DE3838074A1 - Messvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Meßvorrichtung kommt vorzugsweise bei der Kontrolle von Abgasen sowie bei der Brennstoff/Luft- Regelung von Verbrennungsanlagen und Verbrennungsma­ schinen zur Anwendung.

In Verbrennungsanlagen wird vorzugsweise für die Bestim­ mung des Sauerstoffgehaltes im Abgas der Anlage ein Meßfühler verwendet, der wenigstens einen Festelektro­ lyten auf der Basis von Zirkoniumoxid aufweist. Dieser ist mit zwei Elektroden ausgerüstet, wovon eine dem zu messenden Gasstrom ausgesetzt wird. Für den Einbau der Meßvorrichtung in einen Rauchgaskanal wird dessen Wand mit einer Öffnung versehen. Durch diese Öffnung wird der Teil der Meßvorrichtung in den Rauchgaskanal gesteckt, der den Festelektrolyten mit den beiden Elektroden aufweist. Mit zunehmender Leistungsverbesserung der Meßvorrichtungen wurde auch deren Größe reduziert. Gewisse Typen von Meßvorrichtungen weisen mittlerweise nur noch die Größe einer Zündkerze auf. Dies bringt wesentliche Nachteile für den Einbau der Meßvorrichtung mit sich, da oftmals die Begrenzungswand des Rauchgas­ kanals dicker ist als die gesamte Meßvorrichtung lang. In diesen Fällen ist es nicht möglich, den die Elektrode aufweisenden Teil der Meßvorrichtung so zu positio­ nieren, daß er von dem Abgas ausreichend umströmt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvor­ richtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie auch dann, wenn sie kleine Abmessungen aufweist, zuverlässige Messungen liefern kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch das Anordnen der Meßvorrichtung in einer Einbauar­ matur ist es möglich, den Festelektrolyten mit den Elektroden soweit innerhalb des Rauchgaskanals anzuord­ nen, daß die Meßelektrode in ausreichendem Maße von dem Abgas beaufschlagt wird. Die Meßvorrichtung kann auch in Rauchgaskanälen mit großen Wandstärken eingesetzt werden, da die Einbauarmatur mit einem Vorsatzrohr versehen ist, dessen Länge auf den Durchmesser des Rauchgaskanals abgestimmt werden kann. Da der Festelek­ trolyt tief genug im Rauchgaskanal angeordnet werden kann, entfallen Zuführungsleitungen für das Abgas zur Sonde, wodurch lange Ansprechzeiten vermieden werden. Die Einbauarmatur ermöglicht eine optimale Zu- und Ableitung der elektrischen Signale sowie eine ausrei­ chende Versorgung der Meßvorrichtung mit Kühlluft bzw. einer Referenzluftzufuhr. Die Zufuhr von Kühlluft kann erforderlich sein, wenn die Temperatur des Abgases größer als 250°C ist, oder die Meßvorrichtung tief im Rauchgaskanal angeordnet ist. Da das Vorsatzrohr der Einbauarmatur abgeschrägt ist, wird hierdurch ein zusätzliches Ablenkelement gebildet, wodurch mehr Rauchgas in das Innere der Armatur geleitet wird. Zusätzlich weist das Vorsatzrohr weitere Öffnungen auf, die dem strömenden Abgas unmittelbar entgegengerichtet sind, und ein Einströmen des Abgases in das Innere der Einbauarmatur ermöglichen. Auf der Seite des Vorsatz­ rohres, das von dem strömenden Gas abgewandt ist, weist selbiges unmittelbar vor dem freien Ende der Meßvorrich­ tung eine einzelne Auslaßöffnung auf, durch die das Abgas austreten kann; welches an der äußeren Elektrode der Meßvorrichtung vorbeiströmt. Die Meßvorrichtung ist innerhalb der Einbauarmatur befestigt. Die Einbauarmatur ist an einer mit der Wand des Rauchgaskanals fest verbundenen Arretierung lösbar gehaltert.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die einzige zur Beschreibung gehörende Figur zeigt die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 1 mit ihrer Einbauarma­ tur 2 im Vertikalschnitt. Die Einbauarmatur 2 ist als zweiteilige zylinderförmige Hülse ausgebildet. Diese Hülse ist aus einem Vorsatzrohr 2 R und einem Einsatzrohr 2 Z zusammengesetzt. In dem Einsatzrohr 2 Z ist die Meßvorrichtung 1 installiert. Das Vorsatzrohr 2 R wird beim Einbau der Meßvorrichtung 1 in einen Rauchgaskanal 3 innerhalb derselben positioniert. Sowohl das Vorsatz­ rohr 2 R als auch das Einsatzrohr 2 Z sind an ihren freien Enden 2 A bzw. 2 C offen. Für die Installation der Meßvor­ richtung in einem Rauchgaskanal 3 wird das offene Ende des Vorsatzrohres 3 durch eine Öffnung 3 E in der Wand 3 W des Rauchgaskanals 3 gesteckt. Die Länge des Vorsatz­ rohres 2 R wird auf den Durchmesser des Rauchgaskanals 3 abgestimmt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel weist das Vorsatzrohr 2 R eine Länge von etwa 30 cm auf. Die Einbauarmatur 2 kann so installiert werden, daß ihre Längsachse senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases 4 verläuft. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, die Einbauarmatur 2 so zu installieren, daß ihre Längsachse bis zu einem Winkel von 45° gegen die Strömungsrichtung des Abgases 4 geneigt ist. Unter welchem Winkel die Einbauarmatur 2 zu installieren ist, richtet sich nach den jeweiligen Bedingungen im Rauch­ gaskanal 3. Das freie offene Ende 2 A des Vorsatzrohres 3 ist so abgeschrägt, daß die Öffnung 2 A einen ellipsen­ förmigen Querschnitt aufweist. Die hierdurch verlängert ausgebildete Mantelfläche 2 M des Vorsatzrohres 2 R ist so gegen die Strömungsrichtung des Abgases 4 gerichtet, daß hierdurch ein Ablenkelement gebildet wird, aufgrund dessen eine große Menge des Abgases 4 in das Innere des Vorsatzrohres 2 R geleitet wird. Die kürzere Mantelfläche 2 K des Vorsatzrohres 2 R, auf welche das strömende Abgas zuerst auftrifft, ist in definiertem Abstand mit Öffnun­ gen 2 E versehen, über welche zusätzlich Abgas in das Innere des Vorsatzrohres 2 R einströmen kann. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Öffnun­ gen 2 E in einem Abstand von 3,8 cm voneinander so angeordnet, daß sie alle auf einer Geraden liegen. Die Öffnungen weisen einen Durchmesser von 1,3 cm auf. Selbstverständlich können die Öffnungen auch in einem größeren oder kleineren Abstand positioniert und mit einem größeren oder kleineren Durchmesser ausgebildet werden. Das Vorsatzrohr 2 R ist lösbar mit dem Einsatz­ rohr 2 Z verbunden. Der Durchmesser des Vorsatzrohres 2 R ist geringfügig kleiner als der Durchmesser des Einsatz­ rohres 2 Z. Um das Vorsatzrohr 2 R auf das erste Ende des Einsatzrohres 2 Z stecken zu können, ist dieses Ende 2 B soweit verjüngt, daß es dem Innendurchmesser des Vor­ satzrohres 2 R entspricht.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Vorsatzrohr einen Außendurchmesser von 2,3 und einen Innendurchmesser von 2 cm auf. Hierauf ist das erste Ende 2 B des Einsatzrohres abgestimmt. Im übrigen beträgt der Außendurchmesser des hier gezeigten Einsatzrohres 2 Z 3,5 cm und der Innendurchmesser 3 cm. Das zweite Ende des Vorsatzrohres 2 R ist auf das verjüngte Ende des Einsatzrohres 2 Z geschoben und dort lösbar mit einer Schraubverbindung 2 S am Einsatzrohr 2 Z gehaltert. Die Meßvorrichtung 1 ist im Inneren des Einsatzrohres 2 Z dauerhaft oder lösbar installiert. Der mit dem Abgas in Kontakt zu bringende Teil der Meßvorrichtung 1 ist so tief in das Einsatzrohr 2 Z eingesetzt, daß der Festelek­ trolyt 1 F der Meßvorrichtung 1 in dem verjüngten ersten Ende 2 B des Einsatzrohres 2 Z positioniert ist. Vor der Öffnung des verjüngten Endstückes 2 B ist ein Drahtgewebe 5 installiert. Es weist eine Maschenweite von 2 mm auf und hat die Aufgabe, als Flammsperre zu fungieren und zusätzlich die im Abgas mitgeführten größeren Rußteil­ chen von der Elektrode 6 fernzuhalten, die auf der Außenfläche des Festelektrolyten angeordnet ist. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist das freie Ende des Festelektrolyten 1 F unmittelbar hinter dem Draht­ gewebe 5 positioniert. Das Einsatzrohr 2 Z der Einbau­ armatur 2 muß soweit in die Öffnung 3 E des Rauchgas­ kanals 3 gesteckt werden, daß die auf der Außenfläche des Festelektrolyten 1 F angeordnete Elektrode 6 min­ destens einen Abstand von 5 cm von der Innenseite der Wand 3 W des Rauchgaskanals 3 aufweist. Die Länge des Einsatzrohres ist deshalb auf die Wandstärke des Rauch­ gaskanals 3 abzustimmen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Gesamtlänge des Einsatz­ rohres 17,5 cm.

Das durch die Öffnungen 2 A und 2 E des Vorsatzrohres 3 R einströmende Abgas 4 wird durch das Vorsatzrohr 2 Z und das Drahtgewebe 5 hindurch auf die Oberfläche der Elektrode 6 geleitet. Das an der Elektrode 6 vorbei­ strömende Abgas 4 wird über eine Auslaßöffnung 2 V wieder dem Innenbereich des Rauchgaskanals 3 zugeführt. Diese Auslaßöffnung 2 V ist im Bereich des Vorsatzrohres 2 R unmittelbar hinter dem Drahtgewebe 5 in Strömungsrich­ tung gesehen auf der Rückseite des Vorsatzrohres 2 R angeordnet.

Zur Halterung der Meßvorrichtung 1 kann innerhalb des Einsatzrohres 2 Z eine Ringscheibe 7 installiert werden, die senkrecht zur Längsachse der Einbauarmatur 2 posi­ tioniert ist. Der mittlere Teil der Meßvorrichtung 1 ist von einem Haltering 8 umgeben. Der Außendurchmesser des Halterings 8 ist an den Innendurchmesser der Ringscheibe 7 angepaßt. Zur Befestigung der Meßvorrichtung wird der Haltering 8 in die Ringscheibe gesteckt. Für die Befe­ stigung der Einbauarmatur 2 an der Wand 3 W des Rauchgas­ kanals wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel eine Standardrohrverschraubung benutzt. Sie besteht aus einem Grundkörper 9, der mit der Wand 3 W des Rauchgaskanals 3 verschraubt oder verschweißt ist. Der Grundkörper 9 ist im wesentlichen zylinderförmig ausge­ bildet und weist einen Innendurchmesser auf, der nur geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Einbauarmatur 2. Zwischen dem Einsatzrohr 2 Z und der Innenfläche des Grundkörpers 9 wird zusätzlich ein Klemmring 10 angeordnet. Der Grundkörper 9 ist mit einem Außengewinde (hier nicht dargestellt) versehen, auf den eine Mutter 11 mit entsprechendem Innengewinde (hier nicht dargestellt) aufgeschraubt werden kann. Mit ihrer Hilfe wird der Klemmring 10 zwischen das Einsatzrohr 2 Z und die Innenfläche des Grundkörpers 9 gepreßt. Hier­ durch wird eine ausgezeichnete Abdichtung der Öffnung 3 E gebildet, so daß kein Rauchgas nach außen dringen kann und andererseits auch keine Luft von außen eine Verfäl­ schung der Messung bewirkt. Diese Halterung der Einbau­ armatur 2 über den Grundkörper 9 ermöglicht es ferner, ihre Einbautiefe und ihre Ausrichtung in bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases 4 beliebig einzustellen. Da die Einbauarmatur 2 zweiteilig ausgebildet ist, kann auch die Länge des Einsatzrohres 2 Z und/oder die Länge des Vorsatzrohres 2 R den jeweiligen Gegebenheiten problemlos angepaßt werden.

Das zweite Ende 2 C des Einsatzrohres 2 Z ist offen, so daß Leitungen 13 und 14 zur Meßvorrichtung 1 geführt werden können. Die Ringscheibe 7, mit der die Meßvor­ richtung 1 gehalten wird, ist so ausgebildet, daß auch hier ein dichter Verschluß zwischen dem Innenbereich und dem Außenbereich des Rauchgaskanals 3 gegeben ist.

Claims (8)

1. Meßvorrichtung (1) mit einem sauerstoffionen­ leitenden Festelektrolyten (1 F), der wenigstens zwei Elektroden (6) aufweist, von denen mindestens eine Elektrode (6) von dem zu messenden Abgas (4) beauf­ schlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvor­ richtung (1) wenigstens bereichsweise in eine Einbau­ armatur (2) eingefügt ist, die mindestens teilweise in einen Rauchgaskanal (3) einsetzbar ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einbauarmatur (2) als zweiteilige zylindrische Hülse ausgebildet ist, die aus einem Einsatzrohr (2 Z) und einem Vorsatzrohr (2 R) zusammenge­ setzt ist, daß die Meßvorrichtung (1) in dem Einsatzrohr lösbar oder fest installiert ist, daß das Vorsatzrohr (2 R) mit Einlaßöffnungen (2 A, 2 E) und mindestens einer Auslaßöffnung (2 V) für das Abgas (4) versehen und die Abmessungen des Einsatzrohres (2 Z) und des Vorsatzrohres (2 R) an die Abmessungen des jeweiligen Rauchgaskanals (3) anpaßbar sind.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzrohr (2 R) vollständig und das Einsatzrohr (2 Z) mindestens soweit in den Rauchgaskanal (3) einsetzbar sind, daß die Elektrode (6) der Meßvorrichtung (1) innerhalb des Rauchgaskanals (3) einen Mindestabstand von 5 cm von der Innenfläche der Wand (3 W) des Rauchgaskanals (3) auf­ weisen, und daß die Einbauarmatur (2) senkrecht oder bis zu einem Neigungswinkel von 45° gegen die Strömungsrich­ tung des Abgases (4) positionierbar ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende (2 B) des Einsatzrohres (2 Z) an den Innendurchmesser des Vorsatz­ rohres (2 R) angepaßt, und daß das Vorsatzrohr (2 R) auf das verjüngte Ende (2 B) des Einsatzrohres (2 Z) aufge­ steckt und über eine Schraubverbindung (2 S) mit dem Einsatzrohr (2 Z) lösbar verbunden ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (1 F) innerhalb des verjüngten Endes (2 B) des Einsatzrohres (2 Z) angeordnet ist, daß der Mittelteil der Meßvorrich­ tung (1) von einem Haltering (8) umgeben ist, der in eine Ringscheibe (7) gesteckt ist, daß der Innendurch­ messer der Ringscheibe (7) an den Außendurchmesser des Halterings (8) und der Außendurchmesser (7) der Ring­ scheibe (7) an den Innendurchmesser des Einsatzrohres (2 Z) angepaßt ist, und daß die Ringscheibe (7) senkrecht zur Längsachse des Einsatzrohres (2 Z) positioniert ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Öffnung des ersten Endes (2 B) des Einsatzrohres (2 Z) ein Drahtgewebe (5) mit einer Maschenweite 2 mm angeordnet, und daß die Öffnung am freien Ende (2 A) des Vorsatzrohres (2 R) zur Ausbildung eines Ablenkelements (2 M) abgeschrägt ist, und daß zusätzliche Einlaßöffnungen (2 E) für das Abgas (4) an der kürzeren Mantelfläche (2 K) angeordnet sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Halterung der Einbauarmatur (2) ein zylinderförmiger mit der Wand (3 W) des Rauchgaskanals (3) dauerhaft verbindbarer Grund­ körper (9) vorgesehen ist, dessen Innendurchmesser an den Außendurchmesser der Einbauarmatur (2) angepaßt ist, und daß eine auf den Grundkörper (9) schraubbare Mutter (11) vorgesehen ist, mit der ein Klemmring (10) zwischen den Grundkörper (9) und das Einsatzrohr (2 Z) preßbar ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (2 C) des Einsatzrohres (2 Z) für die Durchführung von Leitungen (13 und 14) zur Meßvorrichtung (1) offen und am Ende (2 C) eine Halterung (12) für die Leitungen (13 und 14) vorgesehen ist.