DE4239292A1 - Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu sehr hohen Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere in Gasen von Industrieöfen und Abgasen von Ver­ brennungsanlagen, bestehend aus gasdichtem Trägerrohr mit am vorderen Ende montiertem Sensor, der je nach gewünschter Breite des Arbeitstemperaturbereichs eine oder keine Um­ bauung mit einer elektrischen Heizvorrichtung aufweist.

Zur Messung von Sauerstoffpartialdrücken in Industriegasen sind Sonden bekannt, die mit einseitig geschlossenem oder beidseitig offenem Festelektrolytrohr und darauf auf gegen­ überliegenden Teilen der Oberfläche angeordneten Elektroden in keramischer loser oder fester Einbettmasse gestaltet sind (DD-PS 2 61 071 und 2 60 420). Andere Sonden für den gleichen Zweck mit Verschraubungen oder Einschmelzungen von Festelek­ trolytteilen sind mit einer durch den Verschluß des Träger­ rohrs in dessen Inneres führenden Leitung für Prüfgas ausge­ rüstet (DD-PS 1 11 248), wodurch sie in situ, das heißt im ein­ gebauten Zustand, mit einem Gas bekannter Zusammensetzung auf die Richtigkeit der gelieferten Sensorsignale prüfbar und nötigenfalls kalibrierbar sind.

Die Prüfbarkeit von Sauerstoffmeßsonden ist besonders er­ wünscht und nötig für Sonden mit Umgebungstemperaturen im Be­ reich bis 800°C. In diesem Bereich, der für Anwendungen in Kraft- und Heizwerken wichtig ist, können Störungen wie Fil­ terverstopfungen, Elektrodenvergiftungen oder Mischpotential­ bildungen auftreten. Da die Sonden für diesen Anwendungsbe­ reich mit überwiegend metallischen Werkstoffen herstellbar sind, bietet der Einbau von Prüfeinrichtungen hier keine be­ sonderen Probleme.

Im Hochtemperaturbereich, für den man die Sonden weitgehend aus keramischen Werkstoffen herstellt, hat man in der Praxis bisher auf die Realisierung der Prüfbarkeit in situ in der Regel verzichtet, und zwar offenbar aus zwei Gründen.

Zum einen bestehen für niedrige Temperaturen charakteristi­ sche Störungsmöglichkeiten im Hochtemperaturbereich nicht, so daß man bei zweckmäßiger Sondenkonstruktion ohne Kalibrie­ rung allein mit der Nernstschen Gleichung dort gewonnene Sen­ sorsignale vielfach richtig auswerten kann. Zum anderen be­ reitet es mit keramischen Teilen Schwierigkeiten, langzeit­ stabile bruchunempfindliche Prüfvorrichtungen im Inneren von Hochtemperatursonden zu verwirklichen.

Tatsächlich können aber im Langzeitbetrieb auch bei Hochtem­ peratursonden für den Einsatzbereich typische Störungen auf­ treten, z. B. Verflüchtigung oder chemische Reaktionen der zur Herstellung der Elektroden verwendeten Edelmetalle, Bildung von Undichtigkeiten (Lecks, Risse) im Festelektrolyten oder in keramischen Bauteilen infolge von Reaktionen mit Dämpfen aus dem Meßgas und dadurch bedingten Sinterprozessen oder An­ griffen an Korngrenzen. Falls man die Sonden in automatischen Prozeßregelungen einsetzen will, sollten zur Kontrolle ihrer Verläßlichkeit auch Hochtemperatursonden in situ prüfbar sein.

Weiterhin gibt es Einsatzfälle, in denen Festelektrolyt- Sauerstoffmeßsonden von niedriger bis zu hoher Umgebungs­ temperatur zuverlässig verwendbar sein müssen, z. B. bei der Kontrolle des Brennens von Porzellan oder technischer Keramik in Öfen, in denen das Brenngut ruht und erst zu-, dann abneh­ menden Temperaturen sowie wechselnden Gasmedien (oxydierend, reduzierend, neutral) ausgesetzt wird. Hier möchte man bei niedrigen wie hohen Temperaturen mit Gasen verschiedener Zu­ sammensetzung die Richtigkeit der Sondensignale während der Ofenfahrt prüfen können.

Besondere Schwierigkeiten bereitet die Realisierung der Prüfbarkeit bei den ansonsten vorteilhaften Festelektro­ lytsonden mit Pulverelektroden (DD-PS 2 60 420).

In der Praxis wäre es also ein Fortschritt, wenn es gelingt, zur Messung von Sauerstoffpartialdrücken Sonden herzustel­ len, die sich für den Einsatz von niedrigen bis zu hohen Temperaturen eignen, die im gesamten Temperaturbereich in situ prüfbar und deren Elektroden auch als Pulverelektroden ausführbar sind.

Die technische Aufgabe besteht darin, wenig bruchempfindli­ che Sonden aus hochtemperaturstabilen Werkstoffen so zu ge­ stalten, daß die dem Meßgas ausgesetzte, nötigenfalls mit leitfähigen Pulvern ausgeführte Elektrode ohne Ausbau der Sonde auch einem Prüfgas ausgesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf der Seite des Festelektrolytrohrs, die die Meßelektrode trägt, Kanäle oder ein Kanal in Form von verbundenen Ringspalten, Bohrungen, Röhren, Einschnitten, spiralartigen Nuten, Poren in kera­ mischer verfestigter Masse oder räumlichen Erweiterungen vorhanden sind, die den Gasraum um die Meßelektrode in zwei Richtungen mit anderen Räumen verbinden, nämlich einerseits mit dem die Sonde umgebenden, das Meßgas enthaltenden Raum und andererseits mit dem Innenraum des Trägerrohrs, aus dem sie zur Sondenprüfung über eine Prüfgasleitung mit Prüfgas beschickbar sind und durch das Prüfgasüberschuß aus einer Gasleitung im Verschlußteil des Trägerrohrs ausströmen kann, wobei die bei niedrigen Umgebungstemperaturen benötigte Heizvorrichtung wie der gesamte, den Sensor enthaltende Son­ denkopf aus bei hohen Umgebungstemperaturen langzeitstabilen Teilen besteht.

Die Prüfgasleitung endet ohne direkte Anbindung an einen der den Kanal bildenden Räume im Innenraum des Trägerrohrs, oder ein Teil der Prüfgasleitung bildet einen Teil des Kanals zur Prüfgasbeschickung des Meßelektrodenraums.

Räume um die Meßelektrode herum, räumliche Erweiterungen der Kanäle und Räume im Trägerrohr enthalten körniges kerami­ sches Material. Gegen das Eindringen von Partikeln aus dem Meßgas liegen die meßgasseitigen Öffnungen der Kanäle ge­ schützt im Trägerrohr zurückgezogen oder sind von einem Filterkörper überdeckt. Als Prüfgasleitung können auch Ka­ pillaren eines Mehrfachkapillarrohrs dienen.

Zur Optimierung der Lage des Sensors in der Heizvorrichtung ist das Festelektrolytrohr mit den daran befestigten Teilen axial zur Heizvorrichtung verschiebbar in der Sonde montiert.

Die in dieser Schrift dargelegte Problemlösung läßt sich in Sonden auf verschiedene Weise realisieren. Einige mögliche Ausführungsformen werden im folgenden als Beispiele in Auf­ bau und Funktion beschrieben.

Die Zeichnungen zeigen mit

Fig. 1 eine Sonde ohne elektrische Heizvorrichtung mit ein­ seitig geschlossenem Festelektrolytrohr, mit Pulverelektro­ den auf beiden Seiten, mit einem von der Prüfgasleitung ge­ trennten Kanal, der teils ein Ringspalt, teils eine Röhre oder Bohrung ist,

Fig. 2 eine Sonde ohne elektrische Heizvorrichtung mit beid­ seitig offenem Festelektrolytrohr, mit von der Prüfgaslei­ tung getrennten Kanälen, teils in Form der Poren in grob­ poröser keramischer Masse, teils in Form von Ringspalten,

Fig. 3 eine Sonde mit elektrischer Heizvorrichtung, mit beidseitig offenem Festelektrolytrohr (nicht gezeichnetes Inneres etwa wie in Fig. 2) und mit einer Prüfgasleitung, die einen Teil des Kanals bildet, der Prüfgas durch einen ringförmigen Raum um eine Meß-Pulverelektrode in einen wei­ teren ringförmigen, mit körnigem Material gefüllten Raum mit Ausgängen unter einem Filterrohr führt,

Fig. 4 eine Sonde mit elektrischer Heizvorrichtung, mit beidseitig offenem Festelektrolytrohr (nicht gezeichnetes Inneres etwa wie in Fig. 2) und mit einem von der Prüfgas­ leitung getrennten Kanal, der teilweise aus spiralförmigen Nuten besteht, wobei der Festelektrolyt-Sensor in dem mit grobstückigem keramischen Material verfüllten Trägerrohr axial verschiebbar montiert ist.

In der Sonde nach Fig. 1 ist die Meßelektrode 2 auf dem ein­ seitig geschlossenen Festelektrolytrohr 1 mit Hilfe des po­ rösen Keramikrohrs 18 als Pulverelektrode gestaltet, d. h. sie enthält lose Körner aus elektronisch, ionisch oder ge­ mischtleitendem Material als Einbettung eines metallischen Gebildes. Der Kanal, durch den über die Prüfgasleitung 11 Prüfgas über die Meßelektrode 2 geleitet werden kann, wird durch den Ringspalt 3 zwischen dem gasdichten keramischen Rohr 19 und dem porösen Keramikrohr 18, durch die räumliche Erweiterung 9 und die Bohrung 4 in der verfestigten kerami­ schen Masse 8 gebildet. Ist das poröse Keramikrohr außen mit einem knapp in das Rohr 19 passenden Gewinde versehen, so ergibt sich eine bessere Zentrierung der Teile und ein spi­ ralförmiger Kanal. Wenn die durch den Verschlußteil 13 der Sonde gelegte Zuleitung 11 und Ableitung 12 für Prüfgas ver­ schlossen sind, wird über die Bohrung 4 mit der Umgebung der Sonde fortwährend Analysengas ausgetauscht, und die Meßelek­ trode 2 liefert in Gegenschaltung zu der ständig unter Luft stehenden Innenelektrode die zur kontinuierlichen Gasanalyse nutzbaren elektrischen Signale. Zur Prüfung des Sensors ist durch die Prüfgasleitung 11 soviel Gas mit bekannter Konzen­ tration der zu bestimmenden Gaskomponente zu drücken, daß Prüfgasüberschuß durch die geöffnete Gasleitung 12 abströmt und das Analysengas aus dem Trägerrohr 10 sowie aus den Räumen 3, 4 und 9 verdrängt.

In der Sonde nach Fig. 2 befindet sich auf dem beidseitig offenen Festelektrolytrohr 1, durch das kontinuierlich Luft als Bezugsgas über die innere Elektrode in das außen vorbei­ strömende Analysengas geleitet wird, eine Meßelektrode 2, die von einer grob porösen, durchgehende Kanäle aufweisen­ den, verfestigten keramischen Masse 8 mit keramischem Faser­ material 20 als Schicht an der Wand des Trägerrohrs 10 umge­ ben ist. Über die Ringspalte 3 und die Poren in der Masse 8 wird fortwährend Analysengas mit der Umgebung der Meßelek­ trode 2 ausgetauscht. Zur Prüfung der Sonde wird über die ansonsten verschlossenen Gasleitungen 11 und 12 Prüfgas durch den Innenraum des Trägerrohrs 10 gedrückt, wobei die Aufrechterhaltung eines zweckentsprechenden Überdrucks des Gases im Trägerrohr 10 gegenüber dem Druck im Analysengas­ raum garantiert, daß über die Poren in der Masse 8 auch die Meßelektrode 2 von Prüfgas umgeben ist.

In der Sonde nach Fig. 3 befindet sich der Sensor, dessen Inneres (im Detail nicht wiedergegeben) kontinuierlich von Luft als Bezugsgas durchströmt wird, axialsymmetrisch in einer Heizvorrichtung 14, die von einer porösen keramischen Einbettmasse 21 überdeckt und von dem Filterkörper 16 um­ hüllt ist. Die Meßelektrode 2, die als Pulverelektrode unter einem porösen Keramikrohr 18 ausgeführt sein kann, ist von einem Ringspalt 3 umgeben, der über die Prüfgasleitung 11 mit Prüfgas direkt durchspült werden kann oder über den ke­ ramischen Filterkörper 16, die poröse keramische Einbett­ masse 21, die Einschnitte 6, die räumliche Erweiterung 9 mit dem körnigen keramischen Material 15 und die Röhre 5 im Aus­ tausch von Analysengas mit der Umgebung des Sondenkopfes steht. Die Anordnung der einzelnen Teile des Kanals im Son­ denkopf wird mit Hilfe einer feinporösen keramischen Ein­ bettmasse 22 hergestellt. Zur Vermeidung des Vordringens von Luft aus dem Innenraum des Trägerrohrs 10 durch das kerami­ sche Heizvorrichtungsrohr 23 enthält dieses Rohr 23 Öffnun­ gen 24, durch die das Analysengas ständig die Poren in der Einbettmasse 22 ausspült.

Auch in der Sonde nach Fig. 4 befindet sich der Sensor, dessen Inneres (im Detail nicht wiedergegeben) kontinuier­ lich von Luft als Bezugsgas durchströmt wird, axialsymme­ trisch in einer Heizvorrichtung 14. Der Sensor mit der Heiz­ vorrichtung 14, die mit keramischem Fasermaterial 20 nach außen thermisch isoliert ist, steckt jedoch voll im Träger­ rohr 10, das mit grobkörnigem keramischen Material 15 ge­ füllt ist. Der Sensor mit dem Festelektrolytrohr 1 und der Meßelektrode 2 ist im (nicht gezeichneten) Verschlußteil des Trägerrohrs 10 so montiert, daß man durch axiale Verschie­ bungen die Lage der galvanischen Zelle in der Heizvorrich­ tung 14 optimieren kann. Durch eine spiralförmige Nut 7 in einem keramischen Hilfskörper 25 wird fortwährend Analysen­ gas mit der Umgebung der Meßelektrode 2 ausgetauscht. Zum Prüfen der Sonde wird Prüfgas durch eine als Prüfgasleitung 11 dienende Kapillare des Mehrfachkapillarrohrs 17 und durch die spiralförmige Nut 7 im keramischen Heizvorrichtungsrohr 23 über die Meßelektrode 2 geleitet.

Auf Grund der Sondengestaltung mit keramischen Rohren und (dimensionsstabilen, also nicht schwindenden) Einbettmassen sind die beschriebenen Sonden bis zu hohen Temperaturen mehr oder weniger langzeitig einsetzbar, und zwar auch mit (im oberen Temperaturbereich abgeschalteten) Heizvorrichtungen, wenn diese mit zunderfesten Metalldrähten ausgeführt sind. Die Verwendung der keramischen Einbettmassen gewährleistet hohe Temperaturwechselbeständigkeit und damit Langzeitstabi­ lität. Diese Eigenschaften werden weiterhin erreicht, weil Anordnungen mit kurzen Festelektrolytrohren wählbar sind und vor Einwirkungen aggressiver Analysengase das dickwandige Trägerrohr und eventuell zusätzliche Außenummantelungen schützen.

Liste der Bezugszeichen

 1 Festelektrolytrohr
 2 Meßelektrode
 3 Ringspalt
 4 Bohrung
 5 Röhre
 6 Einschnitt
 7 spiralförmige Nut
 8 verfestigte keramische Masse
 9 räumliche Erweiterung
10 Trägerrohr
11 Prüfgasleitung
12 Gasleitung
13 Verschlußteil 14 Heizvorrichtung 15 körniges keramisches Material 16 keramischer Filterkörper 17 Mehrfachkapillarrohr 18 poröses Keramikrohr 19 gasdichtes Keramikrohr 20 keramisches Fasermaterial 21 poröse keramische Einbettmasse 22 feinporöse keramische Einbettmasse 23 keramisches Heizvorrichtungsrohr 24 Öffnungen 25 keramischer Hilfskörper

Claims (7)

1. Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu hohen Umgebungstemperaturen, bestehend aus einem Sen­ sor mit einseitig geschlossenem oder beidseitig offenem Fest­ elektrolytrohr und darauf auf gegenüberliegenden Teilen der Oberfläche angeordneten Elektroden, je nach gewünschter Brei­ te des Arbeitstemperaturbereichs mit oder ohne Umbauung mit einer elektrischen Heizvorrichtung, montiert am vorderen Ende eines gasdichten Trägerrohrs, das in seinem Verschlußteil eine ins Innere der Sonde führende Leitung für Prüfgas ent­ hält, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite des Festelek­ trolytrohrs (1), die die Meßelektrode (2) trägt, Kanäle oder ein Kanal in Form von verbundenen Ringspalten (3), Bohrungen (4), Röhren (5), Einschnitten (6), spiralartigen Nuten (7), Poren in verfestigter keramischer Masse (8) oder räumlichen Erweiterungen (9) vorhanden sind, die den Gasraum um die Meß­ elektrode (2) in zwei Richtungen mit anderen Räumen verbin­ den, nämlich einerseits mit dem die Sonde umgebenden, das Meßgas enthaltenden Raum und andererseits mit dem Innenraum des Trägerrohrs (10), aus dem sie zur Sondenprüfung über die Prüfgasleitung (11) mit Prüfgas beschickbar sind und durch das Prüfgasüberschuß aus einer Gasleitung (12) im Verschluß­ teil (13) des Trägerrohrs (10) ausströmen kann, wobei die bei niedrigen Umgebungstemperaturen benötigte Heizvorrichtung (14) wie der gesamte, den Sensor enthaltende Sondenkopf aus bei hohen Umgebungstemperaturen langzeitstabilen Teilen be­ steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfgasleitung (11) ohne direkte Anbindung an einen der den Kanal bildenden Räume (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) im Innenraum des Trägerrohrs (10) endet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Prüfgasleitung (11) einen Teil des Kanals zur Prüfgasbeschickung des Meßelektrodenraums bildet.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Räume um die Meßelektrode (2) herum, räumliche Erwei­ terungen (9) der Kanäle und Räume im Trägerrohr (10) körniges keramisches Material (15) enthalten.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß meßgasseitige Öffnungen der Kanäle gegen das Eindringen von Partikeln aus dem Meßgas geschützt im Trägerrohr (10) zu­ rückgezogen liegen oder von einem Filterkörper (16) überdeckt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kapillaren von Mehrfachkapillarrohren (17) die Prüfgas­ leitung (11) bilden.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Festelektrolytrohr (1) mit den an ihm befestigten Teilen axial zur Heizvorrichtung (14) verschiebbar in der Sonde montiert ist.