DE4415538A1 - Verfahren zum Überwachen eines Sensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Sensors zur Ermittlung eines Gasgehaltes insbesondere in einem Abgasstrom wie beispielsweise aus einem Ofen zur Wärmebehandlung von Metall, sowie eine Vorrichtung hierfür.

In vielen Bereichen der Industrie und auch in privaten Haushalten ist es notwendig, einen bestimmten Gasgehalt in einem Abgasstrom od. dgl. zu ermitteln. Beispielsweise befindet sich in geregelten Katalysatoren für Kraftfahrzeuge die sogenannte Lambda-Sonde, welche eine Gemischbildung bei Otto-Motoren regelt. Ferner muß bei der sogenannten ASU (Abgassonderuntersuchung) der Gehalt von CO₂ in Auspuffgasen ermittelt werden. Ähnliches ist auch bei einer üblicherweise jährlich durchzuführenden Untersuchung von Hausheizungsanlagen lotwendig. Die vorliegende Erfindung soll sich auf eine Vielzahl ähnlicher Bereiche erstrecken.

Besonders wichtig ist aber auch die laufende Bestimmung des Prozent-C-Gehaltes in Öfen, die zur Wärmebehandlung von Metallen eingesetzt werden. Diese Wärmebehandlung findet bei relativ hohen Temperaturen statt, wobei in dem Ofen besonders die Einhaltung eines bestimmten Prozent-C- Gehaltes wichtig ist. Hierzu werden beispielsweise in dem Ofen Folien in Abständen angeordnet und deren Gewicht nach einer bestimmten Betriebsdauer des Ofens bestimmt. Die Folien müssen einen gewissen Gewichtsunterschied durch ein Auf- oder Entkohlen aufweisen, wenn auf einen bestimmten Prozent-C-Gehalt geschlossen werden soll. Diese Methode ist relativ zeitaufwendig und erfordert vom Personal eine sehr genaue Einhaltung der "Prüfschritte". Eine laufende Bestimmung vom Prozent-C-Gehalt ist nicht möglich.

Die laufende Bestimmung vom Prozent-C-Gehalt erfolgt in vielen Fällen durch den Einsatz eines Sauerstoff-Sensors. Über den von dem Sauerstoffsensor ermittelten Sauerstoff­ anteil wird auf den Prozent-C-Anteil rückgeschlossen. Nachteilig ist, daß ein Sauerstoffsensor während dem Ofenbetrieb nicht direkt erreichbar ist. Ferner neigt er sehr stark zum Wegdriften und ist in dem Ofenraum einem erheblichen "Streß" durch die hohen Temperaturen (bis 1100° C), mechanische Schwingungen, thermischen Schock beim Chargieren usw. ausgesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der o.g. Art zu entwickeln, mittels denen eine wesentlich einfachere und direktere Überwachung eines Sensors und damit eine Überwachung des Prozent-C-Gehaltes möglich wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß der Abgasstrom in zeitlichen Abständen durch den Strom eines Prüfgases ersetzt und der Sensor diesem Prüfgas ausgesetzt und bei Abweichungen von einem Soll-Wert nachjustiert oder der neue Wert als Basiswert angenommen wird.

Dieses Verfahren hat den erheblichen Vorteil, daß in kurzen Abständen der Sensor durch das Prüfgas auf beispielsweise Spannungsabweichungen überprüft wird. Driftet der Sensor ab, so wird dies durch die Beaufschlagung des Sensors mit Prüfgas ermittelt. Das bedeutet, daß bei Überschreiten einer gewissen Toleranzgrenze nicht mehr eindeutig aufgrund der Ergebnisse des Sensors auf die Richtigkeit des Prozent- C-Gehaltes geschlossen werden kann. In diesem Fall muß der Sensor entweder nachjustiert, ausgetauscht oder aber ein neuer Wert als Basiswert genommen werden.

Da sich der Sensor im Abgasstrom befindet, ist es durch einfache technische Ausgestaltung möglich, für die Zeit der Prüfung den Abgasstrom zu einem weiten Abgasrohr umzuleiten, so daß während des Betriebes des Ofens der Sensor geprüft werden kann. Die entsprechende Umschaltung bzw. Einschaltung einer Zuleitung für das Prüfgas erfolgt mit einem beliebigen Ventil oder Absperrschieber. Dementsprechend ist eine Prüfung auch viel häufiger möglich, als dies heute durchgeführt wird. Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentlich bessere Bestimmung des Prozent-C-Gehaltes im Ofen und damit eine wesentliche Verbesserung der Wärmebehandlung von Metallen.

Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei zu überprüfenden Heizungsanlagen oder anderen Anlagen anwendbar, in denen regelmäßig ein Gasgehalt ermittelt werden soll.

Als Sensor wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Lambda-Sonde verwendet, wie sie beim Einsatz in Katalysatoren bzw. Otto-Motoren bekannt ist. Der Vorteil dieser Lambda-Sonde liegt darin, daß sie beheizbar ist. Wird anstelle des heißen Abgasstromes ein relativ kaltes Prüfgas der Lambda-Sonde zugeleitet, so erwärmt die Heizung dieses Prüfgas um die Lambda-Sonde herum, so daß ein Meßergebnis durch die unterschiedliche Temperatur nicht verfälscht wird.

Ein Meßkopf der bekannten Lambda-Sonde besteht üblicherweise aus einem Zirkonium-Element, welches von einer Kappe abgedeckt ist. Diese Kappe besitzt kleine Löcher, durch welche das Gas hindurch diffundieren kann. Um jedoch ein Gas in einem Abgasstrom oder in einem Prüfgas zu bestimmen, soll diese Kappe abgeschnitten und das Zirkonium-Element dem Gas vollständig ausgesetzt werden.

Innerhalb der Anwendung für die Wärmebehandlung von Metallen könnte die Sonde insbesondere beim Aufkohlen, Glühen, Nitrieren, Nitrocarborieren und in Gasgeneratoren zur Anwendung kommen. Es sind jedoch noch weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 ein Schema eines Systems für die Wärmebehandlung von insbesondere Metallen;

Fig. 2 einen Teilausschnitt aus einem Abgasbereich eines Ofens, verwendet in dem System gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Teilausschnitt aus einem Abgasbereich eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Ofens, verwendet in dem System gemäß Fig. 1.

Eine Wärmebehandlung von Metallen findet üblicherweise in einem Ofen 1 statt. Hierzu wird der Ofen 1 mit einem Brennstoff, beispielsweise Methanol, aus einem Speicher 2 über eine Leitung 3 versorgt. In die Leitung 3 mündet eine weitere Leitung 4 für die Zugabe von Aufkohlungsflüssigkeit aus einem weiteren Speicher 5 ein.

Das Innere des Ofens wird ferner mit Prozeßgas, Stickstoff und dosierter Luft aus entsprechenden Speichern 6, 7 und 8 ersorgt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist einer Leitung 9 für die Luft eine Sauerstoffsonde 7 zugeordnet, die wiederum über eine Leitung 11 mit einem C-Rechner 12 in Verbindung steht.

Neben der Sauerstoffsonde 10 befindet sich ein Temperaturfühler 13, der ebenfalls mit dem C-Rechner gekoppelt ist. Ferner wird Meßgas über eine Leitung 14 dem Ofen 1 entnommen und einem CO₂-Analysenteil 15 zugeleitet.

Die gesamte Steuerung des in Fig. 1 gezeigten Systems erfolgt über ein Regel- und Steuersystem 16, das mit dem C-Rechner 12, dem CO₂-Analysenteil 15 und einem Leistungsteil 17 verbunden ist. Ferner ist dem Regel- und Steuersystem 16 eine Display- und Funktionsüberwachung 18 sowie eine Programmführung 19 zugeordnet. Die Programmführung 19 steht über ein Behandlungsprogramm 20 mit einer E/A-Schnittstelle 21 in Verbindung. Eine Testprüfeinheit 31 steht mit dem CO₂-Analysenzeil 15 und eine Hand/Automatik 32 mit dem Leistungsteil 17 in Verbindung.

In Fig. 2 ist von dem Ofen 1 nur ein oberer Bereich angedeutet, auf dem ein Abgasrohr 22 sitzt. Abgas strömt in Richtung des Pfeiles 23 aus dem Ofen 1 durch das Abgasrohr 22. Dabei durchquert es ein Absperrelement 24, über welches das Abgasrohr 22 verschlossen werden kann. Bevorzugt übernimmt dieses Absperrelement 24 jedoch auch das Absperren einer Zuleitung 25, durch welche ein Prüfgas aus einem Speicher 26 in Richtung des Pfeiles 27 in das Abgasrohr 22 eingeleitet werden kann. Das Absperrelement 24 ist dabei so ausgestaltet, daß es entweder das Abgasrohr 22 oder die Zuleitung 25 schließt.

Oberhalb des Absperrelementes 24 befindet sich ein Sensor 28. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine Lambda-Sensor mit einem Zirkoniumelement 29 als Meßkopf, welches bevorzugt frei von einer Umhüllung in den freien Querschnitt des Abgasrohres 22 eingreift. Der Sensor 28 steht über eine Leitung 29 mit einer nicht näher gezeigten Meßeinheit in Verbindung.

Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:

Beim Betrieb des Ofens 1 ermittelt der Sensor 28 fortlaufend den O₂-Gehalt in dem Abgasstrom, der durch das Abgasrohr 22 geführt ist. Wird eine Lambda-Sonde als Sensor benutzt, so vergleicht diese Sonde den Sauerstoffgehalt im Abgas mit demjenigen der Außenluft. Treten unterschiedliche Sauerstoffanteile auf, gibt die Lambda-Sonde eine Spannung ab, aus welcher auf das Verhältnis zum Prozent-C-Gehalt in dem Abgasstrom geschlossen werden kann.

Bleibt der O₂-Gehalt im Abgasstrom gleich, so sollte auch die Spannung des Sensors 28 gleichbleiben. In der Praxis wurde jedoch festgestellt, daß die Sensoren im Laufe der Zeit wegdriften, so daß sie eine falsche Aussage über den Prozent-C-Gehalt machen. Dementsprechend wird die Steuerung des gesamten Ofens 1 ungenau.

Um ein derartiges Wegdriften des Sensors 28 ermitteln zu können, wird gemäß der vorliegenden Erfindung das Abgasrohr 22 über das Absperrelement 24 geschlossen und Prüfgas aus dem Speicher 26 über die Zuleitung 25 zugeführt. Da es sich bei der als Sensor 28 verwendeten Lambda-Sonde um eine Sonde mit einer eigenen Heizung handelt, wird auch das Prüfgas um den Meßkopf 29 herum erwärmt, so daß durch unterschiedliche Wärmebeaufschlagung keine Verfälschung des Meßergebnisses stattfindet. Weicht nun der von der Sonde abgegebene Meßwert von einem Soll-Wert ab, so wird deutlich, daß der Sensor 28 weggedriftet ist. In diesem Fall kann entweder der Sensor 28 nachjustiert werden oder aber der neue Ist-Wert als Basisgröße in die Berechnung einbezogen werden.

Gemäß Fig. 3 könnte der Sensor 28 auch direkt gegenüber der Zuleitung 25 in dem Abgasrohr 22 angeordnet sein. In diesem Fall ist ein Ventil 24a in die Zuleitung 25 eingeschaltet. Ein weiteres Ventil 30a sperrt eine Zweigleitung 31 zwischen Zuleitung 25 und dem Speicher 26. Dieses Ventil 30 ermöglicht das Einschalten einer Leitung 32 über ein Steuerventil 33, damit ein Spülen mit einem Reinigungsgas, beispielsweise mit Stickstoff stattfinden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bleibt der Abgasstrom 23 während dem Prüfen des Sensors 28 bestehen. Das Prüfgas wird direkt auf den Sensor 28 gerichtet, so daß der Sensor 28 kurzfristig nur von diesem Prüfgas umspült wird.

Das oben erwähnte Spülen mit einem Reinigungsgas, beispielsweise mit Stickstoff, hat das folgende Ziel. Im Abgasstrom ist je nach Atmosphäre im Ofen mit störenden Prozeßablagerungen zu rechnen. Durch diese Ablagerungen können Probleme bei dem Sensor 28 und beispielsweise bei mechanischen Absperrorgangen 24a auftreten. Solange eine kontinuierliche Wärmebehandlung, wie beispielsweise in Durchlauföfen, stattfindet, d. h., die Atmosphäre ständig, bzw. überwiegend formiert ist, wird mit wesentlich geringeren Ablagerungen zu rechnen sein.

Bei diskontinuierlichen Wärmebehandlungen (z. B. Retortenöfen), wo die Atmosphäre sich nach jeder Chargierung neu formiert, ist mit höheren Ablagerungen zu rechnen. Dieses Problem wird durch das Spülen mit einem Reinigungsgas behoben. Stickstoff ist in fast jeder Härterei vorhanden und kann deshalb ohne Schwierigkeit in das Abgasrohr 22 geblasen werden. Zum Zeitpunkt der Notwendigkeit einer Regelungsfreigabe wird die Stickstoffzufuhr beendet und der Abgasstrom gelangt zum Sensor 28. Der Stickstoffdruck ist immer höher als der Ofendruck von ca. 10 mbar. Durch den "Stickstoffstrom" kann somit der "Meßgasweg" indirekt abgesperrt bzw. geöffnet werden. Der Einbau eines Magnetventil direkt im Abgasweg ist somit nicht zwingend.

Bei Behandlungen ohne Ablagerung ist diese Variante des vorliegenden Verfahrens nicht zwingend. Der Stickstoffstrom bietet jedoch zusätzlich die Möglichkeit, auch während der Prozesse kurze Hand-/Auto-Reinigungszyklen einzuleiten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Überwachen eines Sensors zur Ermittlung eines Gasgehaltes insbesondere in einem Abgasstrom wie beispielsweise aus einem Ofen zur Wärmebehandlung von Metallen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abgasstrom in zeitlichen Abständen durch den Strom eines Prüfgases ersetzt und der Sensor diesem Prüfgas ausgesetzt und bei Abweichungen von einem Soll-Wert nachjustiert oder der neue Wert als Basiswert angenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor beheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sensor eine Lambda-Sonde verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkopf für die Lambda-Sonde ein freigelegtes Zirkonium-Element verwendet wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einem Reinigungsgas, insbesondere Stickstoff, umspült wird.

6. Vorrichtung zum Überwachen eines Sensors zur Ermittlung eines Gasgehaltes insbesondere in einem Abgasstrom wie beispielsweise aus einem Ofen zur Wärmebehandlung von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (28) in einem Abgasrohr (22) angeordnet ist, in welches eine Zuleitung (25) zum Zuführen eines Prüfgases aus einem Speicher (26) einmündet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr (22) vor der Zuleitung (25) und die Zuleitung (25) selbst absperrbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (25) eine Leitung (32) zur Zuführung eines Reinigungsgases einmündet.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sensor (28) eine Heizung integriert ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (28) eine Lambda-Sonde ist.