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Verfahren und Vorrichtung für die von Temperaturschwankungen
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unbeeinflußte Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die von Temperaturschwankungen unbeeinflußte
Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere Verbrennungsabgasen, unter
Verwendung einer auf Betriebstemperatur beheizten elektrochemischen Meßzelle, von
der ein vom Sauerstoffgehalt des Gases zumindest ungefähr Linear abhängiges eleltrisches
Signal abgegeben wird.
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Zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes eines Gases ist es bekann, eine
elektrochemische Meßzelle einzusetzen, die einen sauerstoffionenleitenden Bestelektrolyten
aufweist, der zwei Elektroden voneinander trennt. An diese Elektroden wird eir
elektrische
Gleichspannung gelegt und die als Kathode wirksame Elektrode mit dem zu messenden
Gasstrom beaufschlagt.
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Hierdurch wird der Sauerstoffanteil des Gasstromes elektrolytisch
aus dem Gasstrom extrahiert, in Form von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten
zur zweiten Elektrode transportiert und dort zu Sauerstoffmolekülen oxidiert. Der
hierbei fließende und mit einem Strommeßgerät erfaßbare elektrische Strom ist ein
Maß für den Sauerstoffionentransport und somit für den Sauerstoffgehalt des Gasstromes.
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Um hierbei eine quantitative Aussage über den Sauerstoffgehalt machen
zu können, muß der Gasstrom während des Meßvorganges konstant gehalten und der gesamte
Sauerstoff extrahiert werden.
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Gegebenenfalls ist auch die Größe des Gasstromes zu erfassen.
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Bei einer anderen bekannten Meßzelle wird der Sauerstofftransport
von der einen zur anderen Elektrode durch jene Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher
der Sauerstoff in die vom Meßgas beaufschlagte Elektrode eindiffundiert. Diese Geschwindigkeit
ist eine Funktion des Sauerstoffgehalts des Meßgases, so daß der durch die Meßzelle
fließende elektrische Strom von der Diffusionsgeschwindigkeit des Sauerstoffs in
die Elektrode abhängig ist und somit als diffusionsbegrenzter Strom bezeichnet wird.
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Beiden Arten von Meßzellen ist gemeinsam, daß der bei der Messung
fließende elektrische Strom wenigstens im Meßbereich linear abhängig ist vom Sauerstoffgehalt
des Meßgases.
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Diese lineare Abhängigkeit gilt natürlich nur so lange, wie die vom
Meßgas beaufschlagte Elektrode in der Lage ist, den gesamten Sauerstoffanteil zu
extrahieren bzw.
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eine den Sauerstoffanteil entsprechende Menge des Sauerstoffs durch
Diffusion aufzunehmen. Um solche Störeinflüsse auszuschalten, muß die Elektrode
eine auf den Massenstrom des Meßgases abgestimmte Größe bzw. eine auf den Sauerstoffanteil
des Meßgases abgestimmte Porosität aufweisen.
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Eine sehr wesentliche Voraussetzung für eine einwandfreie Messung
mit solchen Meßzellen besteht darin, daß diese auf eine konstante Betriebstemperatur
von mindestens etwa 400" C beheizt sind. Diese Forderung wirkt sich im Meßbetrieb
sehr nachteilig aus, denn es ist sehr aufwendig, die erforderliche Temperaturkonstanz
der Meßzelle von etwa + 2 bis 5° C aufrechtzuerhalten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw.
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem Temperaturschwankungen
der Meßzelle keinen oder zumindest keinen wesentlichen Einfluß auf die Messung des
Sauexstoffgehaltes aufweisen. Auch soll das Verfahren bei geringem Aufwand einfach
durchzuführen und hauptsächlich für Betriebsmessungen geeignet sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß darin, daß zeitweise ein erstes Signal vom Meßgas
und zeitweise ein zweites Signal von einem Hilfsgas mit konstantem Sauerstoffgehalt
abgeleitet und wenigstens eines der Signale gespeichert wird, und daß beim Vorliegen
wenigstens eines ersten und wenigstens eines zweiten Signals der Quotient aus beiden
Signalen als Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases gebildet wird.
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Durch die Quotientenbildung wird der Temperatureinfluß eliminiert,
denn Temperaturschwankungen wirken sich sowohl bei der Erfassung des Sauerstoffgehaltes
des Meßgases als auch bei der Erfassung des Sauerstoffgehaltes des Hilfsgases in
gleicher Weise aus. Wesentlich ist hierbei, daß zwischen der Bildung des ersten
Signals und der Bildung des zweiten Signals sich die Temperatur der Meßzelle nicht
wesentlich ändert. Als zulässiger Grenzwert für solche Änderungen kann ein Betrag
von + 30 C angesehen werden. Für Betriebsmessungen mit geringer Meßgenauigkeit von
etwa t 0,3 % Sauerstoff absolut können Temperaturschwankungen bis + 8" C noch als
zulässig betrachtet werden.
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Die Zeitspanne, während der jeweils das erste und zweite Signal gebildet
wird, läßt sich aus der vorgenannten Temperaturbedingung bestimmen. Hierbei sind
folgende Punkte zu berücksichtigen: Intensität der Meßzellen-Beheizung, Wärmeübergangsbedingungen
zwischen dem Meßgas und der Meßzelle sowie Wärmespeichervermögen der Heizung und/oder
der Meßzelle.
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Als Hilfsgas dient vorzugsweise ein Gas, dessen Zusammensetzung in
physikalischer Hinsicht dem Meßgas ähnlich ist. Im Falle der Messung des Sauerstoffgehaltes
in Verbrennungsabgasen dient insbesondere Luft als Hilfsgas.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen,
daß das Meßgas mit einer Elektrode und das Hilfsgas mit der zweiten Elektrode der
Meßzelle in Berührung gebracht und die Richtung des elektrischen Stromes, der die
Meßzelle durchfließt, zur Gewinnung des ersten und zweiten Signals zeitweise umgekehrt
wird. Dieses Vorgehen empfiehlt sich nur dann, wenn beide Elektroden immer den gleichen
Zustand aufweisen, d.h., es muß ausgeschlossen sein, daß eine Elektrode durch Schmutzteile,
die vom Meßgas bzw. Hilfsgas mitgeführt werden, verschmutzt wird. Denn dieser Schmutz
würde die Porosität der Elektrode verringern und somit zu einer Falschmessung führen.
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Um nun auch verschmutzte Meßgase und/oder Hilfsgase zu messen bzw.
verwenden zu können, besteht eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung
darin, daß das Meßgas und das Hilfsgas jeweils zeitweise mindestens einer Elektrode
der Meßzelle zugeführt wird. Im Gegensatz zum Vorangeaangenen wird jetzt-nicht mehr
die Stromrichtung umgekehrt, sondern jeweils einer einzigen Elektrode abwechselnd
das Meßgas und das Hilfsgas zugeführt. Die Messung erfolgt jetzt jeweils über dieselbe
Elektrode,
so daß sowohl das Meßgas als auch das Hilfsgas unter den selben Bedingungen gemessen
werden und Falschmessungen hierdurch ausgeschlossen sind.
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Soll der Sauerstoffgehalt in Verbrennungsabgasen bestimmt werden,
die von intermittierend arbeitenden Feuerungen abgegeben werden, so empfiehlt es
sich, das Hilfsgas in den Arbeitspausen der Feuerung zuzuführen.
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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des insbesondere vorgeschriebenen
Verfahrens mit wenigstens einer in einer Heizung versehenen und wenigstens eine
ungefähr lineare Kennlinie aufweisenden elektrochemischen Sauerstoff-Meßzelle, die
einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten aufweist, der mit Elektroden versehen
ist, die an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen sind, wobei wenigstens eine
Elektrode als Meßelektrode mit dem zu messenden Gas beaufschlagbar und das in Abhängigkeit
vom Sauerstoffgehalt des Gases abgegebene elektrische Signal der Meßzelle erfaßbar
ist, ist gekennzeichnet durch wenigstens einen in den elektrischen Stromkreis eingefügten
Umschalter, der in seiner ersten Schaltstellung die Meßzelle unter Zwischenschaltung
wenigstens eines Signalspeichers mit dem ersten Eingang eines Dividierers und in
der zweiten Schaltstellung die Meßzelle mit demzweiten Eingang des Dividierers verbindet,
wobei in der ersten Schaltstellung die Meßelektrode vom Meßgas und in der zweiten
Schaltstellung von dem Hilfsgas mit konstantem Sauerstoffgehalt beaufschlagbar ist
und daß der vom Dividierer abgegebene Quotient aus zwei nacheinander erfaßten elektrischen
Signalen als Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases einem Anzeigegerät und/oder
einem Regelgerät bzw. Steuergerät zuführbar ist.
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Es ist also ein elektrischer Umschalter an die Meßzelle angeschlossen,
der je nach Schaltstellung das elektrische Signal direkt oder unter Zwischenschaltung
eines Signalspeichers dem Dividierer zuführt. Im Signalspeicher wird hierbei das
eingegebene Signal so lange gespeichert, bis das für die Quotientenbildung erforderliche
weitere Signal vorliegt. Durch die
Zwischenschaltung des Signalspeichers
in Verbindung mit. dem elektrischen Umschalter ist es somit möglich, von einer einzigen
Meßzelle Signale sowohl vom Meßgas als auch vom Hilfsgas abzuleiten und den beiden
Eingängen des Dividierers zuzuführen.
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Der Einsatz des Umschalters und des Meßwertspeichers, die in der Elektrotechnik
bekannte und übliche Bauelemente sind, ermöglicht es, mit geringem Bauaufwand die
gewünschte von Temperaturschwankungen unabhängige, oder zumindest weitgehend unabhängige
Sauerstoffmessung in Gasen durchzuführen.
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Wird für die Messung eine Meßzelle eingesetzt, die von einem von einer
Stromquelle ausgehenden elektrischen Strom durchflossen wird, so ist es vorteilhaft,
wenn das Meßgas mit der ersten Elektrode und das Hilfsgas mit der zweiten Elektrode
der Meßzelle in Berührung steht, und daß zwischen die Stromquelle und die Elektroden
ein Polumschalter eingefügt ist, der für eine synchrone Betätigung mit dem Umschalter
gekuppelt ist. Durch die synchrone Betätigung des Polumschalters und des Umschalters
wird zeitweise die erste Elektrode als Meßelektrode und zeitweise die zweite Elektrode
als Meßelektrode eingesetzt und das jeweils anfallende Signal dem ersten bzw. zweiten
Eingang des Dividierers zugeführt, wobei gegebenenfalls ein Meßwertspeicher eingeschaltet
ist. Auf diese Weise kann ohne großen Aufwand ein Signal vom Meßgas und vom Hilfsgas
abgeleitet und dem Dividierer zugeführt werden.
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Eine andere, hauptsächlich für verschmutzte Gase geeignete Weiterbildung
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Umschalter ein Umschaltorgan
gekuppelt ist zur wechselweisen Zufuhr von Meßgas oder Hilfsgas zur Meßzelle. In
diesem Falle bleibt die Polarität der Elektroden unverändert, der als Meßelektrode
eingesetzten Elektrode wird im Gegensatz zur weiter oben beschriebenen Ausführungsform
wechselweise Meßgas oder Hilfsgas zugeführt und das daraus gewonnene Signal jeweils
weiter verarbeitet.
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In vorteilhafter Weise ist der Umschalter bzw. Polumschalter bzw.
das Umschaltorgan zur Betätigung mit einem Zeitschaltwerk verbunden. Hierdurch werden
die beiden Signale selbsttätig gewonnen, wobei durch die Auswahl der Arbeitsgeschwindigkeit
des Zeitschaltwerks der Umschaltrhythmus beeinflußt werden kann.
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Um sehr starke Temperaturänderungen des Meßgases und oder des Hilfsgases
von der Meßzelle fernzuhalten und um die Meßgenauigkeit zu steigern, ist es empfehlenswert,
daß in den Zufuhrweg der Gase jeweils ein Gaserhitzer eingeschaltet ist. Liegt die
Temperatur des zugeführten Gases oberhalb der Arbeitstemperatur der Meßzelle, so
kann gegebenenfalls anstelle des Gaserhitzers ein Gaskühler vorgesehen sein.
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Auch ist es vorteilhaft, daß die Meßzelle mit einem Wärmespeicher
versehen ist. Dieser Wärmespeicher kann aus dem Gehäuse der Meßzelle bestehen, das
in diesem Fall mit entsprechend großer Masse ausgebildet ist. Die Wände des Gehäuses
sind daher gegenüber den übrigen Abmessungen sehr dick.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor. Hierbei zeigen: Figur 1 eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt,
wobei zur Gewinnung der beiden Signale die Polarität der Elektroden umschaltbar
ist, Figur 2 eine Ausführungsvariante der Erfindung im Querschnitt, wobei zur Gewinnung
der beiden Signale einer Elektrode zeitweise Meßgas und zweitweise Hilfsgas zuführbar
ist,
Figur 3 ein Detail aus Figur 2 als Ausführungsvariante, wobei
die Zufuhr des Meßgases und des Hilfsgases über getrennte Leitungen erfolgt, Figur
4 eine Ausführungsvariante des Umschaltorgans als Einzelheit, Figuren 5 und 6 Ausführungsvarianten
der Meßzellen im Längsschnitt und jeweils als Einzelheit, Figuren 7 und 8 weitere
Ausführungsvarianten der Meßzellen im Längsschnitt und jeweils als Einzelheit und
Figur 9 die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenhang mit einer Feuerung.
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Gleiche Teile weisen in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen
auf. Ferner sind in den einzelnen Figuren wiederkehrende Einzelteile nur insoweit
mit Bezugszeichen versehen, als dies für das Verständnis erforderlich ist.
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Die in Figur 1 dargestellte Meßvorrichtung weist eine Meßzelle 10
auf, die mit einem scheibenförmigen Festelektrolyten 12 ausgerüstet ist. Auf der
einen Oberfläche des Festelektrolyten ist die erste Elektrode 14 und auf der gegenüberliegenden
Fläche die zweite Elektrode 16 angeordnet. Die Elektroden 14,15 sind als dünne Schichten
ausgebildet und auf dem Festelektrolyt angeordnet. Als Material für die Elektroden
kann elektrisch leitendes keramisches Material oder Platin eingesetzt werden.
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Hierbei muß selbstverständlich ausreichende Porosität vorhanden sein,
damit das Gas in ausreichendem Maße durch die Elektroden 14,16 zum Festelektrolyten
12 gelangen kann. Dieser besitzt sehr gute Sauerstoffionen-Leitfähigkeit, jedoch
kaum oder keine
Elektronenleitfähigkeit. Als Material für den Festelektrolyten
12 kann Calciumoxid dienen, das mit Zirkoniumoxid dotiert ist.
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Die erste Elektrode 14 grenzt an einen Raum 18, der von einem ringzylindrischen
Gehäuse 20 gebildet ist. In den Raum 18 mündet in der Nähe der ersten Elektrode
14 eine Zufuhrleitung 22 für das Meßgas. An die Zufuhrleitung 22 ist der Gaserhitzer
24 angeschlossen, so daß das zugeführte Meßgas vor seinem Eintritt in den Raum 18
vorgewärmt wird.
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Der Gaserhitzer 24 besteht im vorliegenden Fall aus einem Keramikkörper
26, der von der Gaszufuhrleitung 22 durchdrungen und mit einer elektrischen Heizspirale-28
versehen ist.
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Für die Abfuhr des Meßgases aus dem Raum 18 ist eine Abflußleitung
30 vorgesehen, deren Anschluß an den Raum 18 so gewählt ist, daß keine Kurzschlußströmung
zwischen der Mündung der Zufuhrleitung 22 und der Abflußleitung 30 auftreten kann.
Zur Beschleunigung des Gasflusses kann ein Gasförderer 32 in die Abflußleitung 30
eingefügt sein.
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Da der Festelektrolyt 12 als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist,
besteht das Gehäuse 20 aus einem Rohr, in dessen Öffnung der Festelektrolyt 12 dicht
eingesetzt ist.
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Das Gehäuse 20 ragt mit jenem Ende, an welchem der Festelektrolyt
12 befestigt ist, in einen zweiten Raum 34, so daß die zweite Elektrode 16 von diesem
zweiten Raum 34 umgeben ist. Für die Zufuhr und Abfuhr des Hilfsgases ist an den
zweiten Raum 34 eine Zuflußleitung 36 und eine Abflußleitung 38 angeschlossen, wobei
die Mündungen dieser Leitungen so angeordnet sind, daß die zweite Elektrode vom
Hilfsgas beaufschlagt wird. In die Zuflußleitung 36 iat ein Gasförderer und ein
Gaserhitzer 42 eingeschaltet, die mit dem Gas förderer 32 und Gaserhitzer 24 identisch
aufgebaut sind.
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Der zweite Raum 34 wird von einem Gehäuse 44, vorzugsweise aus Keramik
begrenzt, in dessen Wand eine elektrische Heizspirale 46 angeordnet ist. Das Keramikgehäuse
ist gasdicht ausgebildet und weist eine Wandstärke auf, die im Verhältnis zu den
Abmessungen des Keramikgehäuses sehr dick ist und daher als Wärmespeicher dient.
Um Wärmeverluste zu vermeiden, sind sämtliche Teile, die heiße Gase führen oder
beheizt sind, mit einer Wärmeisolierung 48, zum Beispiel in Form von Mineralwolle,
umhüllt. Das Gehäuse 44 ist gasdicht.
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An die erste Elektrode 14 ist eine Leitung 50, an die zweite Elektrode
16 eine Leitung 52 angeschlossen, die beide zu den Ausgangsklemmen eines zweipoligen
elektrischen Umschalters 54 führen. An die Eingangsklemmen des elektrischen Polumschalters
54 ist eine Leitung 56 angeschlossen, in die ein Strommeßgerät 58 und eine elektrische
Gleichstromquelle 60, zum Beispiel eine Batterie, hintereinander eingefügt sind.
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Das Strommeßgerät 58 ist über eine elektrische Leitung 62 mit dem
Eingang eines elektrischen Umschalters 64 verbunden.
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Der eine Ausgang des elektrischen Umschalters 64 ist über eine elektrische
Leitung 68 unter Zwischenschaltung eines Signalspeichers 70 mit dem erten Eingang
72 des Dividierers 74 verbunden. An den anderen Ausgang des Umschalters 64 ist eine
elektrische Leitung 76 angeschlossen, die zum zweiten Eingang 78 des Dividierers
74 führt. Wie in Figur 1 gestrichelt angedeutet ist, kann in die Leitung 76 ein
zweiter Signalspeicher 80 eingeschaltet sein.
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Der Dividierer 74 ist schließlich über eine Leitung 82 mit einem Anzeigegerät
84 verbunden, erforderlichenfalls können mit Hilfe der Leitung 86 nicht dargestellte
Regel- oder Steuergeräte an den Dividierer 74 angeschlossen werden.
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Zur Betätigung des Polumschalters 54 sowie des Umschalters 64 sind
deren Schaltelemente durch ein Verbindungsglied 88 miteinander sowie mit einem Zeitschaltwerk
90 verbunden, das in
bestimmten vorwählbaren Zeitabständen die
Schaltelemente betätigt. Anstelle der hier gezeigten mechanischen Ausführung des
Polumschalters bzw. Umschalters oder Zeitschaltwerkes können auch kontaktlose elektronische
Geräte benutzt werden, die zur Steuerung an ein elektronisches Zeitschaltwerk angeschlossen
sind.
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Bevor Messungen durchgeführt werden können, muß die elektrochemische
Meßzelle 10 auf Betriebstemperatur, d. h. auf mindestens 400" C, aufgeheizt werden.
Hierzu dient die elektrische Heizspirale 46, die in den Wänden des Keramikgehäuses
44 eingebettet ist. In gleicher Weise werden auch die Gaserhitzer 24 und 42 aufgeheizt.
Das Meßgas wird dann durch den Gasförderer 32 durch die Leitung 22 in den Raum 18
eingesaugt, wobei es im Gaserhitzer 24 vorgewärmt oder gegebenenfalls auf Betriebstemperatur
der Meßzelle aufgeheizt wird. In gleicher Weise wird durch den Gasförderer 36 das
Hilfsgas, welches konstanten Sauerstoffgehalt aufweist, durch den zweiten Raum 34
geführt, so daß die zweite Elektrode 16 vom Hilfsgas beaufschlagt wird.
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Durch den Polumschalter 54 wird in der in Figur 1 mit ausgezogenen
Strichen gezeichneten Stellung der Schaltelemente der negative Pol der Stromquelle
60 durch die Leitung 50 mit der ersten Elektrode 14 verbunden. Die zweite Elektrode
16 dagegen ist durch die Leitung 52, die Leitung 56 und das Strommeßgerät 58 an
den positiven Pol der Stromquelle 60 angeschlossen. Es fließt jetzt ein elektrischer
Strom, der den Sauerstoffgehalt des Meßgases abbildet. Dieser Stromwert wird durch
die Leitung 62 dem Umschalter 64 zugeführt. In der mit ausgezogenen Strichen gezeichneten
Stellung des Schaltelements wird der Stromwert durch die Leitung 68 dem Signalspeicher
70 zugeführt und von dort dem ersten Eingang 72 des Dividierers 74 zugeleitet. Der
Signalspeicher 70 gibt hierbei so lange ein konstantes Signal an den Dividierer
ab, bis sich das über die Leitung 68 zugeführte Eingangssignal ändert, worauf sich
dieses
Spiel wiederholt.
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Um nun ein zweites Signal für die Quotientenbildung zu erhalten, wird
das Zeitschaltwerk 90 in Betrieb genommen, so daß dieses den Polumschalter 54 sowie
den Umschalter 64 in die gestrichelt dargestellte Schaltstellung umschaltet. Die
zweite Elektrode 16 ist jetzt mit dem negativen Pol und die erste Elektrode 14 mit
dem positiven Pol der Gleichstromquelle 60 verbunden, so daß jetzt die zweite Elektrode
16 als Meßelektrode wirkt. Der jetzt durch das Strommeßgerät 58 fließende Gleichstrom
ist ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Hilfsgases, das den zweiten Raum 34 durchströmt.
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Das Stromsignal wird jetzt über die Leitung 62, den Umschalter 64
und die Leitung 76 dem zweiten Eingang 78 des Dividierers zugeführt. Dort stehen
jetzt zwei Signale zur Verfügung, aus denen im Dividierer der Quotient gebildet
wird Ein Signal, das diesem Quotienten entspricht, wird durch die Leitung 82 dem
Anzeigegerät 84 zugeführt und dort als Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases
angezeigt. Zusätzlich ist es möglich, nicht dargestellte Steuergeräte oder Regelgeräte
durch die Leitung 86 mit diesem Signal zu versorgen.
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Es ist empfehlenswert1 in die Leitung 76, welche zum zweiten Eingang
78 des Dividierers führt, einen zweiten Signalspeicher 80 einzufügen. Hierdurch
werden den beiden Eingängen 72,78 des Dividierers immer Signale zugeführt und ein
dem Quotienten entsprechendes Signal wird vom Anzeigegerä-t 84 kontinuierlich angezeigt.
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Durch das Zeitschaltwerk 90 werden der Polumschalter 54 und der Umschalter
64 fortwährend umgeschaltet, so daß Signale vom Meßgas und vom Hilfsgas unter gleichen
Temperaturbedingungen abgeleitet werden. Voraussetzung hierfür ist, daß die Umschaltungen
so schnell erfolgen, daß keine größeren Temperaturschwankungen der Meßzelle als
zum Beispiel 3 bis 8C C zwischenzeitlich stattfinden. Diese Bedingung ist insbesondere
durch die
Wärmespeicherung in den dicken Wänden des Keramikgehäuses
44 leicht einzuhalten.
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Ist ein zweiter Signalspeicher 80 vorgesehen, so genügt es in vielen
Fällen, in größeren Zeitabständen ein Signal vom Hilfsgas abzuleiten. In den Zwischenzeiten
gibt nämlich der zweite Signalspeicher 80 das zuletzt eingegebene Signal so lange
an den zweiten Eingang 78 des Dividierers ab, bis ein neues Signal zugeführt wird
und sich das Spiel wiederholt.
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In vielen Fällen genügt es, wenn das Hilfsgas-Signal etwa in fünf-
bis zehnminütigem Abstand gebildet wird. Die Zeitspanne, während der das Hilfsgas
gemessen wird, kann hierbei auf 1 bis 5, vorzugsweise etwa 3 Sekunden reduziert
werden.
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Die Anzeige im Anzeigegerät 84 ist daher fast kontinuierlich.
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In Figur 2 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Während bei der Vorrichtung gemäß Figur 1 zur Gewinnung der beiden
Signale die Polarität der Elektroden umgeschaltet wird, bleibt beim Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 2 die Polarität unverändert. Zur Gewinnung der beiden Signale wird stattdessen
abwechselnd Meßgas und Hilfsgas der ersten Elektrode 14 zugeführt, die in diesem
Fall für beide Gase als Meßelektrode dient.
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Hierzu ist die Zufuhrleitung 22 in eine Leitung 92 für die Zufuhr
des Hilfsgases und eine Leitung 94 für die Zufuhr des Meßgases aufgeteilt. In diesen
beiden Leitungen ist jeweils ein elektrisch gesteuertes Ventil 96 bzw. 98, zum Beispiel
in Form eines Magnetventils, angeordnet. Durch wechseiweises Öffnen dieser Ventile
kann der ersten Elektrode 14 entweder Hilfsgas aus der Leitung 92 oder Meßgas aus
der Leitung 94 zugeführt werden.
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Der zweite Raum 34, an welchen die zweite Elektrode 16 grenzt, ist
mit einer Entlüftungsleitung 100 versehen, damit der in den zweiten Raum 34 während
des Meßvorgangs transportierte
Sauerstoff entweichen kann.
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Die Elektroden 14,16 sind über die elektrischen Leitungen 50 und 52
an die elektrische Gleichstromquelle 60 angeschlossen, wobei in die Leitung 50 das
Strommeßgerät 58 eingefügt ist.
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Das Stromsignal des Strommeßgeräts 58 wird über die Leitung 62 dem
Umschalter 64 zugeleitet und von diesem je nach Schaltstellung dem ersten Eingang
72 oder zweiten Eingang 78 in gleicher Weise wie bei der Vorrichtung gemäß Figur
l--zugeführt.
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An das Verbindungsglied 88 zwischen dem Zeitschaltwerk 90 und dem
Umschalter 64 ist noch ein Umschaltorgan 102 angeschlossen, das die elektrische
Betriebsspannung, welche über eine Leitung 104 dem Umschaltorgan 102 zugeführt wird,
je nach Schaltstellung entweder über die Leitung 106 zum Ventil 96 oder über die
Leitung 108 zum Ventil 98 führt, so daß diese Ventile öffnen.
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Während des Betriebs betätigt in bekannter Weise das Zeitschaltwerk
90 den Umschalter 64 und das Umschaltorgan 102.
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Hierdurch werden die Ventile 96 bzw. 98 wechselweise geöffnet, so
daß Hilfsgas bzw. Meßgas zur ersten Elektrode 14 der Meßzelle strömt. Das jeweils
abgeleitete elektrische Signal wird durch den Umschalter 64, der im gleichen Rhythmus
betätigt wird, den beiden Eingängen des Dividierers 74 zur Weiterverarbeitung zugeleitet.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine einzige Elektrode, nämlich die erste
Elektrode 14 als Meßelektrode dient, machen sich Veränderungen dieser Elektrode
sowohl bei der Messung des Hilfsgases als auch bei der Messung des Meßgases in gleicher
Weise bemerkbar. Diese Ausführungsform ist daher besonderes geeignet für die Gase,
die Schmutzteile mitführen. Eine Vereinfachung ist auch insoweit gegeben, als mit
einem einzigen Gaserhitzer 24
das Meßgas und das Hilfsgas vorgewärmt
werden kann.
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In Figur 3 ist eine Ausführungsvariante der Figur 2 bezüglich der
Gaszuführung als Einzelheit dargestellt. Hier sind die Leitung 92 für die Zufuhr
des Hilfsgases und die Leitung 94 für die Zufuhr des Meßgases getrennt bis zu der
ersten Elektorde 14 geführt und münden dort wie bei den anderen Ausführungsbeispielen
mit geringem Abstand von ungefähr 5 bis 10 mm vor der Elektrode. Diese Ausführungsform
hat gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 den Vorteil, daß Gasmischungen,
wie zum Beispiel in der gemeinsamen Zufuhrleitung 22 der Figur 3 beim Umschalten
auftreten können, vermieden sind. Das Meßergebnis bleibt daher mit Sicherheit unverfälscht.
Bei der getrennten Zufuhr der Gase sind allerdings zwei Gaserhitzer 24,42 erforderlich.
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In Figur 4 ist eine Einzelheit aus Figur 3 als Ausführungsvariante
dargestellt. Anstelle der beiden elektrisch gesteuerten Ventile 96,98 der Figur
2 kann auch ein Hahn 110 eingesetzt werden, dessen Hahnkücken 112 von einem elektrischen
Antrieb 114 betätigt wird. Wie aus Figur 4 deutlich zu ersehen, verbindet der Hahn
110 je nach Stellung seines Hahnkückens 112 wechselweise die Leitung 92 oder 94
mit der Zufuhrleitung 22.
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Figur 5 zeigt den Aufbau der elektrochemischen Meßzelle 10 in einer
Ausführungsvariante. Der Festelektrolyt 512 besteht hier aus einem Rohr, dessen
mit einer Kuppe verschlossenes Ende in den Raum 134 ragt. Der Festelektrolyt 512
ist hierbei in der Wand des Keramikgehäuses gasdicht befestigt. Auf der Innenseite
des Rohres ist die zweite Elektrode 16 in Form einer Leiterbahn angebracht, an welche
sich die Leitung 52 anschließt. Gleichzeitig ragt die Zuflußleitung 36 für das Hilfsgas
in den Innenraum des Rohres und mündet in
der Nähe der Kuppe. Auf
der Außenseite des rohrförmigen Festelektrolyten 512 ist die erste Elektrode 14
im Bereich der Kuppe angebracht und an die Leitung 50 angeschlossen. Im Bereich
des rohrförmigen Festelektrolyten 512 verläuft die Leitung 50 innerhalb einer Isolierschicht
116. Die erste Elektrode 14 ist von einer porösen Schicht 118 bedeckt, welche die
Diffusion des Gases zur Elektrode begrenzt.
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Die beiden elektrischen Leitungen 50 und 52 sind für den Anschluß
an den Polumschalter 54 gemäß Figur 1 vorgesehen. Die Anschlußstelle ist durch die
Schnittlinie V-V bezeichnet.
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Die Arbeitsweise der Meßvorrichtung mit einer Meßzelle gemäß Figur
5 ist die gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 1. Zur Messung des Hilfsgases
und des Meßgases wird auch hier die Polarität der Elektroden umgeschaltet. Im übrigen
gelten die bei Figur 1 gegebenen Erläuterungen entsprechend.
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Figur 6 zeigt eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der Figur
5. Zur Gewinnung der beiden Signale ist hier nicht die Umschaltung der Polarität
vorgesehen, sondern es wird abwechselnd Hilfsgas oder Meßgas durch die Zufuhrleitung
22 der ersten Elektrode 14, die hier als Meßelektrode dient, zugeleitet. Dementsprechend
ist in die elektrischen Leitungen 50 und 52 kein Polumschalter eingefügt, die Leitung
62, welche das Stromsignal führt, ist für den Anschluß an den elektrischen Teil
der Meßvorrichtung der Figur 2 vorgesehen. Die Anschlußstelle ist hierbei im Bereich
der Schnittlinie VI-VI.
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In Figur 7 ist eine weitere Ausführungsvariante der Meßzelle 10 als
Einzelheit und im Längsschnitt dargestellt. Der Festelektrolyt 712 ist hier als
an den Enden offenes Rohr ausgebildet und trägt auf der Außenseite die ringzylindrische
erste Elektrode 14, auf der Innenseite die ebenfalls ringzylindrische
zweite
Elektrode 16. Die erste Elektrode 14 ist unter Zwischenschaltung des Raumes 134
von dem Keramikkörper 44 umgeben, in welchem der rohrförmige Festelektrolyt 712
dicht befestigt ist. An die Elektroden sind in bekannter Weise die Leitungen 50
und 52 angeschlossen, welche zum nicht dargestellten Umschalter 54 führen. Im Gegensatz
zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird hier das Keramikgehäuse 44 nicht
beheizt, eine elektrische Heizung 746 ist in einem Keramikkörper 120 angebracht.
Dieser Keramikkörper ist zylinderförmig ausgebildet und befindet sich im Innenraum
des rohrförmigen Festelektrolyten 712, wobei ausreichend Abstand zur zweiten Elektrode
16 vorhanden sein muß, damit das durch die ZuZlußleitung 36 zugeführte Hilfsgas
die zweite Elektrode 16 in ausreichendem Maße beaufschlagen kann. Zur Gewinnung
der beiden Signale wird hier, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, die Polarität
der Elektroden umgeschaltet.
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Figur 8 zeigt eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Figur 7.
Die beiden elektrischen Signale werden hier nicht durch Umschaltung der Polarität
gewonnen, sondern durch abwechselnde Beaufschlagung der ersten Elektrode 14 durch
Hilfsgas oder durch Meßgas. Die Meßzelle arbeitet nach dem Prinzip wie es im Zusammenhang
mit Figur 2 näher erläutert wurde.
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Figur 9 zeigt eine Ausführungsvariante der Erfindung im Zusammenhang
mit einer Feuerung, zum Beispiel einem Heizkessel 122. Dieser ist mit einem Brenner
124 für Ö1 oder Gas ausgerüstet, dessen Öffnung für das Ansaugen der Verbrennungsluft
durch eine Klappe 126 im Querschnitt veränderbar ist.
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Die Meßzelle 10 ist durch die Zufuhrleitung 128 an den Abgaskanal
132 oder den Feuerraum des Heizkessels 124 angeschlossen, wobei ein Gasfilter 130
eingeschaltet ist. Nach der Durchströmung der Meßzelle 10 wird das Meßgas wieder
zum Abgaskanal 132 durch die Leitung 136 zurückgeführt, wobei der
zwischengeschaltete
Abgasförderer 32 einen gegebenenfalls konstanten Gasstrom aufrechterhält.
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Die Meßzelle 10 weist ein zylindrisches Keramikgehäuse 144 auf, in
das eine elektrische Heizspirale 46 eingebettet ist.
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Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Keramikgehäuse 144 elektrisch
leitend ist, muß die Heizspirale elektrisch isoliert eingebettet sein. Der Keramikkörper
weist eine zentrische, sich axial erstreckende Vertiefung auf, in welcher der Festelektrolyt
912 angeordnet ist. Der Festelektrolyt ist hierbei ähnlich ausgebildet wie im Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 5, er weist jedoch an seinem offenen Ende einen Bund 138 auf, der durch
eine Verschraubung 140 gegen eine Stufe 142 des Keramikgehäuses gedrückt wird. Hierbei
ist zwischen den Bund 138 und die Stufe 142 ein elektrisch leitender Dichtring 146
eingefügt, so daß die Leiterbahn 148, welche von der ersten Elektrode 14 zum Bund
führt, mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden ist. Da das Keramikgehäuse 144
elektrisch leitend ist, kann somit die Stromzufuhr zu der ersten Elektrode über
das Keramikgehäuse erfolgen.
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Im Innern der Verschraubung 140 ist ein stempelförmiger Einsatz 150
angeordnet, der eine zentrische Durchbohrung aufweist. Der Einsatz 150 wird von
der Verschraubung 140 axial gegen den Bund 138 des rohrförmigen Festelektrolyten
gedrückt. In der Durchbohrung des Einsatzes 150 ist ein rohrförmiger elektrischer
Leiter 152 angeordnet, der sich über die Stirnseite des Einsatzes 150 erstreckt
und in Kontakt steht mit der Leiterbahn 154, die im Inneren des rohrförmigen Festelektrolyten
von der zweiten Elektrode 16 bis zur Stirnseite des Bundes 138 verläuft.
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Da der Leiter 152 und die Leiterbahn 154 sich berühren, kann die Stromzufuhr
zur zweiten Elektrode 16 durch den elektrischen Leiter 152 erfolgen. Hierbei muß
selbstverständlich der Einsatz 150 aus elektrisch isolierendem Material bestehen.
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Zwischen dem rohrförmigen Festelektrolyten 912 und dem Keramikgehäuse
144 ist ein im Querschnitt ringförmiger Raum 156 ausgebildet, an dessen unterem
Ende die Zufuhrleitung 128 mündet. Diese durchdringt die Wand des Keramikgehäuses
144 in Form eines Zickzacks 158. Hierdurch muß das zugeführte Meßgas auf einer langen
Strecke durch das beheizte Keramikgehäuse 144 fließen und wird daher vorgewärmt,
die zickzackförmige Ausbildung der Zufuhrleitung 128 dient als Gaserhitzer.
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Die Versorgung der Elektroden 12,16 mit Gleichstrom erfolgt über die
Leitungen 50 und 52, wobei in die Leitung 52 ein Strommeßgerät 58 eingeschaltet
ist. Das Stromsignal wird durch die Leitung 52 dem Umschalter 64 zugeführt. An den
Ausgang des Dividierers 74 ist außer dem Anzeigegerät 84 ein Regel- bzw. Steuergerät
160 mittels der Leitung 86 angeschlossen. Dieses Regelgerät 160 ist mit einer Verstellvorrichtung
162 verbunden, welche die Klappe 126 des Brenners betätigt, so daß die Zufuhr von
Verbrennungsluft selbsttätig verändert werden. kann.
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Während des Betriebs der Meßvorrichtung wird durch den Gasförderer
32 Meßgas aus dem Abgaskanal 132 angesaugt. Der Weg des Meßgases führt durch das
Gasfilter 130, die Leitung 128, den Zickzack 158 in den Raum 156. Hier beaufschlagt
das Meßgas die erste Elektrode 14 und wird dann durch die Leitung 136 stromabwärts
der Entnahmestelle in den Abgaskanal 132 eingeleitet.
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Ist der Brenner 124 in Betrieb, so wird der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsabgase
erfaßt und das daraus resultierende elektrische Stromsignal durch die Leitung 62,
den Umschalter 64, die Leitung 68 mit eingeschaltetem Signalspeicher 70 dem.ersten
Eingang 72 des Dividierers zugeführt.
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Da Heizkessel der hier besprochenen Art meistens intermittierend betrieben
werden, das heißt Laufzeiten des Brenners 124 wechseln ab mit Stillstandzeiten,
sind keine besonderen Maßnahmen für die Zufuhr eines Hilfsgases zur Meßzelle 10
erforderlich. Denn in den Stillstandszeiten des Brenners 124 wird vom Gasförderer
32 Luft aus dem Abgaskanal durch die Meßzelle 10 gefördert, welche als Hilfsgas
dient.
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Um hierbei das vom Hilfsgas abgeleitete zweite Signal dem zweiten
Eingang 74 des Dividierers zuführen zu können, wird der Umschalter 64 von einem
Schaltwerk 190 betätigt, das Schaltimpulse vom Brenner 124 erhält. Ist der Brenner
in Betijeb, so wird der Umschalter 64 so geschaltet, daß das erste Signal dem ersten
Eingang 72 des Dividierers zugeführt wird.
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Ist der Brenner 124 außer Betrieb, so wird vom Schaltwerk 190 eine
Umschaltung veranlaßt, so daß das Stromsignal, welches vom Hilfsgas, das heißt von
Luft, abgeleitet wird, dem zweiten Eingang 78 des Dividierers zugeleitet wird. Die
Meßzelle arbeitet nach dem in Figur 2 gezeigten und dort näher erläuterten Prinzip,
wobei durch den intermittierenden Betrieb des Brenners 124 keine besonderen Mittel
für die wechselweise Zufuhr von Meßgas und Hilfsgas erforderlich sind. Die Schaltimpulse
werden dem Schaltwerk 190 durch die Leitung 166 zugeführt.
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Das vom Dividierer 74 abgegebene Meßsignal wird durch die Leitung
86 dem Steuer- bzw. Regelgerät 160 zugeleitet. In dieses kann ein Sollwert eingegeben
werden, mit welchem der im Abgas gemessene Sauerstoffgehalt verglichen wird. Beim
Abweichen des gemessenen Sauerstoffgehaltes vom vorgegebenen Sollwert wird von dem
Regel- bzw. Steuergerät 160 ein Signal ausgegeben und der Verstellvorrichtung 162
zugeführt. Diese verstellt durch die Klappe 124 die Luftzufuhr zum Brenner derart,
daß der Sollwert mit dem Sauerstoffgehalt der Verbrennungsabgase übereinstimmt.
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Hierdurch ist eine Optimierung der Verbrennung möglich, da für einen
wirtschaftlichen Betrieb des Heizkessels 122 der Sauerstoffgehalt der Verbrennungsabgase
möglichst gering sein soll. Die Überwachung und gegebenenfalls Nachregulierung des
Sauerstoffgehalts der Feuerung ist erforderlich, da sich bei änderndem Luftdruck
die Förderleistung des im Brenner 124 vorgesehenen Verbrennungsluft-Gebläses ändert
und somit die Verbrennung beeinflußt.
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Selbstverständlich können für die Überwachung der Verbrennung und/oder
die Regelung der Verbrennungsluftzufuhr im vorliegenden Fall auch Meßvorrichtungen
Verwendung finden, die entsprechend der anderen Ausführungsbeispiele ausgebildet
sind.
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Für die Dimensionierung der einzelnen Meßzellen gelten folgende Richtwerte:
in den Figuren 1 bis 3 ist die Dicke des Festelektrolyten etwa 0,5 bis 2 mm, die
Flächen der Elektroden betragen jeweils etwa 0,5 bis 5 cm2. Der Festelektrolyt überragt
hierbei die Elektroden um wenigstens 1 mm.
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Die rohrförmigen Festelektrolyte haben einen Außendurchmesser von
etwa 5 bis 25 mm bei einer Wandstärke von etwa 0,5 bis 2 mm.
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Die Länge beträgt etwa 20 bis 200 mm. Der radiale Abstand zwischen
Elektrode und Gehäuse beträgt etwa 0,5 bis 10 mm, die Fläche einer Elektrode ist
etwa 0,5 bis 10 cm2.
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Die Räume 18,34,134,156, durch welche Gas für die Messung geführt
wird, sollen ein möglichst kleines Volumen aufweisen.
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Hierdurch erfolgt der Gaswechsel sehr rasch und Veränderungen in der
Zusammensetzung des Meßgases werden schnell angezeigt (geringe Totzeit).
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Dividierer, wie sie in vorliegender Patentanmeldung für die Quotientenbildung
aus den Signalen Verwendung finden, sind in der Elektronik bekannt und zum Beispiel
beschrieben in dem Buch "Elektronik", zweiter Teil: Industrieelektronik, bearbeitet
von Gewerbelehrern und Ingenieuren, dritte Auflage, Verlag
Europa-Lehrmittel,
5600 Wuppertal 2, kleiner Werth 50. Es wird hierzu insbesondere auf die Seite 171
verwiesen.
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In demselben Buch sind auch Signalspeicher beschrieben. Es wird hierzu
insbesondere auf die Seiten 176 bis 180 hingewiesen. Auch ist DIN 44300, März 1972,
"Informationsbearbeitung" zu erwähnen. Auf Seite 14 ist dort unter der laufenden
Nummer 146 ein Puffer "Pufer"-Speicher erwähnt. Ein solcher Speicher kann bei der
erfindungsgemäßen Meßvorrichtung Verwendung finden.
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Die elektrische Gleichspannung, die für die Messung an die Elektroden
14,16 angelegt wird, beträgt etwa 0,8 bis 1,4 Volt.
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Die elektrochemische Meßzelle muß wenigstens in dem Bereich, in welchem
gemessen wird, eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Sauerstoffgehalt und dem abgegebenen
Signal aufweisen.
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Zu bemerken ist noch, daß es sich bei der Messung mit Hilfe der vorgenannten
Gleichspannung von 0,8 bis 1,4 Volt um die Erfassung des molekularen Sauerstoffs
handelt.