heiztemperaturregler 109 zu unterbrechen, wenn die Ausgangsspannung des Temperaturlinearisiergeräts
100 einen bestimmten Wert übersteigt. In jedem Fall kann, da die Temperaturbestimmung vorgenommen wird und ein Vorgang zur Temperaturkompensation kontinuierlich durchgeführt wird, eine definitive Sauerstoffkonzentrationsmessung unabhängig von der Temperaturschwankung vorgenommen werden.
In der Folge werden die modifizierten Ausführungsformen des Sauerstoffsensors S weiter erklärt. Gleiche Bezugszahlen wie in der obengenannten Ausführungsform zeigen die gleichen Teile, und eine zweimalige Erklärung wird unterlassen.
Fig. 13 zeigt eine modifizierte Ausführungsform, die der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform entspricht, mit der Ausnahme, daß der obere Heizabschnitt H1 und der Temperaturbestimmungsabschnitt T weggelassen sind. Bei dieser Ausführungsform wird die Temperatur des Sauerstoffsensors S unter Verwendung der Schwankung des Widerstandswertes des Heizelements 56 des unteren Heizabschnittes H2 bestimmt, und die Temperaturregelung wird durchgeführt.
Alle anderen Abschnitte sind mit denen der vorhergehenden Ausführungsform identisch.
Fig. 14 zeigt eine weitere andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Sauerstoffsensor nur aus dem Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt B gebildet ist. Der Temperaturbestimmungsabschnitt T ist auf der oberen Oberfläche des Trockenelektrolytelements 43 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration im Meßgas durch die Potentialdifferenz zwischen der Meßelektrode 44 und der Bezugselektrode 45 im Sauerstoffkonzentrationszellenmechanismus gemessen. Demgemäß ist es im Grundprinzip nicht möglich, mit einem einzigen Ausgangssignal die Sauerstoffüberschußkonzentration im Oxidationsbereich und die Sauerstoffmangelkonzentration im Reduktionsbereich anzuzeigen.
Dieser Sauerstoffsensor S ist so angeordnet, daß das Element S selbst durch das Hochtemperaturmeßgas erwärmt wird, und nach dem Bestätigen der Tatsache, daß das Element S sich über der vorherbestimmten Temperatur befindet, wird mit der Messung begonnen. Demgemäß eignet sich diese Ausführungsform zur Verwendung bei der Messung eines Hochtemperaturmeßgases.
Einer weiteren, in Fig. 15 gezeigten modifizierten Ausführungsform ist der untere Heizabschnitt H2 in der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform hinzugefügt. Dieser Sauerstoffsensor S ist auch der gleiche wie bei der zuvor erklärten Ausführungsform, das heißt das Element wird auf einer vorherbestimmten Temperatur gehalten, indem ein Heizstrom für den Heizabschnitt H2 je nach der ermittelten Temperatur geleitet wird, die vom Temperaturbestimmungsabschnitt T ermittelt wird. Demgemäß eignet sich diese Ausführungsform zur Messung des Niedrigtemperaturmeßgases. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der in Fig. 14 gezeigten Ausführungsform.
Fig. 16 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Sensor aus dem Sauerstoffpumpabschnitt P gebildet ist und der Temperaturbestimmungsabschnitt T über der oberen Oberfläche des Trockenelektrolytelements 40 vorgesehen ist. An der Ober- und Unterseite dieses Trockenelektrolytelements 40 sind obere und untere poröse Keramikschichten 64 bzw. 65 vorgesehen, die aus Tonerde usw. gebildet sind und Widerstandsmittel zur Diffusion darstellen, und die gesamten Elemente sind laminiert, um ein einheitliches Element zu bilden. Das Meßgas kann in die beiden porösen Keramikschichten 64 und 65 diffundieren. Bei dieser Ausführungsform wird die Sauerstoffkonzentration durch Messen des Sauerstoffpumpstroms im Sauerstoffpumpmechanismus gemessen. Grundsätzlich können die Sauerstoffüberschußkonzentration im Oxidationsbereich und die Sauerstoffmangelkonzentration im Reduktionsbereich gemessen werden. Da diese Ausführungsform nur den Temperaturbestimmungsabschnitt T umfaßt, ist sie besonders geeignet für die Verwendung bei der Messung von Hochtemperaturmeßgas, ebenso wie die in Fig. 14 gezeigte modifizierte Ausführungsform.
Fig. 17 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Sauerstoffsensor nur aus dem Sauerstoffpumpabschnitt P gebildet ist, wie bei der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform. Zwischen diesem Sauerstoffpumpabschnitt P und dem unteren Heizabschnitt H2 ist ein aus Tonerde usw. gebildetes Abstandhalterelement 66 als das Diffusionswiderstandsmittel angeordnet. Der Temperaturbestimmungsabschnitt T ist auf oder oberen Oberfläche des unteren Heizabschnitts H2 vorgesehen. Das Meßgas wird durch das poröse Abstandshalterelement 66 auch an der unteren Oberfläche des Sauerstoffpumpabschnitt P zugeführt. Demgemäß wird das Gas von beiden Oberflächenseiten des Sauerstoffpumpabschnittes P zugeführt. Da diese modifizierte Ausführungsform den Temperaturbestimmungsabschnitt T und den unteren Heizabschnitt H2 umfaßt, eignet sie sich zur Verwendung bei der Messung des Niedrigtemperaturmeßgases genauso wie die in Fig. 15 gezeigte Ausführungsform. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie die in Fig. 16 gezeigten.
Fig. 18 zeigt eine Modifikation der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, die mit einem Temperaturbetriebsverarbeitungsabschnitt versehen ist. Der Sauerstoffsensor S ist der gleiche wie unter Bezugnahme auf Fig. 15 erklärt, der mit dem Temperaturbestimmungsabschnitt T über der oberen Oberfläche des Trockenelektrolytelements 43 versehen ist, und ein unterer Heizabschnitt H2 ist an der unteren Oberfläche des Trockenelektrolytelements 50 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform wird das vom Temperaturbestimmungsabschnitt T erhaltene Ausgangssignal durch einen Verstärker 98 einem Temperaturlinearisiergerät 100 zugeführt, und eine im Verhältnis zur absoluten Temperatur T lineare Spannung V(t) wird am Ausgang erhalten, wie oben erklärt worden ist. Diese Ausgangsspannung V(t) wird auf einen Eingang einer Spannungskompensationsschaltung 110 angelegt.
In dieser Spannungskompensationsschaltung 110 wird eine durch eine Meßelektrode 45 durch einen Verstärker 98' erhaltene Spannung E vervielfacht, beispielsweise um das 1000-fache, und in eine erzeugte elektromotorische Kraft umgewandelt, die jener bei 1000º(K) entspricht. Tatsächlich wird davon eine elektromotorische Kraft erhalten, die der Sauerstoffkonzentration bei einer imaginären Temperatur von 1000º(K) entspricht. Das bedeutet eine Messung der Sauerstoffkonzentration während einer Zeit einer imaginär konstanten Temperatur.
Die Ausgangsspannung der Spannungskompensationsschaltung 110 wird der nächsten Stufe einer Antilogarithmusschaltung 111 zugeführt und so verarbeitet, daß die logarithmische Funktion entwickelt wird, und in die Sauerstoffkonzentration umgewandelt (beispielsweise in
und diese wird in der darauffolgenden Outputkonverterschaltung 108 in einen gewünschten Anzeigewert umgewandelt.
Die in Fig. 19 gezeigte Ausführungsform ist der in Fig. 17 gezeigten ähnlich, und im Sauerstoffsensor ist die Sauerstoffsensorzelle nur aus dem Sauerstoffpumpabschnitt gebildet. Zwischen diesem Sauerstoffpumpabschnitt P und dem unteren Heizabschnitt H2 ist ein aus Tonerde usw. gebildetes Abstandshalterelement 81 als das Diffusionswiderstandsmittel angeordnet. Der Temperaturbestimmungsabschnitt T ist über der oberen Oberfläche des unteren Heizabschnitts H2 vorgesehen. Das Meßgas wird auch durch das poröse Abstandshalterelement 66 der Bodenfläche des Sauerstoffpumpabschnitts P zugeführt, und so wird das Meßgas den beiden Oberflächenseiten des
Sauerstoffpumpabschnittes P zugeführt.
Beim Sauerstoffsensor S wie auf die obige Weise konstruiert wird die Sauerstoffkonzentration durch Messen des Sauerstoffpumpstroms (Ip) durch den Sauerstoffpumpmechanismus gemessen. Der Sauerstoffpumpstrom Ip wird in einem elektrischen Strommeßgerät 112 gemessen, und der Output wird durch einen Verstärker 98 einer Multiplikatorschaltung 107 zugeführt. Der Output des Temperaturbestimmungsabschnittes T oder, mehr praxisbezogen, der Widerstandswert des Widerstands 61 wird zuerst in eine gewünschte Funktion K(t) in einer Koeffizientenkompensationsschaltung 104 umgewandelt und dann einer Multiplikatorschaltung 107 zugeführt. In dieser Multiplikatorschaltung 107 wird der Pumpstrom Ip durch die Funktion K(t) vervielfacht, und ein Verhältnis zwischen Ip und der Sauerstoffkonzentration wird unabhängig vom Temperaturbereich erhalten.
In der Folge wird die erfindungsgemaße Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung unter Verwendung des oben erklärten Sauerstoffsensors S unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen erklärt werden.
Auf Fig. 20 bezugnehmend wird eine Sonde 20 zum Sammeln des zu messenden Gases angeordnet, indem sie in eine Öffnung 22 eingeführt wird, die in der Ofenwand eines Rauchzugs eines Verbrennungsofens vorgesehen ist. Die Sonde 20 ist in einer Doppelrohrkonstruktion ausgebildet, die aus einem Außenrohr 23 mit geschlossener Oberseite und einem Innenrohr 24 mit offenen Enden gebildet ist. An der Seitenwand des oberen Endabschnitts des Außenrohrs 23 ist ein Gaseinbringloch 25 geöffnet, um dem Verbrennungsabgas (dem zu messenden Gas) gegenüberzustehen, das im Rauchzug oder dem Abgasdurchgang strömt. Das genannte Innenrohr 24 ist im Außenrohr 23 in einer solchen Position angeordnet, daß eine Öffnung 26 an der Oberseite des Innenrohrs 24 dem Gaseinbringloch 25 gegenübersteht. Das offene obere Ende des Innenrohrs 24 wird durch eine Trennwand 27 im Außenrohr 23 gestützt, welche Trennwand auch als Stütze dient. So ist die Innenseite des Innenrohrs 24 vom Raum zwischen dem Innenrohr 23 und dem Außenrohr 24 getrennt. Ein Gasauslaßloch 28 ist am Außenrohr 23 an einer Stelle nahe der Trennwand 27, aber gegen die Basisseite des Außenrohrs 23 hin angeordnet, wo die Innenseite der Röhre negativen Druck gegen das Verbrennungsabgas (das zu messende Gas) aufweist. Gemäß dieser Konstruktion strömt das Verbrennungsabgas im Rauchzug oder das zu messende Gas (in der Folge einfach als Meßgas bezeichnet), das durch das Gaseinbringloch 25 gesammelt wird, wie durch die Pfeilmarkierungen gezeigt zuerst durch den Innenraum des Innenrohrs 23 und dann durch den Raum, der zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr gebildet ist, und wird schließlich durch das Gasauslaßloch 28 ausgebracht.
Des weiteren ist am Basisabschnitt der Sonde 20 ein Gasbestimmungselement 29 angeschlossen. Dieses Gasbestimmungselement 29 besteht aus einem Zylinderabschnitt 30, der vorgesehen ist, um mit der Sonde 20 zu kommunizieren, einem Bestimmungsabschnitt 31, der von der rechten Basisseite des Zylinderabschnitts 30 eingefügt ist, um in den Innenraum davon zu ragen, und durch Gewindekopplung daran befestigt und mit einer Schutzkappe abgedeckt ist, und aus einem Keramikfilterabschnitt 32, der oben am Zylinderabschnitt 30 vorgesehen ist, um das strömende Meßgas in der Sonde 20 zum Bestimmungsabschnitt 31 zu leiten, nachdem er es filtriert hat. Die Sonde 20 und das Gasbestimmungselement 29 sind durch einen Flansch 33 gemeinsam an der Ofenwand 21 befestigt.
Ein Eichgaslieferant 34 ist am Zylinderabschnitt 30 befestigt, um das Eichgas dem Gasbestimmungselement 29 zuzuführen. Ein Luftloch 35 zum Zuführen der Bezugsluft zum Bestimmungsabschnitt 31 ist ebenfalls vorgesehen, und es sind auch Leitungsdrähte 36 vorgesehen, um das ermittelte Signal vom Bestimmungsabschnitt 31 nach außen zu leiten.
Fig. 21 zeigt eine Ausführungsform für die Montage des Sensors gemäß vorliegender Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein plattenförmiger Meßabschnitt 31, der aus einem Sensor und/oder Temperaturbestimmungselement gebildet ist, durch ein Stützelement 113, beispielsweise eine Schraube, am Basisabschnitt einer Sonde 112 montiert. An einem Ende des Meßabschnitts, das nicht mit dem Meßgas in Kontakt steht, ist ein Verbindungsabschnitt 114 vorgesehen. Durch Verbinden dieses Verbindungsabschnitts 114 durch ein Kabel 115 mit einer (nicht gezeigten) äußeren Stromquelle, wird der Strom dem Pumpabschnitt, dem Sauerstoffkonzentrationszellenabschnitt und dem Heizelement usw. zugeführt. Am Basisabschnitt der Sonde 112 und in der Nähe des Meßabschnitts 31 ist ein Meßgasdurchgang 116 vorgesehen, und ein Saugelement 117 ist daran gekoppelt. Für dieses Saugelement 117 kann geeigneterweise ein Ejektor oder eine Pumpe verwendet werden. Beim Durchführen der Messung ist die Sonde 112 an der Ofenwand 21 eines Verbrennungsofens oder ähnlichem montiert, indem ein Flansch 33 der Sonde 112 an einem Befestigungselement 118 befestigt ist, das durch Gelenk mit der Ofenwand 21 verbunden ist.
Fig. 22 zeigt eine weitere Ausführungsform der Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführungsform sind die gleichen Teile, die bereits in Fig. 21 gezeigt werden, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die Erklärung wird weggelassen. Ein Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in Fig. 21 gezeigten ist das Vorhandensein eines aus poröser Keramik gebildeten Filters 32 oben an der Sonde 112 und das Vorhandensein eines bandartigen Heizgeräts 119 um den Meßgasdurchgang 116, der mit dem wärmeisolierenden Element 120a abgedeckt ist. Der Filter 32 hat die Funktion, den Feststoffgehalt im Meßgas, beispielsweise den Staub und ähnliches, zu entfernen. Das Heizgerät 119 und das wärmeisolierende Element 120a werden verwendet, um die Temperatur im Meßgasdurchgang 116 über dem Taupunkt des Meßgases zu halten, und dadurch wird die Korrosion oder das Blockieren des Meßgasdurchgangs verhindert. Das Heizgerät 119 und das wärmeisolierende Element 120a sind nicht immer notwendig, und eines davon kann weggelassen werden.
Eine in Fig. 23 gezeigte Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung ist ein sogenanntes System zur direkten Einfügung mit industrieller Verwendung. Diese Vorrichtung umfaßt eine zylindrische Sonde 120 zum Sammeln des Meßgases, die in ein Loch eingeführt wird, das in einer Ofenwand eines Rauchzugs eines Verbrennungsofens gebildet ist, und die durch einen Montageflansch 33 in ihrer Position gehalten wird. Diese Sonde 120 ist an beiden Enden offen. Das Material kann für Verwendung bei niedriger Temperatur unter 600ºC Metall und bei Verwendung bei hoher Temperatur über 600ºC Tonerde sein. An der Seite des oberen Endes der Sonde 120 ist ein Bestimmungsabschnitt 122 mit einem aus Tonerde bestehenden zylindrischen Stützelement 121 montiert. Die Verbindung zwischen dem Stützelement 121 und der Sonde 120 erfolgt beispielsweise bei Verwendung bei niedriger Temperatur durch Schrumpfpassung, mechanische Passung usw. und bei Verwendung bei hoher Temperatur durch Verschmelzen durch Silberlot, Platinlot oder Glas usw. Die Verbindung zwischen dem Bestimmungsabschnitt 122 und dem Stützelement 121 besteht aus dem gleichen Material wie oben erwähnt.
An der Oberfläche am oberen Ende der Sonde 120 ist unter Verwendung eines wärmebebeständigen O-Rings oder eines ähnlichen Dichtelements ein Filtermontageelement 123 befestigt, und am anderen Ende dieses Filtermontageelements 123 ist mit Tonerdezement oder ähnlichem ein poröser Keramikfilter 32 zum Entfernen von Staub befestigt. Ein Eichgasdurchgang 124 ist so angeordnet, daß er sich von der Seitenwand der Sonde 120 an deren Basisabschnitt und durch den Innenraum der Sonde 120 erstreckt und einen dicken Wandabschnitt am oberen Abschnitt derselben und auch den dicken Wandabschnitt des Montageelements 123 durchdringt. Das Eichgas kann durch den Eichgaseinlaß 125 eingebracht werden, der am Ende der Eichgaseinbringrohr 124 vorgesehen ist, sowie durch die Röhre 124 zum oberen Abschnitt des Meßabschnitts 122. Durch diese Anordnung kann die Eichung des Meßabschnitts durchgeführt werden.
Des weiteren ist ein Bezugslufteinbringrohr 126 vorgesehen, das sich im Innenraum der Sonde 120 erstreckt. Dieses Rohr 126 erstreckt sich von einem Einlaß, der an der gegenüberliegenden Seite des Eichgaseinlasses 125 vorgesehen ist, durchdringt die Seitenwand der Sonde und geht durch die Innenseite des Rohrs hindurch und endet mit seinem offenen Ende nahe dem Meßabschnitt 128, sodaß eine kontinuierliche Zufuhr der Bezugsluft dazu ermöglicht wird. Am Basisabschnitt des Meßabschnitts 128 ist ein Anschlußabschnitt 127 zum Anschließen von Leitungsdrähten vorgesehen. Dieser Anschlußabschnitt 127 ist durch Leitungsdrähte 128 mit einer Steuerschaltung verbunden, die außerhalb des Ofens vorgesehen ist. Der Anschlußabschnitt 127 kann je nach der Konstruktion des Meßabschnitts eine unterschiedliche Anzahl an Anschlüssen aufweisen. Bei diesem Beispiel umfaßt er Anschlüsse für den Sauerstoffsensor, Anschlüsse für das Heizelement und jenen für den Sauerstoffpumpabschnitt. Das Material der Leitungsdrähte ist Platin, wenn Wärmebeständigkeit erforderlich ist. Aber in einer Atmosphäre, in der keine solche strenge Wärmebeständigkeit zu berücksichtigen ist, können andere Materialien verwendet werden. Die Verbindung zwischen dem Anschlußabschnitt 127 und den Leitungsdrähten 128 ist durch physikalische elektrische Kontaktmittel wie Anschlußstücke im Niedrigtemperaturbereich ausreichend verformt. Aber im Fall der Verwendung bei hoher Temperatur müssen, da die physikalischen Kontaktmittel wie Anschlußstücke Fehlkontakt verursachen können, Platinleitungsdrähte 128 durch Löten mit Silberlot, Platinlot oder ähnlichem verwendet werden. Jeder der Leitungsdrähte ist in einem Tonerderohr angeordnet, um die Leitungsdrähte voneinander zu isolieren. Die Leitungsdrähte sind elektrisch verbunden, indem sie sich durch die Tonerderohre zum Anschlußstückabschnitt an der Basis der Sonde erstrecken, und dann mit einer (nicht gezeigten) äußeren Steuerschaltung verbunden.
Wenn die Staub- und Rußmenge sich in einer Größenordnung von wenigen mg/Nm³, wie im Fall der Verbrennung von Flüssig-Erdgas, oder von 200 300 mg/Nm³, wie im Fall der Verbrennung von Schweröl Klasse C, bewegt, kann die in Fig. 4 gezeigte bekannte Konstruktion verwendet werden, bei der der Filter vom Typ mit geschlossenem Boden ist und ein Gasabscheider um ihn montiert ist. Wenn jedoch die Menge an Staub und Ruß größer ist, beispielsweise im Bereich von 20 50 g/Nm³, wird besser eine in Fig. 24 gezeigte Konstruktion verwendet. In diesem Fall muß die Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung selbst senkrecht zum Boden angeordnet sein.
Fig. 25 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der Meßabschnitt 122 so durch ein Stützelement 121 am oberen Abschnitt der Sonde 120 angeordnet, daß der obere Abschnitt der Sonde auf luftdichte Art von ihrem Basisabschnitt abgetrennt ist. Das Befestigen des Meßabschnitts 122 auf dem Stützelement 121 erfolgt durch Verschmelzen mit Glas, Fritte usw. oder durch Löten von Silberlot oder ähnlichem. Was dem Meßabschnitt 122 betrifft, wird ein Sauerstoffsensor verwendet, der aus einer plattenförmigen einheitlichen laminierten Sauerstoffkonzentrationszelle, einem Heizelement und/oder Temperaturbestimmungselement besteht. Am oberen Ende der Sonde 120, das mit dem Meßgas in Kontakt steht, ist ein aus poröser Keramik gebildeter Filter 32 vorgesehen, um Feststoffinhalte wie den Staub im Meßgas zu entfernen. Am Basisseitenendabschnitt des Meßabschnitts 122 sind Elektroden vorgesehen, um die Sauerstoffkonzentrationszelle, den Pumpabschnitt und das Heizelement und ähnliche anzuschließen. Platinleitungsdrähte 128 sind durch Verlöten mit den obengenannten Elektroden befestigt. Die Platinleitungsdrähte 128 sind durch Isolatierrohre 129 voneinander isoliert und sind mit einem Klemmbrett 131 verbunden, das an der Basis der Sonde vorgesehen ist. Am Basisabschnitt der Sonde 120 sind ein Bezugsluftzufuhrrohr 126 zum Zuführen der Bezugsluft zu einer Stelle nahe dem Meßabschnitt 122 und ein Eichgaseinbringrohr 124, die eine solche Anordnung aufweist, daß sich ihr oberes Ende nahe der Oberseite der Sonde 120 erstreckt, und die dazu dient, das Eichgas dem oberen Abschnitt des Meßabschnitts 122 zuzuführen, vorgesehen.
Bei dieser Ausführungsform ist, um das Meßgas zwingend dem Meßabschnitt 122 zuzuführen, der am oberen Endabschnitt der Sonde 120 vorgesehen ist, ein Ejektorrohr 132 vorgesehen, das sich von außen in die Sonde 120 und durch ein Ejektorluftzufuhrrohr 133 erstreckt, um dem oberen Abschnitt der Sonde 120 eine Ejektorluft wie atmosphärische Luft zuzuführen. In der Nähe des oberen Endabschnitts des Ejektorluftzufuhrrohrs 133 ist ein Austragsrohr 134 für das Meßgas vorgesehen, das sich zur Außenseite des Filters 32 erstreckt. Das Meßgas im oberen Endabschnitt der Sonde 120 wird durch das Austragsrohr 134 zur Außenseite ausgetragen, indem nahe dem Einlaßabschnitt des Austragsrohrs 134 des Meßgases ein Unterdruck erzeugt wird, indem die Ejektorluft zugeführt wird. Das oben erklärte Bezugsluftzufuhrrohr 126, Prüfgaseinbringrohr 124, Ejektorluftzufuhrrohr 132 erstrecken sich durch eine Schutzabdeckung 135 nach außen, die an der Basis der Sonde 120 vorgesehen ist, sodaß sie sich zu den relevanten äußeren Vorrichtungen erstreckt. Die in der Zeichnung nicht gezeigten Leitungsdrähte, die vom Klemmbrett 131 zum Beispiel durch ein Anschlußstück angeschlossen sind, gehen auch durch die Schutzabdeckung 135 und sind mit der äußeren Steuerungsschaltung gekoppelt.
Die Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung wie oben erklärt wird mit einem Montageflansch 33, der am Basisabschnitt der Sonde 120 vorgesehen ist, durch ein Loch 136 an einer Ofenwand 21 montiert, indem die Vorrichtung innen eingefügt wird, und die Sauerstoffkonzentration im Abgas wird gemessen. Durch diese Anordnung sind der Meßabschnitt 122 und der obere Abschnitt des Ejektorluftzufuhrrohrs 133 und andere der hohen Temperatur ausgesetzt, und daher können diese Abschnitte beim Betrieb eine Temperatur über dem Taupunkt (maximal etwa 200ºC) des Wasser- oder Säuregehalts im Abgas erreichen, sodaß Korrosion oder Blockierung aufgrund von Kondensation des Wasser- oder Säuregehalts im Abgas wirksam verhindert werden kann. Bei der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung mit der obengenannten Konstruktion können etwa 20 l Meßgas eingesaugt werden, indem etwa 2 l der Ejektorluft zugeführt werden.
Fig. 26-A ist eine Zeichnung, die eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind gleiche Teile wie die in Fig. 25 gezeigten mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und eine doppelte Erklärung wird unterlassen. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in Fig. 25 gezeigten besteht nur in der Art des Einbringens des Meßgases durch die Ejektorluft, die vom Ejektorluftzufuhrrohr 133 ausgestoßen wird. Wie aus dem Querschnitt A-A und dem Querschnitt B-B davon, die in den Fig. 26-B bzw. 26-C gezeigt werden, zu sehen ist, ist das Meßgasaustragsrohr 134, das einen axialen Schlitz 136 aufweist, um das Einfügen eines Luftausstoßauslasses 133a des Ejektorluftzufuhrrohrs 133 zuzulassen, parallel zum Filter 32 angeordnet. Bei dieser Konstruktion wird durch das Zuführen der Ejektorluft vom Ejektorluftzufuhrrohr 133 ein Unterdruck im Meßgasaustragsrohr 134 erzeugt, und so kann das Meßgas durch den Filter 32 in den Raum nahe dem Meßabschnitt 122 gesaugt werden, und dann tritt das Meßgas durch den Schlitz 136 in das Austragsrohr ein und wird dann nach außen ausgetragen.
Eine in Fig. 27 gezeigte Ausführungsform zeigt einen Fall, in dem die in Fig. 20 gezeigte Sonde an einem anderen Gasbestimmungselement 137 befestigt ist.
Das Gas- oder Sauerstoffbestimmungselement 137 ist aus einem Sauerstoffsensor 138, einem zylindrischen Rohr 30, das eine kleine Meßkammer A bildet, und einem Keramikfilter 32 gebildet, der am oberen Ende des zylindrischen Rohrs 30 montiert und an einem Einlaßabschnitt zur genannten kleinen Meßkammer A angeordnet ist. Der Sauerstoffsensor 138 ist durch Gewinde an der Basisseite des zylindrischen Rohrs 30 befestigt, sodaß der Sauerstoffmeßabschnitt D des Sauerstoffkonzentrationssensors S, der den Sauerstoffkonzentrationsmeßabschnitt bildet, in der genannten kleinen Meßkammer A angeordnet ist. Das Sauerstoffmeßelement 137 ist durch Gewindekupplung, die in der Öffnung 140 der Basiswand 139 und an der äußeren Peripherie des zylindrischen Rohrs 30 vorgesehen ist, am äußeren Rohr 23 der Sonde 20 montiert.
Die weitere detaillierte Konstruktion des Sauerstoffkonzentrationssensorelements 138 wird unter Bezugnahme auf Fig. 28 erklärt.
Ein Sauerstoffkonzentrationssensor S (der eine Größe von etwa 5 mm Breite · etwa 1,5 mm Dicke · etwa 30-60 mm Länge aufweist), der aus einem länglich geformten Trockenelektrolytelement mit schmaler Breite gebildet ist, dessen Hauptbestandteil Zirkonerde ist, ist mit einem Sauerstoffkonzentrationsmeßabschnitt D an seiner Oberseite ausgebildet. Der mittlere Abschnitt dieses Sauerstoffkonzentrationssensors S wird von einem Pulverdichtelement 142 abgestützt, das in einem metallischen zylindrischen Schutzrohr 143 enthalten ist und zwischen zwei Abstandshalterelementen 141 und 141' zusammengepreßt wird und das den Sauerstoffkonzentrationsmeßabschnitt D nach außen ragen läßt. In einem Raum 144, der rechts vom Schutzrohr 143 gebildet ist, ist ein Auslaß eines Luftdurchgangs angeordnet, der im Sauerstoffkonzentrationssensor S gebildet ist und in der Folge erklärt werden wird. In diesem Raum 144 ist auch ein Anschlußstück 146 vorgesehen. Durch dieses Anschlußstück 146 wird eine elektrische Verbindung mit dem Sauerstoffkonzentrationssensor S erhalten, indem sein Basisabschnitt, der mit gedruckten elektrischen Verbindungsklemmen M versehen ist, eingefügt wird, was ebenfalls in der Folge erklärt wird. Die Leitungsdrähte 147, die sich vom Anschlußstück 146 erstrecken, gehen durch einen Gummipropfen 148 hindurch, der durch Einfügung in den in der Zeichnung rechten Endabschnitt befestigt ist, gegen die genannte Schutzrohr 143, und erstrecken sich nach außen. Ein Luftloch 149 ist am Schutzrohr 143 vorgesehen, um die Bezugsluft dem Auslaß des genannten Luftdurchgangs 145 zuzuführen.
An der Seite des linken Endes der äußeren Oberfläche des Schutzrohrs 143 ist durch mechanische Passung ein Gehäuse 150 montiert, um den Sauerstoffkonzentrationssensor 138 durch Gewinde am zylindrischen Rohr 30 (Fig. 27) zu befestigen. Gemäß dieser Konstruktion kann das Schutzrohr 143 auf luftdichte Art an das zylindrische Rohr 30 gekoppelt werden, während der Sauerstoffmeßabschnitt D des Sauerstoffsensors S in die kleine Meßkammer A eingefügt und die Position darin befestigt wird. Ein Metallring 151 und eine ringförmige Metalldichtung 152 sind vorgesehen, um luftdichte Abdichtung zwischen dem Gehäuse 150 und dem zylindrischen Rohr 30 bzw. zwischen dem Schutzrohr 143 und dem Gehäuse 150 beizubehalten.
Durch die in den Fig. 27 und 28 gezeigte Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung kann die Größe der kleinen Meßkammer A auf etwa 0,3 cm³ gebracht werden, da der Sauerstoffkonzentrationssensor S, der den Meßabschnitt darstellt, wie oben erwähnt eine sehr geringe Größe hat. Bei der obigen Ausführungsform ist der Sauerstoffkonzentrationsmeßabschnitt D des Sauerstoffkonzentrationssensors S nicht mit einer Schutzkappe abgedeckt. Sie kann aber wenn gewünscht vorgesehen sein. Das Einbringen des Meßgases in die kleine Meßkammer A wird durch Diffusion bewirkt. Jedoch kann auch seine zwingende Zufuhr durch einen Ejektor verwendet werden. Des weiteren kann die Gasmeßvorrichtung indirekt an einem Einbringrohr 153 montiert sein, und das Meßgas kann durch eine Pumpe P von der Sonde 20 eingebracht werden.
Fig. 30 zeigt eine Ausführungsform der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, bei welcher der Meßabschnitt 154 in der Sonde 20 gehalten wird, indem ein Montageflansch 33 gegen einen verlängerten Abschnitt 155 einer zylindrischen Sonde 20 befestigt wird. Das Material der Sonde 20 ist beispielsweise Metall oder Tonerde. Oben an der Sonde 20 ist ein Hilfsmontageelement 156 zum Montieren des Filters lösbar durch Schrauben mit einem Dichtelement, beispielsweise einem metallischen O-Ring montiert. Am anderen Ende dieses Hilfsmontageelements 156 ist ein poröser Keramikfilter 32 zum Entfernen von Staub durch Tonerdezement oder ähnliches befestigt. An der äußeren Peripherie des dicken Wandabschnitts dieses Hilfsmontageelements 156 ist eine Gasablenkungsplatte 158, die einen halbgeschlossenen Boden und halbzylindrische Form aufweist, so angeordnet, daß ihr offener Mund gegen das Nach-unten-Strömen des Flusses des Abgases gerichtet ist. Durch das Vorsehen dieser Gasablenkungsplatte 158 wird ein direktes Blasen des Abgases auf den Keramikfilter 32 verhindert, und so wird das Blockieren des Filters 32 durch Staub oder Ruß vermieden.
Bei der Sonde 20 sind die mit Bezug auf Fig. 7-B erwähnten elektrischen Kontaktklemmen M direkt in ein trichterförmiges Kontaktelement 160 eingeführt, das an Vorsprüngen 159 in der Sonde 20 befestigt ist, und die elektrische Verbindung zwischen den wärmebeständigen Federverbindungselementen 161, die im trichterförmigen Kontaktelement 160 vorgesehen sind, wird hergestellt. Die Verbindungselemente 161 sind mit Leitungsdrähten 162 verbunden, die eine außen vorgesehene (nicht gezeigte) Steuerschaltung anschließen. Als das Material für die Leitungsdrähte wird Platin in Anbetracht seiner wärmebeständigen Eigenschaft bevorzugt. Die Leitungsdrähte 162, die das Kontaktelement 160 durch die Sonde 20 nach außen verbinden, müssen voneinander isoliert sein. Daher gehen die Leitungsdrähte in der Nähe des trichterförmigen Kontaktelements 160 durch wulstartige Isolationsrohre 163 aus Tonerde durch und werden nach außen geleitet. Die Isolationsrohre 163 aus Tonerde sind durch ein Montagemetallanschlußstück 166 an einer Metallplatte 165 montiert, deren Breite beinahe dem Innendurchmesser der Sonde 20 entspricht und sich darin erstreckt.
Ein Eichgaseinlaßrohr 167 ist an der Seitenwand des Hilfsmontageelements 156 im nach unten gerichteten Strom des Flusses des Abgases montiert, sodaß es die Wand durchdringt. So kann das durch das Rohr 167 zugeführte Eichgas dem Sauerstoffkonzentrationsmeßabschnitt D des Meßabschnitts 154 zugeführt werden. Durch diese Anordnung kann die Schwankung des Ausgangssignals des Meßabschnitts 154 durch das Hochtemperaturabgas ermittelt werden, und die Schwankung kann durch die äußere Steuerungsschaltung elektrisch ausgeglichen werden.
In der Folge wird die detailliertere Konstruktion des Meßabschnitts 154 und des trichterförmigen Kontaktelements 160 unter Bezugnahme auf Fig. 31 erklärt werden. Die äußere Peripherie des Meßabschnitts 154 ist mit einem metallischen zylindrischen Schutzrohr 168 abgedeckt. Der Sauerstoffsensor S ist in diesem Schutzrohr 168 untergebracht. Der Sauerstoffsensor S wird in seinem mittleren Abschnitt von 2 scheibenförmigen Keramikabstandhaltern 169 und 170 abgestützt, die in einem bestimmten Abstand angeordnet sind. Dichtmasse 171, beispielsweise Zement, Talk oder ähnliches ist in den Raum zwischen den Abstandshaltern 169 und 170 gefüllt. Des weiteren ist Dichtmittel 170a, beispielsweise Glas oder ähnliches aufgefüllt, um den Sauerstoffsensor S in einem Raum zwischen dem keramischen Abstandshalter 170 und der Seite des Basisendes des Schutzrohrs 168 zu umgeben, sodaß dieser Abschnitt des Sensors im oberen Endabschnitt des Schutzrohrs 168 gegen den Raum 172 luftdicht gemacht werden kann. Der Sauerstoffmeßabschnitt D des Sauerstoffsensor S ist so angeordnet, daß er sich im obengenannten isolierten Raum 172 befindet. An der Seite des Basisendes des Sauerstoffsensors S hingegen ist ein Basisabschnitt 173 davon, der einen Auslaß des Luftdurchgangs und eine elektrische Kontaktklemme M aufweist, so angeordnet, daß er vom Schutzrohr 168 nach außen ragt.
Dieser Basisabschnitt 173 des Sauerstoffsensors S, der aus dem Schutzrohr 168 hervorragt und sich nach außen erstreckt, wird von einer inneren Oberfläche eines konusförmigen Abschnitts 174 des trichterförmigen Kontaktelements 160 geleitet, das ein bei niedriger Temperatur gesintertes Keramikgehäuse aufweist, und ist durch Einfügung daran gekoppelt. Das Einfügen dieses Basisabschnitts 173 ist durch Anliegen des Gehäuses des Schutzrohrs 168 gegen den konusförmigen Abschnitt 174 beschränkt. So wird ein zu tiefes Einsetzen des Meßabschnitts 154 in das Kontaktelement 160 wirksam verhindert. Der eingefügte Basisabschnitt 173 des Sauerstoffsensors S ist mit der elektrischen Kontaktklemme M versehen, die durch Drucken an beiden Oberflächen vorgesehen ist (siehe Fig. 7-B). Diese elektrische Kontaktklemme M kommt mit den Anschlußstückelementen 161 in Kontakt, die aus wärmebeständigem Federmaterial gebildet sind, und stellt elektrische Verbindung dazwischen her. Das Material der Anschlußstückelemente 161 kann SUS-Material, Ni-Cr-Stahl oder ähnliches sein, bei denen das Federverhalten bei hoher Temperatur, beispielsweise 600ºC, nicht vermindert ist, und Platin- oder Goldplattierung wird darauf aufgetragen, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Durch die Verwendung derartiger Materialien für die Anschlußstückelemente, kann der elektrische Kontakt zwischen der elektrischen Kontaktklemme M und den Anschlußstückelementen 161 wirksam beibehalten werden, auch wenn das Kontaktelement 160 einer Atmosphäre mit hoher Temperatur ausgesetzt ist. So wird eine sehr stabile elektrische Verbindung erhalten. In einem zylindrischen Abschnitt 175 des Kontaktelements 160 ist ein Isolator 176 untergebracht, um die Isolierung der Anschlußstückelemente 161 und der daran angeschlossenen Platinleitungsdrähte voneinander beizubehalten.
Bezugszeichen 177 ist ein Montageflansch, der durch Schrauben gegen die Vorsprünge 159 in der Sonde zu befestigen ist (siehe Fig. 30).
Wie oben erklärt worden ist, kann die elektrische Verbindung für die mehrfache Anzahl der Leitungsdrähte, die mit der gedruckten elektrischen Kontaktklemme M verbunden sind, auf einmal durch den Einfügungsvorgang des Basisabschnitts 173 des Sauerstoffsensors S hergestellt werden. Die Vorrichtung hat eine bemerkenswerte Wirkung für die Vereinfachung und Beschleunigung der elektrischen Anschlußarbeit bei der Handhabung der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung und daher auch bei dessen Zusammenbauarbeit.
Fig. 32 zeigt eine allgemeine Ansicht der erfindungsgemäßen Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung. In der Zeichnung zeigt Bezugszahl 178 ein Schutzrohr zum Abdecken des Meßabschnitts und die Zahlen 179 und 180 zeigen Anschlußstückteile, die mit dem Schutzrohr 178 gekoppelt sind.
Die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auch unter Bezugnahme auf Fig. 33 beschrieben, die eine teilweise Schnittansicht zeigt. Ein Meßabschnitt 154 ist im wesentlichen ein Sauerstoffsensor S, der aus einem länglich geformten Trockenelektrolyt mit schmaler Breite gebildet ist, dessen Hauptbestandteil Zirkonerde ist und der eine Größe von etwa 5 mm (Breite) · 1,5 mm (Dicke) · 30-60 mm (Länge) aufweist, und am oberen Ende davon ist ein Sauerstoffmeßabschnitt D ausgebildet. Der Sauerstoffsensor S wird an zwei Mittelabschnitten von den Isolatoren 181 und 182 gestützt, und an seinem Basisendabschnitt von einem Isolator 183, und ist in einem allgemein zylindrischen Schutzrohr 178 untergebracht. Der Innenraum des Rohrs 178 zwischen den Isolatoren 181 und 182 ist mit einer Dichtungsmasse wie Zement, Talk, Glas usw. gefüllt, und der Innenraum der Schutzrohr 178 ist auf luftdichte Art abgetrennt. In einem Raum an der Oberseite der so isolierten Räume, ist der Sauerstoffmeßabschnitt D des Sauerstoffsensors angeordnet. Hingegen ist in einem Raum 184 an der Seite des Basisendes des Schutzrohrs 178 (rechte Seite in Fig. 33) der Auslaß des Luftdurchgangs 51 im Sauerstoffsensor S ausgebildet, wie in Fig. 8 gezeigt, und ist die elektrische Kontaktklemme M angeordnet. In diesem Raum 184 sind Anschlußstückelemente 161, die mit dem Basisendabschnitt des Sauerstoffsensors S zu koppeln sind, der mit der elektrischen Kontaktklemme M bedruckt ist, im metallischen Anschlußstück 179 vorgesehen. Von den Anschlußstückelementen 161 weggeleitete Leitungsdrähte 162 sind mit männlichen Steckern 185 des metallischen Anschlußstücks 179 verbunden, indem sie durch einen Gummistöpsel 149 hindurchgehen, der in den rechten Endabschnitt des Schutzrohrs 178 gepreßt ist und durch Abdichten in der Position fixiert ist. Die Bezugszahl 186 zeigt ein Loch zum Einbringen des Bezugsgases zum Auslaß des genannten Luftdurchgangs. Das von diesem Bezugsgaseinbringloch 186 eingebrachte Bezugsgas strömt durch Diffusion in den Luftdurchgang und kommt mit der Bezugselektrode 45 in Kontakt, die im Luftdurchgang freiliegt, wie in Fig. 8 gezeigt.
Eine Vielzahl von Löchern 187 ist am oberen Endabschnitt des Schutzrohrs 178 ausgebildet. Das Meßgas wird durch diese Löcher 187 eingebracht, und die in Fig. 8 gezeigte Meßelektrode 44 im Sauerstoffmeßabschnitt D, die dem Meßgas ausgesetzt ist, kann mit dem Meßgas in Kontakt kommen.
Bezugzahl 169 ist ein Gehäuse zum Befestigen des Schutzrohrs 178 an der Ofenwand des Verbrennungsofens, nach dem Einfügen des Schutzrohrs durch ein Loch. Bezugszeichen 152 ist ein Metalldichtungsring zum Aufrechterhalten luftdichter Abdichtung zwischen dem Gehäuse 169 und dem Schutzrohr 178.
An der Peripherie des Basisendabschnitts des Schutzrohrs mit der obengenannten Konstruktion ist der metallische Anschlußstückabschnitt 179 montiert, der die an die Leitungsdrähte 162 anzuschließenden männlichen Stecker aufweist. Das Montieren wird durch das Anziehen von Schraube und Mutter oder ähnlichem bewirkt, die durch Löcher 189 (Fig. 32) hindurchgeführt sind, die an den Federelementen 188 und 188' vorgesehen sind, die an einem Ende mit dem metallischen Anschlußstückabschnitt 179 gekoppelt sind und davon am anderen Ende getrennt sind, und durch das Verursachen elastischer Verformung der Federelemente 188 und 188' und des Teils des Schutzrohrs, der mit den Federelementen in Berührung steht. Auf diese Weise wird der metallische Anschlußstückabschnitt 179 an das Schutzrohr 178 gehalten. Es ist auch möglich, Asbest zwischen den Federelementen 188, 188' und dem Schutzrohr 178 anzuordnen, um weiter das Herunterfallen des metallischen Anschlußstückabschnitts von vom Schutzrohr 178 zu verhindern.
Die männlichen Stecker 185 des metallischen Anschlußstückabschnitts 179 sind in den weiblichen Stecker 189 des metallischen Anschlußstückabschnitts 180 einzufügen, um elektrischen Kontakt zwischen den Metallkontaktelementen des männlichen Steckers 185 und den weiblichen Kontaktelementen des weiblichen Steckers 189 herzustellen. Die weiblichen Kontaktelemente der weiblichen Stecker 189 sind mit Leitungsdrähten 190 verbunden, um mit äußeren Steuerschaltungen verbunden zu werden. Auf die oben erklärte Weise wird das vom Sauerstoffsensorabschnitt D erhaltene elektrische Signal der Steuerschaltung im Äußeren über die gedruckte elektrische Kontaktklemme M, das Anschlußstückelement 161, die Leitungsdrähte 162, den männlichen Stecker 185, den weiblichen Stecker 189 und die Leitungsdrähte 190 zugeführt.
Um die Kopplung zwischen dem männlichen Stecker 185 und dem weiblichen Stecker 189 definitiver zu machen, ist ein männlicher Gewindeabschnitt 191 an der äußeren Oberfläche des männlichen Steckers des metallischen Anschlußstücks 179 vorgesehen, und ein weiblicher Gewindeabschnitt ist an der inneren Oberfläche eines Metallrings 192 vorgesehen, der sich über die äußere Oberfläche des metallischen Anschlußstückabschnitts 180 bewegt, und durch Koppeln der beiden Gewindeabschnitte werden die metallischen Anschlußstückabschnitte 179 und 180 gemeinsam miteinander verbunden und die elektrische Verbindung dazwischen wird definitiver. Ein Vorsprung 192' ist an der äußeren Oberfläche des metallischen Anschlußstückabschnitts 180 am Ende der Seite des männlichen Steckers vorgesehen, und durch diesen Vorsprung wird das Fallen des Metallrings 192 verhindert, sodaß die Kopplung zwischen den metallischen Anschlußstückabschnitten 179 und 180 beibehalten wird.
Das Verbinden des Leitungsdrahts 190 mit dem metallischen Anschlußstückabschnitt 180 wird durch das elastische Aneinanderbefestigen von zwei Federelementen 193 und 193' gegen den Leitungsdraht 190 bewirkt, genauso wie beim Anfügen des Schutzrohrs 178 gegen den metallischen Anschlußstückabschnitt 179 erklärt.
Wie oben erklärt worden ist, weist die Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung folgende Vorteile auf.
Da der Meßabschnitt mit geringer Größe konstruiert ist und die Wärmekapazität desselben daher sehr klein wird, kann die zum Aufwärmen des Sensors auf eine vorherbestimmte Temperatur durch eine Wärmequelle wie die Heizelemente oder das Meßgas erforderliche Zeit sehr kurz gehalten werden. Auch die Ansprechbzw. Reaktionszeit der Vorrichtung wird verkürzt, da der Raum des Meßabschnitts klein ist. Demgemäß wird die Aufwärmzeit, vom Beginn des Erwärmens durch die Wärmequelle bis zu der Zeit berechnet, zu der mit der Messung begonnen werden kann, stark verkürzt, und so kann der Stromverbrauch für das Erwärmen gesenkt werden. Die Ansprech- bzw. Reaktionszeit kann auf etwa die Hälfte bis ein Drittel derjenigen von herkömmlichen Systemen verringert werden.
Ebenfalls aufgrund der Miniaturisierung des Meßabschnitts kann der Durchmesser der Sonde klein gehalten werden, beispielsweise in einer Größenordnung von etwa 20 mm, und das ermöglicht die Verringerns des Gesamtgewichts der Vorrichtung, und die einfache Montage am Ofen oder ähnlichem wird möglich.
Wenn der Sensor aus einer Sauerstoffkonzentrationszelle und einem Sauerstoffpumpabschnitt gebildet ist, kann die Konzentration des Sauerstoffs nahe der Meßelektrode durch den Sauerstoffpumpabschnitt gesteuert werden, sodaß eine Messung über einen größeren Bereich der Sauerstoffkonzentration, genauer gesagt über einen größeren Bereich von der Oxidationsatmosphäre zur Reduktionsatmosphäre, möglich wird.
Da der Durchmesser der Sonde klein gehalten werden kann, wird die Austauschrate des Gases bei schneller Reaktionszeit verbessert, und die Menge an angesaugtem Gas durch das Saugmittel kann klein gehalten werden. Durch Saugen des Meßgases durch das Saugmittel kann die Schwankung der Reaktionszeit aufgrund der Schwankung der Fließrate des Meßgases vermieden werden.
Wenn das Saugmittel außerhalb der Ofenwand angeordnet ist, kann die Korrosion oder das Blockieren des Gasdurchgangs aufgrund von Kondensation von Feuchtigkeit oder Säuredampf wirksam verhindert werden, indem die Temperatur des Gasdurchgangs über die Taupunkttemperatur des Meßgases erwärmt wird, indem Wärmeisolierungsmittel oder Erwärmungs- und Wärmeisolierungsmittel im Meßgasdurchgang außerhalb des Ofens angeordnet werden.
Da das Meßgas dem Bestimmungsabschnitt durch einen Ejektor zugeführt wird und dieses Meßgas auch nach außen ausgetragen wird, bevor seine Temperatur wesentlich unter die Taupunkttemperatur sinkt, kann die Messung ohne Schwankung der Reaktionszeit durchgeführt werden, auch wenn die Fließrate des Meßgases variiert.
Durch das Vorsehen von Temperaturkompensationsfunktionsmittel und weiters von Temperatursteuermittel kann die Sauerstoffkonzentration über einen weiten Temperaturbereich des Meßgases gemessen werden, beispielsweise von der normalen Temperatur bis 1400ºC.
Die Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung mit neuen Anschlußstückelementen hat die folgenden Vorteile.
Das Montieren und Abnehmen des Detektorabschnitts an/von der Sonde ist sehr einfach. Da im Vergleich zu den herkömmlichen Vorrichtungen eine definitivere elektrische Verbindung in einer höheren Temperaturatmosphäre aufrechterhalten wird, wird die Anschlußarbeit für den Meßabschnitts sehr einfach, und auch die Zusammenbauarbeit wird vereinfacht.
Bei der Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist die Verbindung zwischen den äußeren Leitungsdrähten und dem Meßabschnitt einfach, und die Verbindung ist ziemlich definitiv, sodaß die Leitungsdrähte vor Zerstörung durch die hohe Temperatur geschützt werden und Fehlanschluß verhindert werden kann.
Da der Meßabschnitt im allgemeinen so hergestellt ist, daß er ein geringes Gewicht aufweist und seine Größe miniaturisiert ist, wird die kleine Meßkammer sehr klein, und somit kann die Menge an zuzuführendem Eichgas sehr klein gehalten werden.
Des weiteren kann durch die Verringerung des Volumens der kleinen Meßkammer das Eichgas fast augenblicklich in die kleine Meßkammer gefüllt werden, sodaß die Eichung während der Messung durchgeführt werden kann. Des weiteren kann, da der Innendruck in der kleinen Meßkammer sofort durch die Zufuhr des Eichgases erhöht werden kann, die Rückspülsäuberung des Filters einfach bewirkt werden.

Claims

1. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung, die einen Meßabschnitt (31) umfaßt, der aus planaren dünnlagig geformten bzw. tafelförmigen laminierten Elementen gebildet ist und einen Sauerstoffsensor (B, P, S) und zumindest ein Heizgerät (H1, H2) einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Meßabschnitt ein Temperaturbestimmungselement (T) einschließt und daß die genannte Vorrichtung einen temperaturabhängigen Steuerabschnitt aufweist, der Temperaturkompensationsmittel zum Ausgleichen des Outputs des Sauerstoffsensors (B, P, S) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal vom Temperaturmeßelement (T) umfaßt.

2. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, worin der genannte temperaturabhängige Steuerabschnitt Temperatursteuermittel zum Steuern des Heizgeräts (H1, H2) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Temperaturmeßelements (T) umfaßt, um den Sauerstoffsensor bei einer vorherbestimmten Temperatur zu halten.

3. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der genannte Meßabschnitt (31) an einem Basisabschnitt einer Sonde (20) vorgesehen ist, die durch Schrauben- oder Flanschkopplung montiert ist, wobei zumindest ein Teil davon in ein Meßgas eingeführt ist.

4. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, worin Saugmittel (116-117) zum Einbringen des Meßgases durch die Sonde (20) zum Meßabschnitt (31) in der Nähe des genannten Meßabschnitts vorgesehen sind.

5. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, worin das genannte Saugmittel außerhalb einer Ofenwand (21) vorgesehen ist, an welcher die genannte Vorrichtung angebracht ist, und ein wärmeisolierendes Element (120a) oder ein Heizgerät (119) mit wärmeisolierendem Element (120a) an einem Durchgang (116) des genannten Saugmittels für das außerhalb der genannten Wand befindliche Meßgas vorgesehen ist.

6. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der genannte Bestimmungsabschnitt (122) an einem vorragenden Endabschnitt einer Sonde (120) vorgesehen ist, wobei zumindest ein Teil der genannten Sonde in ein Meßgas eingeführt ist.

7. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 6, worin ein Ejektor (132, 133) vorgesehen ist, um das Meßgas zum Meßabschnitt (122) zu ziehen, der in der Sonde (120) vorgesehen ist, und um das Meßgas aus der Sonde auszutragen, bevor die Temperatur des Meßgases wesentlich unter seinen Taupunkt sinkt.

8. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, worin der genannte Meßabschnitt (154) durch einen Montageflansch (33), der durch ein Hilfsmontageelement (156) starr befestigt ist, mechanisch an einem vorragenden Abschnitt (155) der genannten Sonde (20, 120) in Position befestigt ist und mit einer gedruckten elektrischen Kontaktklemme versehen ist, und die genannte Sonde (20, 120) ein elektrisches Kontaktklemmelement aufweist, das wärmebeständige elektrische Kontakte (161) aufweist, die mit der genannten elektrischen Kontaktklemme des Meßabschnitts zusammenpassen, und ein trichterförmiges Aufnahmeelement (160) aufweist, um das einfache Einfügen und Entfernen des genannten Meßabschnitts zu ermöglichen, und wobei der genannte vorragende Abschnitt (155) der genannten Sonde ein Schutzrohr ist, um den Meßabschnitt abnehmbar aufzunehmen, sodaß der Meßabschnitt auf abnehmbare Art elektrischen Kontakt mit dem genannten Kontaktelement herstellen kann.

9. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, die ein Schutzrohr (178, 179) zum Schützen von Leitungsdrähten des genannten Meßabschnitts und eine Verbindungsklemme (180) aufweist, die in die äußere Peripherie eines Endabschnitts (179) des genannten Schutzrohrs eingreift, um sich damit zu verbinden und elektrische Verbindung mit den genannten Leitungsdrähten herstellt.

10. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin in einer kleinen Meßkammer (A) mit einem Filter (32) an einem Einlaßabschnitt davon zumindest ein Sauerstoffmeßbereich des Meßabschnitts untergebracht ist und ein Rohr zum Zuführen von Eichgas in die kleine Meßkammer (A) vorgesehen ist, und worin die genannte kleine Meßkammer direkt oder indirekt montiert ist, um Meßgas aufzunehmen.

11. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, worin der genannte Filter (32) der kleinen Meßkammer (A) es ermöglicht, daß das Meßgas durch Diffusion in die kleine Meßkammer (A) eindringt.

12. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, worin der genannte Filter (32) Gasflußwiderstand aufweist, sodaß der Druck in der kleinen Meßkammer (A) zunimmt, wenn das Eichgas der genannten kleinen Meßkammer (A) zugeführt wird.

13. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sauerstoffsensor eine Sauerstoffkonzentrationszelle umfaßt.

14. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sauerstoffsensor eine Sauerstoffpumpe umfaßt.

15. Sauerstoffkonzentrationsmeßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Sauerstoffsensor eine Sauerstoffkonzentrationszelle und eine Sauerstoffpumpe umfaßt.