DE4239292A1 - Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu sehr hohen Temperaturen - Google Patents
Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu sehr hohen TemperaturenInfo
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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
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924239292 DE4239292A1 (de) | 1992-11-23 | 1992-11-23 | Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu sehr hohen Temperaturen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924239292 DE4239292A1 (de) | 1992-11-23 | 1992-11-23 | Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu sehr hohen Temperaturen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4239292A1 true DE4239292A1 (de) | 1994-05-26 |
Family
ID=6473414
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924239292 Withdrawn DE4239292A1 (de) | 1992-11-23 | 1992-11-23 | Prüfbare Sauerstoff-Meßsonde für den Einsatz bei normalen bis zu sehr hohen Temperaturen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4239292A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5568852A (en) * | 1994-05-31 | 1996-10-29 | Kabushiki Kaisha Daikin Seisakusho | Clutch cover assembly having clutch disk wear compensation means |
EP1327880A2 (de) * | 2002-01-09 | 2003-07-16 | General Electric Company | Verfahren und Apparatur zur Gasüberwachung in einer Verbrennungsanlage |
DE102009039183A1 (de) * | 2009-08-28 | 2011-03-17 | Thermo- control Körtvélessy GmbH | Systemanordnung zur Kalibrierung einer Sauerstoffmesssonde |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD261071A (de) * | ||||
DD260419A (de) * | ||||
DD111248A1 (de) * | 1974-05-14 | 1975-02-05 |
-
1992
- 1992-11-23 DE DE19924239292 patent/DE4239292A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |