DE3118447C2

DE3118447C2 - Sauerstoffmeßsonde, insbesondere zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre

Info

Publication number: DE3118447C2
Application number: DE19813118447
Authority: DE
Inventors: Alwin 7321 Wangen Denzer
Original assignee: Process-Electronic Analyse- und Regelgeraete 7321 Wangen De GmbH
Current assignee: Process-Electronic Analyse- und Regelgeraete 7321 Wangen De GmbH
Priority date: 1981-05-09
Filing date: 1981-05-09
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE3118447A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Sauerstoffmeßsonde, !5 insbesondere zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, mit einem sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten in Form eines einseitig geschlossenen Rohres, an dessen geschlossenem Ende sich eine Innenelektrode und eine Außenelektrode gegenüberliegen, die über Leitungen mit einer Einrichtung zum Erfassen der von dem unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck eines das Rohr außen beaufschlagenden Meßgases und eines das Rohr innen beaufschlagenden Referen7gases abhängigen Referenzspannung verbunden sind, wobei das Rohr mit einem Schutzrohr mit Abstand umgeben ist, das mit Eintrittsöffnungen für das Me9gas versehen ist.

Bei derartigen Meßsonden, die auch in stark kohlenstoffhaltigen Atmosphären eingesetzt werden, beispielsweise in Aufkohlungseinrichtungen, sind die Elektroden üblicherweise als eine dünne Schicht aus Edelmetall innen und außen auf das Rohr des Festkörperelektrolyten aufgebracht und über vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehende Drähte an die Einrichtung zum Erfassen der Referenzspannung angeschlossen. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Platinschicht der Außenelektrode verhältnismäßig stark mit Kohlenstoff chemisch reagiert, so daß die Außenelektrode von der kohlenstoffhaltigen Atmo-Sphäre angegriffen und teilweise Dcschädigt wird, was mit Meßungenauigkeiten oder Meßwertverfälschungen verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Sauerstoffmeßsonde der eingangs genannten Art so zu gestallen, daß ihre Lebensdauer wesentlich erhöht wird, auch wenn sie in einer stark kohlestoffhaltigen Atmosphäre eingesetzt wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Außenelektrode ein Metallklotz dient, gegen den das geschlossene Ende des Rohres verspannt ist.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß eine

größere Außenelektrode zur Verfugung gestellt wird, durch die die Abtragezeit verlängert wird. Damit läßt sich die Lebensdauer der Sauerstoffmeßsonde wesentlieh erhöhen.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird

vorgesehen, daß das Rohr mit einer Feder in Richtung auf eine Stirnwand des Schutzrohres belastet ist, wobei die Außenelektrode zwischen der Stirnwand des Schutzrohres und dem geschlossenen Ende des Rohres angeordnet ist, Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß sich das Rohr selbsttätig zu der Elektrode nachstellt.

während gleichzeitig ein genügender Kontaktdruck gewährleistet ist, so daß eine sichere Kontaktgabe zwischen dem Rohr und der Elektrode gegeben ist.

Es hat sich auch gezeigt, daß die Rücklcitung der Außenelektrode, die üblicherweise aus einem Platindraht besteht, gegen Beschädigen durch die kohlenstoff-

haltige Atmosphäre anfallig ist, insbesondere in dem kühleren Bereich der Sauerstoffmeßsonde. In diesem kühleren Bereich, der eine Temperatur von weniger als 650⁰C hat, fällt Kohlenstoff aus, der stark mit dem Platin reagiert, so daß die Gefahr besteht, daß der Platindraht bricht. Um diese Gefahr zu reduzieren, wird in vorteilhafter ,Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Schutzrohr aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, insbesondere aus hitzebeständigem Stahl, und als Rückleitung für die Außenelektrode dient

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist als Außenelektrode eine Ronde vorgesehen, die mit einem Zapfen in eine in Verlängerung der Achse des Rohres in der Stirnwand des Schutzrohres befindliche Aussparung eingesetzt ist und die eine an dem balligen Ende des Rohres anliegende, konkav gewölbte Kontaktfläche besitzt Diese Ronde besitzt ein großes Volumen, durch das die Lebensdauer der Sauerstoffmeßzelle deutlich verlängert wird. Durch die besondere Ausbildung ist dabei ständig eine gute Koniäktgabe gewährleistet

Für die Außenelektrode werden bevorzugt F.'elmetalle eingesetzt Da sie als ein großvoiumiges Verschleißteil ausgebildet wird, ist es auch denkbar, daß Eisen für die Außenelektrode verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn die Außenelektrode aus Ruthenium hergestellt ist Dieses Ruthenium reagiert verhältnismäßig weniger mit Kohlenstoff als Platin.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Stirnwand des Schutzrohres mit Eintrittsöffnungen für das Meßgas versehen ist, die durch einen Filter abgedeckt sind. Dadurch wird ein Schutz gegen feste Partikel erzielt, die in dem Meßgas enthaltend sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stirnwand in das mit einem Gewinde versehene Schutzrohr eingeschraubt ist und eine Baueinheit mit der Außenelektrode und dem Filter bildet. Diese Baueinheit erlaubt es, die Außenelektrode einfach auszutauschen.

Um eine Abijgerung von Kohlenstoff in Form von Ruß od. dgl. in dem kühleren Bereich des Rohres zu behindern, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß in Abstand zu dem geschlossenen Ende des Rohres zwischen diesem und dem Schutzrohr ein zweiter Filter angebracht ist

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Rohr im Bereich seines offenen Endes mit einem aufgeklebten, im wesentlichen zylindrischen Gleitstück versehen ist, mit dem es gleitend in einem Halter geführt ist, der mit einem zu dem Rohr koaxialen Außengewinde versehen ist, auf das eine Kappe aufgeschraubt ist, die eine Druckfeder gegen einen Ringbund des Gleitstücks verspannt. Dieses Gleitstück erlaubt zum einen eine gut abdichtbare Gleitführung, die die Ausdehnungsmöglichkeit des Rohres nicht behindert Darüber hinaus erlaubt diese Ausbildung eine einfache und dennoch sichere Unterbringung der Druckfeder, die den Kontaktdruck zwischen dem Rohr und der Außenelektrode sicherstellt Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn das Gleitstück die Kappe nach außen überragt und in dem Halter verdrehbar ist. Das nach außen ragende Ende des Gleitstücks kann dann von Hand oder mittels eines Werkzeuges ergriffen und bei einem Wartungsvorgang verdreht werden, so daß durch dieses Verdrehen eventuell im Bereich der Außenelektrode entstandene Ablagerungen mechanisch abgelöst werden könren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß zwischen! dem Ringbund und dem Halter ein bei einem Überweg des Ringbundes ansprechender Kontakt angeordnet ist Ein derartiger Oberweg tritt nur dann auf, wenn der als Rohr ausgebildete Festkörperelektrolyt bricht Ober diesen Kontakt kann dann ein Alarm ausgelöst werden, der eine Störung der Sauerstoffmeßsonde anzeigt Im folgenden wird die Erfindung anhand der Fig. 1

näher erläutert

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Meßsonde und

F i g. 2 eine Ansicht auf die Stirnwand der Meßsonde der F i g. 1 in Richtung des Pfeiles II.

Die dargestellte Sauerstoffmeßsonde besitzt einen sauerstoffionenleitenden Festkörperelektrolyten, der in ■ler Form eines dünnen, einseitig geschlossenen Rohres 1 ausgebildet ist. Auf den Bereich des offenen Endes dieses Rohres 1 ist ein Gleitstück 10 aufgeklebt, mit

welchem das Rohr 1 in einem Halter 9 gleitend geführt ist. Das Gleitstück 10 und der Halter ° bestehen aus einem korrosionsfesten Material, beispHsweise Messing und bevorzugt V4A-Stahl. Zur Abdichtung ist ein mit der Außenfläche des Gleitstücks 10 zusammenwirkender O-Ring 11 in eine Nut des Halters 9 eingelassen. In das dem geschlossenen Ende des Rohres 1 zugekehrte Ende des Halters 9, das mit einem Innengewinde versehen ist, ist ein mit einem Außengewinde versehenes Schutzrohr 2 eingeschraubt, das das Rohr 1 mit Abstand konzentrisch umgibt Das Schutzrohr 2 ist an seinem freien Ende durch eine Stirnwand 4 verschlossen, die mit Eintrittsöffnungen 5 für ein Meßgas versehen ist, die parallel zur Achse des Schutzrohres 2 und des Rohres 1 gerichtet sind. An dem geschlossenen Ende des Rohres 1, das eine ballige Kontur hat, liegt mit einer konkaven Kontaktfläche eine Außenelektrode 3 an, die als eine Ronde ausgebildet ist, die mit einem Zapfen in eine in Verlängerung der Achse des Rohres 1 liegende Aussparung der Stirnwand

eingesetzt ist Die Stirnwand 4 ist als ein gesondertes Bauteil ausgebildet, das mit einem Außengewinde versehen und in ein Innengewinde des Schutzrohres 2 eingeschraubt ist. Die Eintrittsöffnungen 5 für das Meßgas werden von einem Filter 6 abgedeckt der die

^4:1 Außenelektrode 3 umgibt Der Durchmesser der Außenelektrode 3 beträgt etwa '/3 bis ¹Z* des Durchmessers des Rohres 1.

Das ballige Ende des Rohres 1 wird mittels einer Feder 13 gegen die Außenelektrode 3 angedrückt. Die

^D° Feder 3 stützt sich gegen einen außerhalb des Halters 9 befindlichen Ringbund 14 des Gleitstücks 10 und eine Schulter einer Kappe i2 ab, die auf ein zur Achse des Rohres 1 koaxiales Außengewinde 15 des Halters 9 aufgeschraubt ist. Die Druckfeder 13 bewirkt zum einen

eine·] sictieren Kontaktdruck zwischen dem Rohr 1 und der Außenelektrode. Zum anderen erlaubt sie da? Auffangen von temperaturabhängigen Längenausdehnungen des Rohres 1.

In nicht näher dargestellter Weise kann zwischen dem

Ringbund 14 und dem Ende des mit dem Außengewinde 15 versehenen Ansatzes des Halters 9 ein Kontakt angeordnet werden, der bei einem Überweg des Ringbundes 14 anspricht, d. h. einem Überweg der nur bei einem Bruch des Rohres 1 möglich ist. Dieser

^bl Kontakt kann dann zu einer Alarmgabe herangezogen werden, die ,.nzc-igt, daP die Sauerstoffmcßsonde durch Bruch des Festkörperelektrolyten gestört ist. Das sich mit einem Absatz gegen das offene Ende des

Rohres I abstützende Gleitstück IO ragt mit seinem Lnde 19 nach außen über die Kappe 12 vor. Dieses Ende 19 ist als ein Rändelrand oder eine Werkzeugangriffsfläche, beispielsweise ein .Sechskant, ausgebildet, so daß das drehbar in dem f lalter 9 gehaltene Rohr gegenüber dem Schutzrohr 2 und vor allem gegenüber der Außenelektrode 3 hin und her gedreht werden kann. Durch eine derartige Maßnahme kann bei einem normalen Wartungs- oder Inspektionsvorgang ein mechanisches Ablösen von eventuell an der Kontaktstelle der Außenelektrode 3 zu dem Rohr 1 vorhandenen Ablagerungen cr/ielt werden.

Das Rohr 1 ist in nicht naher dargestellter Weise mit einer vorzugsweise als Platinschicht ausgebildtten Innenelektrode an seinem geschlossenen Ende versehen, die über einen Platindraht mit einer Einrichtung zum Erfassen einer Referenzspannung zwischen der Außenelektrode 3 und der Innenelektrode verbunden ist. Über das offene Ende des Rohres 1 strömt in das Rohr i ein Referenzgas, vorzugsweise Luft, das einen definierten Sauerstoffgehalt aufweist. In dem Rohr I befindet sich ferner noch ein Thermoelement 8, mit welchem die Temperatur in dem Bereich des geschlossenen Endes des Rohres I überwacht wird, d. h. dem Bereich der Mcßstelle.

Zwischen der nicht dargestellten Innenelektrode und der Außenelektrode wird in bekannter Weise eine Referenzspannung gemessen, wozu eine Rückleitung für die Außenelektrode 3 vorgesehen ist. Bei dem einzusetzen.

Wenn ein Schutzrohr 2 aus einem nicht leitender Material Verwendung findet, beispielsweise aus Keramik, so kann an der Innenwandung ein leitender Stab beispielsweise ein Platinstab angebracht werden, der mit der Stirnwand 4 oder direkt mit der Elektrode 3 in Verbindung steht.

In Abstand zu dem geschlossenen Ende des Rohres ist ein zweiter Filter 7 /wischen dem Schutzrohr 2 und dem Rohr I vorgesehen, der an dem Schutzrohr 2 befestigt ist und der möglichst dicht an das Rohr 1 anschließt, ohne jedoch dessen Gleitbewegung zu behindern. Dme diesen Filier 7 wird der eigentliche Meßraum im Bereich des geschlossenen Indes des Rohres von dem dahinterliegendci; und in der Regel eine geringere Temperatur aufweisenden Bereich abgetrennt, was zu dem Vorteil führt, daß eine Ablagerung von Ruß od. del. in diesem Bereich verringert werden kann. Fs wird damit ein Gasaus tausch zu dem ktihieren fiereich der Meßsonde vermindert.

Der Halter 9 führt in einen Schaltkasten 16. an welchem er mittels eines Flansches befestigt ist. In diesem Schaltkasten 16 befinden sich die elektrischen Anschlüsse sowie ein Anschluß 18 für die Zufuhr des Referenzgases, insbesondere Luft

Durch die Verwendung einer relativ großvolumigen Außenelektrode 3 wird erreicht, daß die Abiragezeit, die insbesondere in einer stark kohlenstoffhaltigen Atmo-

dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Rücklei- Jo Sphäre durch den Kohlenstoff gegeben ist, verlängert

tung dadurch erhalten, daß das Schutzrohr 2 aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere einem hitzebeständigen Stahl, ebenso wie die Stirnwand 4 hergestellt ist. so daß eine elektrische Verbindung wird. Damit wird die Lebensdauer der Meßsonde erhöht. Bevorzug¹ wird für die Außenelektrode 3 ein Edelmetall verwendet, insbesondere Ruthenium. Es ist jedoch auch denkbar, daß die Außenelektrode 3 au*

zwischen der Außenelektrode 3 und dem Schutzrohr 1 J5 Eisen hergestellt wird. In diesem Falle wäre es möglich.

■ind dem Halter 9 besteht. Dieser Halter 9, der mit einem Außengewinde 17 in eine Wand eines Ofens od. dgl. eingeschraubt ist. kann an Masse liegen. Es ist auch möglich, den Halter 9 isolierend in den Ofen od. dgl.

die Außenelektrode 3 einteilig mit der Stirnwand 4 auszubilden, d. h. die Stirnwand 4 mit einem Ansatz entsprechend der Ausbildung der Außenelektrode 3 der Fi g. I zu versehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sauerstoffmeßsonde, insbesondere zum Erfassen des Sauerstoffgehaltes eines kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, mit einem sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten in Form eines einseitig geschlossenen Rohres, an dessen geschlossenem Ende sich eine Innenelektrode und eine Außenelektrode gegenüberliegen, die über Leitungen mit einer Einrichtung zum Erfassen der von dem unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck eines das Rohr außen beaufschlagenden Meßgases und eines das Rohr innen beaufschlagenden Referenzgases abhängigen Referenzspannung verbunden sind, wobei das Rohr mit einem Schutzrohr mit Abstand umgeben ist, das mit Eintrittsöffnungen für das Meßgas versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Außenelektrode (3) ein Metallklotz dient, gegen den das geschlossene Ende des Rohres (1) verspannt ist.

2. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (I) mit einer Feder (13) in Richtung auf eine Stirnwand (4) des Schutzrohres (2) belastet ist, wobei die Außenelektrode (3) zwischen der Stirnwand (4) des Schutzrohres (2) und dem geschlossenen Ende des Rohres (1) angeordnet ist

3. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (2) aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, insbesondere Stahl, und als Rückleitung für die Außenelektrode (3) dient.

4. Sauerstoffmeßsr.nde ηε.·5ι wenigstens einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Außenelektrode (3) eine Ron-Ie vorgesehen ist, die mit einem Zapfen in eine in Verlängerung der Achse des Rohres (1) in der Stirnwand (4) des Schutzrohres (2) befindliche Aussparung eingesetzt ist und die eine an dem balligen Ende des Rohres (1) anliegende, konkave gewölbte Kontaktfläche besitzt.

5. Sauerstoffmeßsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode (3) aus Ruthenium hergestellt ist.

6. Sauerstoffmeßsonde nach wenigstens einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (5) des Schutzrohres (2) mit Eintrittsöffnungen (5) für das Meßgas versehen ist, die durch einen Filter (6) abgedeckt sind.

7. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand (4) in das mit einem Gewinde versehene Schutzrohr (2) eingeschraubt ist und eine Baueinheit mit der Außenelektrode (3) und dem Filter (6) bildet.

8. Sauerstoffmeßsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Abstand zu dem geschlossenen Ende des Rohres (1) zwischen diesem und dem Schutzrohr (2) ein zweiter Filter (7) angebracht ist.

9. Sauerstoffmeßsonde nach wenigstens einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) im Bereich seines offenen Endes mit einem aufgeklebten, im wesentlichen zylindrischen Gleitstück (10) versehen ist, mit dem es gleitend in einem Halter (9) geführt ist, der mit einem zu dem Rohr (1) koaxialen Außengewinde (15) versehen ist, auf das eine Kappe (12) aufgeschraubt ist. die eine Druckfeder (13) gegen einen Ringbund (14) des Gleitstücks (10) verspannt.

,· 10. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitstück (10) die Kappe (12) nach außen überragt und in dem Halter (9) verdrehbar gehalten ist.

11. Sauerstoffmeßsonde nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ringbund (14) und dem Halter (9) ein bei einem Oberweg des Ringbundes (14) ansprechender Kontakt angeordnet ist.