DE3118522C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funk­ tionsfähigkeit einer Sauerstoffmeßsonde, die einen sauerstoff­ ionenleitenden Festkörperelektrolyten enthält, der auf einer Seite mit Meßgas und auf der anderen Seite mit einem Referenz­ gas beaufschlagt wird und der auf jeder Seite mit jeweils ei­ ner Elektrode versehen ist, die an eine Einrichtung zum Erfas­ sen der Referenzspannung angeschlossen ist, die mit einer Aus­ werteschaltung verbunden ist.

Es sind Sauerstoffmeßsonden bekannt, die einen Festkörperelek­ trolyten aus Zirkoniumdioxid enthalten, der als ein einseitig geschlossenes Rohr ausgebildet ist, das im Bereich des ge­ schlossenen Endes mit einer Innenelektrode und einer Außen­ elektrode versehen ist. Das Innere des rohrförmigen Festkörper­ elektrolyten wird mit einem Referenzgas beaufschlagt, vorzugs­ weise Luft, das einen konstanten Sauerstoffanteil enthält. Die Außenseite wird mit einem Meßgas beaufschlagt, dessen Sauer­ stoffgehalt zu messen ist. Dies ist möglich, da in dem Fest­ körperelektrolyten eine von den unterschiedlichen Sauerstoff­ partialdrücken des Meßgases und des Referenzgases abhängige Spannung entsteht. Derartige Sauerstoffmeßsonden werden einge­ setzt, um beispielsweise den Verbrennungsvorgang eines Brenners abhängig von dem Sauerstoffgehalt im Rauchgas zu optimieren. Sie können auch bei anderen Anlagen eingesetzt werden, bei­ spielsweise bei Aufkohlungsanlagen, bei der der Sauerstoffge­ halt einer in der Anlage vorhandenen Atmosphäre eine Kenngröße für die Zusammensetzung der Atmosphäre ist. Diese Sauerstoff­ sonden haben den Vorteil, daß sie sehr schnell ansprechen, so daß eine sehr schnelle und exakte Regelung möglich ist.

Die Atmosphäre, in welchen die Sauerstoffmeßsonden zum Einsatz kommen, sind teilweise aggressiv, so daß sie zu Beschädigungen der Außenelektrode führen können. Zum anderen enthalten diese Atmosphären Partikel, insbesondere Ruß, die sich auf der Sauer­ stoffmeßsonde ablagern können. Beide Vorgänge beeinflussen die Funktion der Sauerstoffmeßsonde. Es ist deshalb wünschenswert, die Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde zu überwachen, um davon abhängig gegebenenfalls einen Wartungsvorgang auszu­ lösen. Es ist bekannt, die Sauerstoffmeßsonde dadurch zu über­ prüfen, daß der ohmsche Widerstand zwischen den Elektroden ge­ messen und mit dem Wert einer neuen Sauerstoffmeßsonde vergli­ chen wird. Wenn der bei der neuen Sauerstoffmeßsonde vorhandene Wert überschritten wid, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Sauerstoffmeßsonde nicht mehr in einem ordnungsgemäßen Zustand ist. Diese Art der Überprüfung ist jedoch sehr ungenau, vor allem da ein Wert der Überprüfung zugrundegelegt wird, der bei der tatsächlichen Funktion der Sauerstoffmeßsonde nur eine un­ tergeordnete Rolle spielt. Es ist deshalb kaum möglich, eine qualitative Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Sauerstoff­ meßsonde vorzunehmen, d. h. ob die in ihrem ohmschen Widerstand nicht mehr der neuen Sauerstoffmeßsonde entsprechende Sauer­ stoffmeßsonde zur Erfüllung der von ihr geforderten Funktion noch ausreicht oder nicht.

Es ist auch bekannt (US-PS 42 25 559) die Qualität von Sauer­ stoffmeßsonden mit Elektroden aus unterschiedlichen Werkstoffen dadurch zu vergleichen, daß die Zusammensetzung des Meßgases in vorgegebener Weise verändert und die Reaktionszeit der Sauer­ stoffmeßsonden auf diese Veränderung gemessen wird. Es wäre für die Praxis wenig geeignet, ein derartiges Vergleichsverfahren anzuwenden, um eine in eine Anlage eingebaute Sauerstoffmeß­ sonde auf ihre Funktionsfähigkeit zu überprüfen. In diesem Fall müßte zum Vergleich der Reaktionszeit auf eine Änderung der Zu­ sammensetzung des Meßgases zwischen der Meßsonde im ursprüngli­ chen Zustand und der Meßsonden nach einer gewissen Einsatzzeit die Meßgaszusammensetzung in definierter Weise geändert werden. Sofern eine derartige Änderung der Meßgaszusammensetzung in ei­ ner Anlage überhaupt möglich ist, wäre dies zwangsläufig mit einer Betriebsstörung verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Sauerstoffmeßsonde zu schaffen, bei welchem ein für ihre Funktion wesentlicher Wert geprüft wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in vorgegebenen Zeitabständen die Sauerstoffmeßsonde durch Kurz­ schließen der Elektroden auf Null gesetzt wird, wonach nach Aufheben des Kurzschlusses der Anstieg der Referenzspannung erfaßt und mit einem abgespeicherten Wert verglichen wird, wobei bei Zurückbleiben des Anstiegs der Referenzspannung um ein vorgegebenes Verhältnis gegenüber dem abgespeicherten Wert ein Signal gesetzt wird.

Durch diese Überprüfung wird nicht nur die Höhe der von der Sauerstoffmeßsonde abgegebenen Referenzspannung überwacht, sondern auch der bei Regelungsvorgängen wesentliche Zeitfaktor, so daß eine sehr exakte Aussage über die Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde erhalten wird. Das Verhältnis, in welchem der Anstieg gegenüber dem abgespeicherten Wert zurückbleiben darf, wird von der gewünschten Regelgenauigkeit abhängig ge­ wählt. Ein Signal wird nur dann gesetzt, wenn die Sauerstoff­ meßsonde nicht mehr in der Lage ist, die für ihre Regelaufgabe gewünschte Funktion zu erfüllen.

Um in einfacher Weise den Anstieg der Referenzspannung erfassen zu können, wird in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vor­ gesehen, daß die nach einer vorgegebenen Zeit nach Aufheben des Kurzschlusses erreichte Referenzspannung mit einem vorgegebenen Prozentsatz des abgespeicherten Wertes der Referenzspannung einer neuen Sauerstoffmeßsonde verglichen wird.

In der Zeichnung ist ein Diagramm dargestellt, an welchem das Verfahren noch einmal erläutert wird.

Die Elektroden des Festkörperelektrolyten, beispielsweise aus Zirkoniumdioxid, sind an eine Einrichtung zum Erfassen der Referenzspannung angeschlossen, die ihrerseits an eine Aus­ werteschaltung angeschlossen ist, die einen Rechner enthält. An dem Festkörperelektrolyten wird eine mV-Spannung erfaßt, die bei einer neuen Sauerstoffmeßsonde nach einer vorgegebenen Zeit x den Wert von 100%, abhängig von dem jeweils vorhandenen Unterschied in dem Sauerstoffpartialdruck des Referenzgases und des Meßgases erreicht. Der Verlauf des Anstieges auf die 100% ist in der Kurve 1 des beigefügten Diagramms dargestellt. Nach einer gewissen Betriebszeit und einer damit verbundenen Al­ terung der Sauerstoffmeßsonde oder abhängig von Ablagerungen auf der Sauerstoffmeßsonde wird ein flacherer Anstieg der Referenzspannung erhalten und gegebenenfalls auch nicht mehr die 100% erreicht. Dieser Anstieg kann in gewissen Zeitinter­ vallen dadurch gemessen werden, daß die Elektroden der Sauer­ stoffmeßsonde kurzgeschlossen werden, so daß diese zunächst auf Null gesetzt werden. Nach Aufheben des Kurzschlusses er­ folgt ein neuer Anstieg. Abhängig von der gewünschten Regel­ funktion kann zugelassen werden, daß die Referenzspannung flacher ansteigt und auch die 100% nicht ganz erreicht. Ab­ hängig von der gewünschten Regelfunktion ergibt sich somit ein Grenzwert, bis zu welchem die Sauerstoffmeßsonde noch für die Regelung brauchbar ist. Dieser Grenzwert kann beispielsweise so festgelegt werden, daß er durch eine vorgegebene Zeit x und ein vorgegebenes Verhältnis, in dem Diagramm beispielsweise 75%, der gemessenen Referenzspannung gekennzeichnet wird. Er­ reicht die Referenzspannung innerhalb der vorgegebenen Zeit x nach einem Kurzschließen nicht den gewählten Prozentsatz der Referenzspannung, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde nicht mehr voll ge­ geben ist. Dieser Fall ist mit der Kurve (2) dargestellt. Um aus­ gehend von diesen Überlegungen die Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde zu überprüfen, wird deshalb vorgesehen, daß die Sauerstoffmeßsonde durch Kurzschließen der Elektroden in vorbestimmten Zeitintervallen zu Null gesetzt wird, wonach der Anstieg der Referenzspannung gemessen wird, d. h. der innerhalb der Zeit x erreichte Wert der Referenzspannung. Erreicht dieser nicht innerhalb der Zeit x das vorgewählte Verhältnis, bei­ spielsweise 75%, so wird ein Signal gesetzt, das die mangelnde Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde anzeigt. Dabei ist es nicht nötig, daß das Signal die Anlage, die durch die Sauer­ stoffmeßsonde geregelt wird, außer Funktion setzt, da diese ja trotz der mangelnden Funktionsfähigkeit der Sauerstoffmeßsonde unter einwandfreien Bedingungen arbeiten kann. Es reicht deshalb aus, wenn das gesetzte Signal anzeigt, daß eine Überprüfung oder Wartung der Sauerstoffmeßsonde notwendig ist.

Claims (2)

1. Verfahren zum Überwachen der Funktionsfähigkeit einer Sauer­ stoffmeßsonde, die einen sauerstoffionenleitenden Festkörper­ elektrolyten enthält, der auf einer Seite mit Meßgas und auf der anderen Seite mit einem Referenzgas beaufschlagt wird und der auf jeder Seite mit jeweils einer Elektrode versehen ist, die an eine Einrichtung zum Erfassen der Referenzspan­ nung angeschlossen ist, die mit einer Auswerteschaltung ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenen Zeit­ abständen die Sauerstoffmeßsonde durch Kurzschließen der Elektroden auf Null gesetzt wird, wonach nach Aufheben des Kurzschlusses der Anstieg der Referenzspannung erfaßt und mit einem abgespeicherten Wert verglichen wird, wobei bei Zurückbleiben des Anstiegs der Referenzspannung um ein vor­ gegebenes Verhältnis gegenüber dem abgespeicherten Wert ein Signal gesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach einer vorgegebenen Zeit nach Aufheben des Kurz­ schlusses erreichte Referenzspannung mit einem vorgegebenen Prozentsatz des abge­ speicherten Wertes der Referenzspannung verglichen wird.