DE3323241A1

DE3323241A1 - Sauerstoffsonde mit keramikgeschuetzter gaselektrode

Info

Publication number: DE3323241A1
Application number: DE19833323241
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl Phys Koertvelyessy
Original assignee: Individual
Current assignee: Thermo-Control Koertvelyessy 4190 Kleve De GmbH
Priority date: 1983-06-28
Filing date: 1983-06-28
Publication date: 1985-01-03
Anticipated expiration: 2003-06-29
Also published as: DE3323241C3; DE3323241C2

Description

Sauerstoffsonde mit keramikgeschützter Elektrode
Zweck der Erfindung ist die Lebensdauer der Sauerstoffsonden zu verlängern, damit man den Sauerstoff für die Wärmebehandlung von Metallen und für die Energieersparnis bei den Verbrennungen zuverlässig messen kann.
Stand der Technik sind Sauerstoffsonden,die schon nach einem kurzen Betrieb von nur einigen Tagen ihre snzeige, ihren Widerstand ändern und nach einigen Monaten ausfallen.
Die Ursachen werden hier vielleicht erstenmal vollständig aufgezählt.
1. In Abgaskaminen, in Aufkohlungsöfen, Schmiedeöfen und in anderen Einrichtungen, in denen Sauerstoff das wichtigste Prozessgas ist, fließt nicht nur das Gas mit einer Geschwindigkeit von 2-50 m/s, sondern fliegen auch mitgerissene Staubkörnchen, Rostpartikeln und Rußflocken mit dieser Geschwindigkeit. Sie bombadieren - wie in einer Sandstrahlanlage - ständig die Edelmetall-Gaselektrode, die die Sondenspannung von der Festkörperelektrolyt (meist von einem Zirkoniumoxid-Rohr) von der Gasseite abtastet.
Die Erfahrung des Erfinders zeigt, daß die Hälfte von vielen bekannten Gas elektro den dadurch schon nach einigen Monaten verlorengeht. Oft entsteht so eine elektrische Unterbrechung und die Sonde fällt aus, obwohl die andere Elektrode (in Referenzluft) noch viele Jahre lang hielte.
2. Die Berührung von Rußflocken und anderen weichen Körnchen verursacht eine Korrosion. Es kann sein, daß ein Körnchen nicht auf der ersten Berührung in die Gaselektrode hineinschmilzt,aber die Umwälzung bringt es immer erneut auf die Elektrode so, daß es unter etwas anderen Umständen einmal doch hineinschmilzt oder eine andere Korrosion verursacht.
3. Selbst einige Gase sind für die Elektrode schädlich.
Je öfter ein z.B. Schwefeldioxid-Molekül an die Gaselektrode fließt, umso größer ist die Korrosion.
Die Idee der Erfindung liegt in der Erkenntnis, daß diese schädlichen Bestandteile des Prozessgases meist schwerer sind, als die unschädlichen (z.B.Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff.).
Wennianalso die Elektrode mit einer dichten Keramikwand wenigstens um 1800 umgibt, werden diese schwereren (z.B. Kohlenwasserstoff) Molekülen und natürlich auch die z.B. Quarz-und Korundkörnchen durch die Zentrifugalkraft von der Elektrode stärker abgelenkt, als die unschädlichen Gase.Diese schädlichen Moleküle sind glücklicherweise in der Praxis umso seltener,je höher ihr Molekulargewicht liegt. Noch besser ist es, mehrere Keramikwände hintereinander anzuordnen und damit die Wahrscheinlichkeit eines Antreffens von einem z.B.Eisenkörnchen auf die Gaselektrode noch geringer zu machen.
Man kann die Gaselektrode mit einer Keramik-Halbschale auch um 3600 umgeben, aber nur in einer Ebene, und die Gaselektrode in diesem Hohlraum nur für die Gasströmungen zugänglich machen, die nicht in dieser ebene fließen.
Da so ein relativ großes Loch - die Halbschalenöffnung -entsteht,

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dieser Schutz nur wirksam, wenn das Zirkonoxidrohr erfindungsgemäß selbst dieses Loch schließt.
Die elektrische Ableitung der Gaselektrode in ihrer Nähe liegt deswegen auf der Gegenseite des Loches (in Fig.1.
in der Drehachse, nach hinten führend). In anderen Bereichen kann diese Leitang gewöhnlich geschützt werden.
Um die leichten korrosiven Gase auch noch unwirksam zu machen, wird das Metall der Gaselektrode erfindungsgemäß in die Mikro-Hohlräume einer Keramikmatrix gegossen.
Dadurch werden die Metallteile der Gaselektrode von einer Keramikmatrix umgeben, die die Zuströmung des Gases zur Elektrodenmetall immer noch ermöglichten, aber im Mikrobereich vielmal ablenkten.
Fig.1 veranschaulicht die Erfindung.
Diese Schnittzeichnung zeigt senkrecht auf die Zirkonoxidrohrachse drei möglichen Ausführungen für die Ablenkung der schädlichen Bestandsteile aus dem Prozessgases.
Eine Ablenkung erwirkt eine Halbschale,deren Keramikwand (2) den Hohlraum(3) in 3600 voll umgibt.Das Zirkonoxidrohr sitzt in der Halbschale (2-3) wie in einem Nest.
Sie schützt die Gaselektrode (1) - in Fig.1 von hinten und das Zirkonoxidrohr ( in Fig.1. von vorne).
Die Halbschale (2-3) und das Zirkonoxidrohr lassen das Gas nicht auf die volle Oberfläche der Gaselektrode(1) fließen, nur am Rande (8). Die Pestliche,geringe Korrosion entsteht also nur dort, wo die Berührung der Gaselektrode (1) mit dem Prozessgas unbedingt erforderlich ist.Die unwirksamen mittleren Teilen der Gaselektrode (i) bleiben völlig ohne KOrrosion.
Eine andere Ablenkung bildet das erfindungsgemäß gebohrte Schutzrohr (4) selbst. Eine Zuströmung von oben (Pfeile) wird in 1800 verhindert. Schwere Körnchen können also nicht durch die drei Löcher (5) auf die Gaselektrode prallen.
6 (in Fig.1 ist nur als Punkt wahrzunehmen) ist die gemeinsame Drehachse der Halbschale(2-3), des Schutzrohres(4) des Zirkonoxidrohres und der elektrischen Ableitung (nach hinten).
Eine starke Ablenkung in Mikroströmungsbereich liefert die Keramikmatrix, aus deren Poren das eingegossene Elektrodenmetall(7) hier als kleine Punkten zu erkennen ist.
Vorteile der Erfindung sind; 1. Lange Lebensdauer 2. Reproduzierbare Anzeige für viele Jahre.
3. Beliebiges Elektrodenmetall ist verwendbar.
Es braucht nicht druckbeständig zu sein. So kann eine katalytische Sondenspannungserhöhung in solchen Prozessgasen vermieden werden, die nicht im Gleichgewicht sind.
4. Hohe Temperaturgrenze.
5. Einfache Konstruktion, die eine dünne Sonde, also eine thermisch schnelle Reaktion ermöglicht.Diese Sonde ist dünner, als viele Thermoelemente.
6. Keine Verrußung der Sonde.
7. Kein Zusätzen der Sondenöffnungen durch die Abdeckpaste.
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Claims

Patentansprüche 1. Sauerstoffsonde, bestehend im wesentlichen aus einer Festkörper-Elektrolyt mit zwei Elektroden,einer davon in dem zu messenden Medium - als Gaselektrode(1) genannt - dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine gasdichte Keramikwand (z.B. 4) wenigstens etwa 1800 diese Gaselektrode (1) umgibt 2. Sauerstoffsonde im Patentanspruch 1 definiert, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Keramikwand aus dem Schutzrohr(4) durch Bohrungen(5) nur an einer Seite gebildet wird, optimalerweise durch 3 Bohrungen in je 900-Winkelabstand 3. Sauerstoffsonde mit der Kombination der oberen Patentansprüchen definiert dadurch gekennzeichnet, daß die Gaselektrode (1) in einen Keramikkörper (2) gebaut ist,der in einer Ebene die Gaselektrode um 360 0umgibt, aber er in seinem Hohlraum (3)die Gaselektrode indirekt der Gasströmung zugänglich machen kann,die im Betrieb nicht in der erwähnten Ebene fließt 4. Sauerstoffsonde mit der Kombination der oberen Patentansprüchen definiert dadurch gekennzeichnet, daß das Metall(7)der Gaselektrode(1) in den Mikro-Hohlräumen einer Keramikmatrix eingegossen ist, wobei die Anschlußleitung zu Gaselektrode(1) optimalerweise in ihrer Nähe parallel zur Drehachse(6) liegt.