DE3711497A1

DE3711497A1 - Messzelle zur bestimmung des sauerstoffpotentials in gasen

Info

Publication number: DE3711497A1
Application number: DE19873711497
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof Dr Ing Steinmetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-04-04
Filing date: 1987-04-04
Publication date: 1987-10-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle zur Ermittlung des freien Sauerstoffüberschusses eines Verbrennungsgases über die Messung der EMK (Elektromotorische Kraft) aufgrund von Konzentrations- bzw. Partialdruckunterschieden des Sauerstoffes an zwei Seiten eines sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten mit einem Re ferenzraum und einem Meßraum.

Zur Überwachung des Sauerstoffpotentials von Gasen für die Rege lung von Verbrennungsvorgängen werden EMK-Meßzellen eingesetzt, bei denen ein Elektrolyt mit Sauerstoffionenleitung aufgrund des Unterschiedes des chemischen Potentials an zwei seiner sich ge genüberliegenden Seiten eine EMK (Elektromotorische Kraft) lie fert, die proportional zur Differenz des Unterschiedes des chemi schen Potentials des Sauerstoffs ist. Zahlreiche verschiedene Meßtechniken und Bauformen sind entwickelt worden. Dennoch ent stehen nach wie vor, vor allem bei Messungen in heißen Verbren nungsgasen mit hoher Temperatur unerwünschte Abweichungen.

Wenn Abgas aus dem Ofenraum abgesaugt wird, um die Messung nicht bei den hohen Temperaturen im Brennraum vorzunehmen, um so die Lebensdauer der Meßeinrichtung und die Genauigkeit der Messung zu steigern, besteht die Gefahr, daß bei Anwesenheit von Sauerstoff im Brenngas sich Wasserdampf an einer Stelle kondensiert und so der Meßwert verfälscht wird. Die Vorkehrungen zur Verhinderung der Kondensation sind beachtlich. Weiterhin ist wichtig, bei die ser Art der Messung Leckagen zu verhindern. Schon kleine Fehler, die oft nicht rechtzeitig erkannt werden, können zu Verschiebun gen der Meßergebnisse führen. Ein weiterer Nachteil einer so durchgeführten Messung ist, daß sich nach Absaugung der Brenngase eine zeitliche Meßverzögerung ergibt, die durch den Weg, den das Abgas bis zum Meßort zurücklegt entsteht. Schließlich ist die Wartung und Pflege der leicht schmelzenden langen Meßleitungen beachtlich.

Diese Nachteile sind bei Messungen unmittelbar im Brennraum oder im noch heißen Teil der Abgaseinrichtung nicht gegeben. Aller dings sind die Meßeinrichtungen den rauhen Betriebsbedingungen unterworfen. Die Genauigkeit ihrer Anzeige ist indirekt von der Betriebsweise abhängig, da Schwankungen, die sich z. B. durch Öffnen der Öfen oder Feuerstellen ergeben, deutliche Abweichungen der Meßwerte hervorrufen. Bei Regelanlagen ist es daher erforder lich, die Istwerte nur nach Prüfung bestimmter Betriebsbedingun gen abzurufen und zur Regelung zu verwenden. Ein weiterer Nach teil der an den heißen Stellen eingesetzten Meßsonden ist ihre Alterungsanfälligkeit. Im Laufe der Zeit stellt man bei geson dert vorgenommenen Überprüfungen ein Driften der Sonden fest, wo durch in aller Regel ein Austausch der Sonde nötig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßzelle zu schaffen, die in der Ofenatmosphäre eines Industrieofens eingesetzt werden kann und die dargestellten Nachteile vermeidet.

Die Erfindung überwindet die genannten Schwierigkeiten vor allem bei den heißeingesetzten Sonden dadurch, daß ein Referenzraum mit einem Referenzgas beaufschlagbar ist, daß das Referenzgas weitgehend einer angestrebten Zusammensetzung des im Meßraum zu messenden Verbrennungsgases entspricht, daß die Temperaturen am Elektrolyten sowohl im Referenzraum als auch im Meßraum zusätz lich zur EMK gemessen wird und daß die Meßwerte über Anschlußlei tungen einem auswertenden Rechner zuführbar sind.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist, daß mindestens auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Kontaktflächenflächen des Elektrolyten in der Nähe der Kontaktpunkte der Thermoelemente ein gasdurchlässiger Katalysator, wie beispielsweise Platinwolle angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird ein Hüllrohr, dessen offener unterer Be reich den Meßraum bildet, ein in das Hüllrohr eingesetztes Innen rohr, das am unteren, im Meßraumende durch den festen Elektroly ten gasdicht verschlossen ist und den Referenzraum bildet, ein in das Innenrohr eingesetztes rohrförmiges Thermoelement mit Plus- und Minuspolen, daß über den Kontaktpunkt an die kontakt referenzraumseitige Fläche des Elektrolyten angeschlossen ist, ein zwischen Hüllrohr und Innenrohr zum Meßraum geführtes weite res Thermoelement mit Plus- und Minuspolen, dem über den Kontakt punkt an die meßraumseitige Kontaktfläche des Elektrolyten ange schlossen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen Hüllrohr und Innenrohr zum Meßraum geführte Kontrollgasleitung, die an ein wahlweise auf Druck und Saugen einstellbares Pumpensystem vorgesehen ist.

Erfindungsgemäß wird die gemessene EMK durch ein Rechenprogramm um den Wert korrigiert, der sich als Abweichung von der theore tischen EMK bei Temperaturunterschieden im Meßraum und im Refe renzraum ergibt, wenn Referenzgas durch die Kontrollgasleitung in das Meßvolumen eingeleitet wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Fig. 1 näher beschrieben und erläutert.

Die in den Ofenraum hineinragende Meßzelle 1 besteht aus einem Hüllrohr 2, dessen offener unterer Bereich den Meßraum 3 bildet. In das Hüllrohr 2 ist ein Innenrohr 4 eingesetzt. Dieses Innen rohr 4 endet im Meßraum 3 und ist durch einen festen Elektrolyten 5 beispielsweise Zirkondioxyd gasdicht verschlossen. Das Innen rohr 4 bildet den Referenzraum 6. In das Innenrohr 4 mit dem Re ferenzraum 6 ist ein Thermoelement 7 mit Plus- und Minuspolen 7′, 7′′ eingesetzt. Die Pole 7′, 7′′ sind an den Kontaktpunkt 8, der sich auf der Referenzraumseite 6 des Elektrolyten 5 befindet, an geschlossen. Zwischen Hüllrohr 2 und Innenrohr 4 ist ein weite res Thermoelement 9 mit Plus- und Minuspolen 9′, 9′′ in den offe nen unteren Bereich der Meßzelle 1 eingebracht. Die Pole 9′, 9′′ sind mit dem Kontaktpunkt 10, der in dem Meßraum 3 an dem Elek trolyten 5 angebracht ist, verbunden.

Zwischen Hüllrohr 2 und Innenrohr 4 ist eine Kontrollgaslei tung 11 in den Meßraum 3 eingeführt, die an ein nicht dargestell tes Pumpensystem, mit wahlweise auf Druck oder Saugen einstellba rer Funktion angeschlossen ist. Auf der referenzraumseitigen und der meßraumseitigen Fläche des Elektrolyten 5 ist jeweils ein Ka talysator 12 aus beispielsweise Platinwolle aufgebracht.

Der Meßraum 3 der Meßzelle 1 füllt sich während des Betriebes mit dem zu messenden Abgas. Wenn das an die Kontrollgaslei tung 11 angeschlossene Pumpensystem Gas in den Meßraum 3 ein saugt, kann dieser Teil der Meßzelle 1 besonders schnell reagie ren. Die EMK aus dem Unterschied des Sauerstoffpotentials auf beiden Seiten des Elektrolyten 5 wird durch Abgriff der Spannun gen von gleichnamigen Polen (Pluspol zu Pluspol) der Thermoele mente 7 und 9 erhalten.

Vor Einsatz der Meßzelle 1 wird entweder rechnerisch oder expe rimentell die EMK, die sich bei unterschiedlichen Temperaturen im Referenzraum 6 und im Meßraum 3 einstellt ermittelt. Diese An gaben können graphisch, tabellarisch oder über einen Prozeßrech ner unmittelbar für die Korrektur der gemessenen EMK verwendet werden. Der nach dieser Korrektur verbleibende Meßwert schwankt entsprechend den unterschiedlichen Sauerstoffpotentialen. Er kann für die Regelung z. B. des Luftüberschusses oder auch der Gasmenge herangezogen werden.

Für eine Funktionsprüfung wird Referenzgas in die Meßzelle 1 durch die Einlaßöffnung 13 über die Kontrollgasleitung 11 in den Meßraum 3 eingeleitet und Kontrolldaten, auch mit unterschiedli cher Temperatur von den Thermoelementen 7 und 9 gemessen und mit den Werten des Verbrennungsgases verglichen. Hieraus folgen even tuell notwendige Korrekturen. Außerdem kann auf diese Weise die Leistung der Meßzelle 1 von Zeit zu Zeit dadurch überprüft wer den, daß Luft oder ein anderes Gas in den Meßraum 3 oder den Re ferenzraum 6 geleitet wird und in den jeweils anderen Referenz- bzw. Meßraum ein bekanntes Referenzgas eingeleitet wird. Auf die se Weise wird die zuverlässige Reproduzierbarkeit genauer Mes sungen und die Effektivität der Meßzelle bestätigt.

Erfindungsgemäß wird im Referenzraum 6 für das chemische Poten tial des Sauerstoffs ein Referenzgas benutzt, daß dem gewünschten und einzustellenden Sauerstoff- bzw. Luftüberschuß entspricht. Entsprechend dem Über- oder Unterschreiten des Sauerstoffpoten tials im Abgas, das durch die Abgaseinleitung 14 in den Meßraum 3 geströmt ist, entstehen positive oder negative EMK-Werte, die nach Verarbeitung durch einen Rechner und/oder durch elektrische Schaltung als Signale für die Regelung der Verbrennung herange zogen werden können. Zur Messung der Temperaturen auf beiden Sei ten des Elektrolyten 5 werden die Thermoelemente 7 und 9 einge setzt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pole der Thermoele mente 7 und 9 auch zum Abgriff der EMK verwendet werden, wobei die aus der gemessenen Spannung resultierenden Werte zu berück sichtigen sind, wenn Pole der Thermoelemente 7 und 9 ungleicher Wertigkeit gegeneinander geschaltet werden. Durch Messung der von der Temperatur beeinflußten Spannung auf beiden Seiten des Elek trolyten 5 kann entweder rechnerisch oder auch experimentell die Abweichung der EMK bei unterschiedlichen Temperaturen des Ver brennungsgases vor allem in einem Temperaturgradientenfeld oder bei zeitlichen Schwankungen ermittelt und zugeordnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, sehr genau den Ist-Sauerstoffpartial druck bzw. die Sauerstoffkonzentration am Einsatzort der Meßzel le zu ermitteln. Zur Vermeidung von Meßstörungen durch Ungleich gewichte in den Gasphasen können sowohl auf der Seite des Meß raumes 3 wie auch auf der Seite des Referenzraumes 6 auf den Elektrolyten 5 gasdurchlässige Katalysatoren 12 wie beispielswei se Platinwolle angeordnet werden.

Claims

1. Meßzelle zur Ermittlung des freien Sauerstoffüberschusses eines Verbrennungsgases über die Messung der EMK aufgrund von Konzentrations- bzw. Partialdruckunterschieden des Sauerstoffes an zwei Seiten eines sauerstoffionenleitenden festen Elektroly ten mit einem Referenzraum und einem Meßraum, dadurch gekennzeichnet

- daß der Referenzraum (6) mit einem Referenzgas beaufschlagbar ist,
- daß das Referenzgas weitgehend einer angestrebten Zusammenset zung des im Meßraum (3) zu messenden Verbrennungsgases ent spricht,
- daß die Temperaturen am Elektrolyten (5) sowohl im Referenz raum (6) als auch im Meßraum (3) zusätzlich zur EMK gemessen werden
- und daß die Meßwerte über Anschlußleitungen einem auswertenden Rechner zuführbar sind.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf einer Seite, vorzugsweise auf beiden Kontakt flächen des Elektrolyten (5) in der Nähe der Kontaktpunkte (8,10) der Thermoelemente (7, 9) ein gasdurchlässiger Katalysator (12), wie Platinwolle oder dergleichen angeordnet ist.

3. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch ,

- ein Hüllrohr (2), dessen offener unterer Bereich den Meßraum (3) bildet
- ein in das Hüllrohr (2) eingesetztes Innenrohr (4), das am un teren, im Meßraum (3) endenden Ende durch den festen Elektro lyten (5) gasdicht verschlossen ist und den Referenzraum (6) bildet
- ein in das Innenrohr (4) eingesetztes Thermoelement (7) mit Polen (7′, 7′′), über den Kontaktpunkt (8) an die referenzraum seitige Fläche des Elektrolyten (5) angeschlossen ist
- ein zwischen Hüllrohr (2) und Innenrohr (4) zum Meßraum (3) geführtes weiteres Thermoelement (9) mit Polen (9′ 9′′), über den Kontaktpunkt (10) an die meßraumseitige Kontaktfläche des Elektrolyten (5)geschlossen ist.

4. Meßzelle nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zwischen Hüllrohr (2) und Innenrohr (4) zum Meßraum (3) ge führte Kontrollgasleitung (11), die an ein wahlweise auf Druck und Saugen einstellbares Pumpensystem angeschlossen ist.

5. Verfahren zum Betrieb der Meßzelle nach einem der Ansprü che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene EMK durch ein Rechenprogramm und/oder durch elektrische Schaltung um den Wert korrigiert wird, der sich als Abweichung von der theoretischen EMK bei Temperaturunterschieden im Meßraum (3) und im Referenzraum (6) ergibt, wenn Referenzgas durch die Kontrollgasleitung (11) in den Meßraum (3) geleitet wird.