DE4434563B4

DE4434563B4 - Sonde zum Messen eines Zustandes einer Reaktionsgasatmosphäre

Info

Publication number: DE4434563B4
Application number: DE4434563A
Authority: DE
Inventors: Alwin Denzer
Original assignee: PROCESS ELECTRONIC ANALYSE und; Process-Electronic Analyse- und Regelgerate GmbH
Current assignee: PROCESS ELECTRONIC ANALYSE und; Process-Electronic Analyse- und Regelgerate GmbH
Priority date: 1994-09-28
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2014-09-29
Also published as: DE4434563A1

Abstract

Sonde zum Messen eines Zustandes einer Ammoniak enthaltenden Reaktionsgasatmosphäre, die an einer Meßstelle einen mit einer Innenelektrode und mit einer Außenelektrode kontaktierten Festelektrolyten enthält, der auf einer Seite direkt mit der Reaktionsgasatmosphäre und auf der anderen Seite über eine einen beheizten Katalysator enthaltende Führung mit Reaktionsgas beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einseitig geschlossenes Rohr (13, 14) vorgesehen ist, das an seinem geschlossenen Ende die Meßstelle aufweist und das in axialem Abstand zu der Meßstelle mit einem Eintritt (31) für Reaktionsgas versehen ist, und daß in dem Rohr (13) unter Belassen eines Spaltes zu dem Festelektrolyten (14) ein Innenrohr (20) angeordnet ist, das auf seiner Außenseite zwischen dem Eintritt (31) für Reaktionsgas und der Meßstelle mit dem Katalysator (21) versehen ist und das einen oder mehrere Führungskanäle zum Zuführen und Abführen des von dem Katalysator kommenden Reaktionsgases zu und von der Meßstelle bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zum Messen eines Zustandes einer Ammoniak enthaltenden Reaktionsgasatmosphäre, die an einer Meßstelle einen mit einer Innenelektrode und mit einer Außenelektrode kontaktierten Festelektrolyten enthält, der auf einer Seite direkt mit der Reaktionsgasatmosphäre und auf der anderen Seite über eine einen beheizten Katalysator enthaltende Führung mit Reaktionsgas beaufschlagbar ist.

Ein Sensor der eingangs genannten Art ist aus der Veröffentlichung H-J. Berg u.a.: „Einsatz eines Nitriersensors" HTM 46 (1991) 6 bekannt. Bei der bekannten Bauart ist ein rohrförmiger Festelektrolyt vorgesehen, dem in axialer Verlängerung ein Katalysator vorgeschaltet ist, über den das Reaktionsgas zur Innenseite des Festelektrolyten geführt wird, dessen Ammoniakanteil von dem Katalysator zu 100% gespalten wird. Die Praxis hat gezeigt, daß die bekannte Sonde nicht befriedigend arbeitet und keine ausreichend genauen Meßwerte liefert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie exakte Meßwerte liefert.

Aus der DE 4301831 A1 ist eine Sonde mit einem weiten, beidseitig offenen Rohr aus Festelektrolyt und einem engen, einseitig geschlossenen Rohr aus Festelektrolyt bekannt. Die beiden Rohre sind an einem einseitig geschlossenen Sondenrohr angeordnet. Beide Rohre sind jeweils mit einer inneren und einer äußeren Elektrode versehen, die räumlich nahe beieinander angeordnet sind. Das enge, einseitig geschlossene Rohr erstreckt sich nur über einen Teil der Länge des äußeren Rohres. In axialer Verlängerung des einseitig geschlossenen Rohres ist in dem offenen Rohr ein Katalysator angeordnet, der mittels einer elektrischen Heizung bis auf 1.200°C aufheizbar ist. Durch den Katalysator hindurch wird dem geschlossenen Rohr auf dessen Außenseite Ofengas zugeleitet. Im Bereich der Elektroden des geschlossenen Rohres ist eine weitere elektrische Heizeinrichtung angeordnet, mit der dieser Bereich auf eine Temperatur zwischen 500°C und 600°C aufgeheizt werden können. Der Innenraum des geschlossenen Rohres aus Festelektrolyt wird mit Luft durchspült.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein einseitig geschlossenes Rohr vorgesehen ist, das an seinem geschlossenen Ende die Meßstelle aufweist und das in axialem Abstand zu der Meßstelle mit einem Eintritt für Reaktionsgas versehen ist, und daß in dem Rohr unter Belassen eines Spaltes zu dem Festelektrolyten ein Innenrohr angeordnet ist, das auf seiner Außenseite zwischen dem Eintritt für Reaktionsgas und der Meßstelle mit dem Katalysator versehen ist und das einen oder mehrere Führungskanäle zum Zuführen und Abführen des von dem Katalysator kommenden Reaktionsgases zu und von der Meßstelle bildet.

Die erfindungsgemäße Meßsonde liefert exakte Meßwerte. Der Festelektrolyt nimmt eine der Prozeßtemperatur entsprechende Temperatur an, die beispielsweise bei 480°C bis 650°C liegt. Es wird sicher vermieden, daß der zu dem Festelektrolyten in relativ großem Abstand angeordnete Katalysator, der auf 900°C bis 1000°C beheizt wird, die Temperatur des Festelektrolyten beeinflußt und somit das Meßergebnis verfälschen kann. Das Innenrohr erlaubt eine exakte Führung des Reaktionsgases über den Katalysator hinweg, so daß auch sichergestellt wird, daß der Ammoniakanteil des danach als Referenzgas dienenden Reaktionsgases zu 100% gespalten ist, wenn das Reaktionsgas den Festelektrolyten erreicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels und den Unteransprüchen.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sonde einschließlich ihrer Halterung und der elektrischen Zu- und Ableitungen und
2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des eigentlichen Sondenteils, der der Reaktionsgasatmosphäre ausgesetzt ist.
Die dargestellte Sonde besitzt einen Halter (10), der in eine Wand eines Ofens, beispielsweise eines Nitrierofens, einsetzbar ist. Von diesem Halter (10) ragt nach innen zum Inneren des Ofens ein Fühlteil (11) der Sonde. Auf der Außenseite außerhalb des Ofens ist der Halter (10) mit einem Gehäuse (12) versehen, das Zusatzeinrichtungen und insbesondere Steuer- und Auswerteeinrichtungen enthält.
Das Fühlteil (11) weist ein einseitig geschlossenes Rohr (13) auf, das aus einem Keramikrohr und einem dieses Keramikrohr einseitig verschließenden Endteil (14) aus einem Festelektrolyten besteht, beispielsweise aus Zirkondioxid. Das Rohr (13) ist gegen die Ofenatmosphäre abgedichtet in dem Halter (10) gehalten. Das Rohr (13) ist mit einem Schutzrohr (15) aus Metall umgeben, dessen dem Festelektrolyten (14) zugeordnetes Ende geschlossen ist, während sein anderes Ende dichtend in dem Halter (10) gehalten ist. Das Schutzrohr (15) ist im Bereich des Festelektrolyten (14) mit Einlaßöffnungen (16) versehen, durch welche die Reaktionsgasatmosphäre zu dem Festelektrolyten (14) Zutritt hat. Die Außenseite des Festelektrolyten (14), zu dem die Reaktionsgasatmosphäre Zutritt hat, ist mit einer Außenelektrode (17) kontaktiert, die von dem Schutzrohr (15) gehalten wird, welches auch als elektrischer Anschluß zu der Elektrode dient. Die der Außenelektrode (17) gegenüberliegende Innenseite des Festelektrolyten (14) ist mit einer Innenelektrode (18) kontaktiert, deren elektrische Leitung (19) im Innern des Rohres (13) zu dem Gehäuse (12) geführt ist.
In dem Inneren des Rohres (13) ist ein Innenrohr (20) angeordnet, das ein Koaxrohr für die Leitung (19) enthält und in dem rohrförmigen Endstück (14) zentriert ist. Das Innenrohr (20) endet unter Belassen eines Spaltes vor der mit der Innenelektrode (18) kontaktierten Innenfläche des als Festelektrolyt ausgebildeten Endstückes (14). Das Innenrohr (20) besitzt beispielsweise fünf Längskanäle, von welchen einer zen trisch in der Mitte liegt, der in einem Koaxrohr die Leitung (19) zu der Innenelektrode (18) aufnimmt, während die vier weiteren Längskanäle im gleichmäßigen Abstand um den zentrischen Kanal verteilt sind.
In Abstand zu der zwischen der Außenelektrode (17) und der Innenelektrode (18) gebildeten Meßstelle ist um das Innenrohr (20) ein Edelmetalldraht als Katalysator (21) wendelförmig herumgewickelt. Die beiden Enden des aus dem Edelmetalldraht bestehenden Katalysators sind an Stromversorgungsleitungen (22, 23) angeschlossen, die jeweils durch einen Längskanal des Innenrohrs (20) laufen und an Aussparungen (24, 25) jeweils aus dem Längskanal herausgeführt und mit dem Draht des Katalysators (21) verbunden sind. Der mit elektrischer Energie versorgte Edelmetalldraht, der als Katalysator (21) dient, stellt somit eine Heizwendel dar, deren Temperatur mittels einer Widerstandsregelung auf 900°C bis 1000°C eingeregelt wird. Die die Stromversorgungsleitungen (23, 24) aufnehmenden Längskanäle des Innenrohres (20) sind im Bereich der Aussparungen (24, 25) gasdicht abgedichtet. In einem der Längskanäle des Innenrohrs (20) sind auch noch die Anschlußleitungen eines nicht dargestellten Thermoelementes geführt, das im Bereich des Festelektrolyten (14) angeordnet ist und das zur Erfassung der Prozeßtemperatur dient.
Wie aus 1 zu sehen ist, erstreckt sich das Innenrohr (20) durch den Halter hindurch bis zu dem Gehäuse (12), in welchem schematisch Anschlüsse (26) für die Stromversorgungsleitungen (22, 23) des Katalysators (21), ein Anschluß (27) für das Thermoelement und ein Anschluß (28) für die Innenelektrode (18) und die Außenelektrode (17) angeordnet sind. Das Innenrohr (20) endet in einem Stopfen (29), der zur Abdichtung des Innenrohres (20) mit einer Vergußmasse (30) ausgegossen ist. Das Rohr (13), das aus einem Keramikrohr und einem dichtend in dieses eingesetzten Endstück (14) aus Festelektrolyt gebildet wird, ist in möglichst großem Abstand zu der Meßstelle zwischen der Außenelektrode (17) und der In nenelektrode (18), d.h. im Bereich des Halters (10) mit einem aus mehreren Öffnungen gebildeten Eintritt (31) für Reaktionsgas versehen, das, wie später noch erläutert wird, zwischen dem Schutzrohr (15) und dem Rohr (13) aus dem Bereich der Eintrittsöffnungen (16) angesaugt wird. Das Reaktionsgas strömt über den Katalysator (21), wobei sein Ammoniakanteil zu 100% gespalten wird. Danach strömt das Reaktionsgas mit dem dissoziierten Ammoniakanteil zu der Meßstelle. Dabei strömt das Reaktionsgas zunächst zwischen dem Rohr (13) und dem Innenrohr (20) über den Katalysator und tritt dann nach dem Katalysator in einen oder mehrere der Längskanäle des Innenrohrs (20) ein, das nach dem Katalysator (21) mit einer ein oder mehrere Längskanäle öffnenden Aussparung (24) versehen ist. Einer der Längskanäle des Innenrohres (20), der im Bereich der Aussparung (25) nicht freigelegt ist, ist an eine noch zu erläuternde Unterdruckquelle angeschlossen, so daß das Reaktionsgas, das in dem Spalt zwischen der Stirnseite des Festelektrolyten (14) und dem Ende des Innenrohres (20) austritt, abgesaugt wird. Die an dem Katalysator (21) vorbeiströmende Reaktionsgasmenge ist auf die Größe des Katalysators so ausgelegt, daß mit Sicherheit eine 100%ige Spaltung des Ammoniakanteils des Reaktionsgases im Bereich des Katalysators (21) erhalten wird. Da der Katalysator (21) im großen Abstand zu dem Festelektrolyten angeordnet ist, der mehr als die axiale Länge des Katalysators (21) beträgt, wird verhindert, daß die relativ hohe Katalysatortemperatur auf den Bereich der Meßstelle zwischen der Außenelektrode (17) und der Innenelektrode (18) übertragen wird. Diese Meßstelle nimmt daher unverfälscht die Prozeßtemperatur an, d.h. die Temperatur der Reaktionsgasatmosphäre. Diese Temperatur wird auch nicht von dem im Innern des Rohres (13) strömenden Reaktionsgas beeinflußt, da dessen Strömungsmenge relativ klein ist, so daß ein nennenswerter Wärmetransport über das Reaktionsgas nicht erfolgt.
Einer der Längskanäle des aus Keramik bestehenden Innenrohres ist an eine Unterdruckquelle angeschlossen. Dieser Anschluß erfolgt in einer Kammer (32) zwischen dem Halter (10) und dem Gehäuse (12), die gegenüber dem Halter (10) mittels eines Dichtungsringes (33) und gegenüber dem Gehäuse mittels eines Balges (34) abgedichtet ist. In der Kammer (32) ist das Innenrohr (20) mit einer Dichtmuffe (35) versehen, in deren Bereich der zur Absaugung des Reaktionsgases dienende Längskanal mittels einer Aussparung geöffnet ist. An diese Dichtmuffe (35) ist eine Saugleitung (36) angeschlossen, die zu einer innerhalb des Halters (10) angeordneten Dosierpumpe (37) führt. Diese noch zu beschreibende Dosierpumpe ist in ihrer Förderleistung einstellbar, wobei ihre Förderleistung so eingestellt wird, daß die über den Katalysator (21) strömende Reaktionsgasmenge so festgelegt wird, daß ein darin enthaltender Ammoniakanteil zu 100% gespalten wird. Der Druckanschluß der Dosierpumpe (37) führt zurück in die Reaktionsgasatmosphäre, so daß das über das Innenrohr (20) abgesaugte Reaktionsgas keiner Entsorgung bedarf.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dosierpumpe (37) als eine Injektorstrahlpumpe ausgebildet. Der Halter (10) ist mit einem Anschluß (38) zum Zuführen eines unter Überdruck stehenden Gases versehen. Bei einem Nitrierofen wird über diesen Anschluß (38) Frischgas zugeführt, d.h. Stickstoff. Das zugeführte Gas wird mittels eines Injektors (39) in einen Kanal (40) eingeblasen, in welchem ein zur Saugleitung (36) führender Saugkanal (41) mündet. Mittels der Injektorstrahlpumpe erfolgt eine druckunabhängige Umwälzung von Reaktionsgas in der Sonde, da an das Reaktionsgas aus der Ofenatmosphäre abgesaugt und wieder in die Ofenatmosphäre zurückgegeben wird. Das über den Injektor (39) zugeführte Druckgas steht beispielsweise unter einem Druck von 0,5bar, während die Ofenatmosphäre und damit die Reaktionsgasatmosphäre insgesamt unter einem Druck von 0,1bar steht. Die durch die Sonde hindurchgesaugte Menge an Reaktionsgas ist mittels des über den Anschluß (38) zuströmenden Druckes des zugeführten Gases einstellbar.

Claims

Sonde zum Messen eines Zustandes einer Ammoniak enthaltenden Reaktionsgasatmosphäre, die an einer Meßstelle einen mit einer Innenelektrode und mit einer Außenelektrode kontaktierten Festelektrolyten enthält, der auf einer Seite direkt mit der Reaktionsgasatmosphäre und auf der anderen Seite über eine einen beheizten Katalysator enthaltende Führung mit Reaktionsgas beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einseitig geschlossenes Rohr (13, 14) vorgesehen ist, das an seinem geschlossenen Ende die Meßstelle aufweist und das in axialem Abstand zu der Meßstelle mit einem Eintritt (31) für Reaktionsgas versehen ist, und daß in dem Rohr (13) unter Belassen eines Spaltes zu dem Festelektrolyten (14) ein Innenrohr (20) angeordnet ist, das auf seiner Außenseite zwischen dem Eintritt (31) für Reaktionsgas und der Meßstelle mit dem Katalysator (21) versehen ist und das einen oder mehrere Führungskanäle zum Zuführen und Abführen des von dem Katalysator kommenden Reaktionsgases zu und von der Meßstelle bildet.
Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (20) ein Koaxrohr für die Ableitung des Innenrohrs und mehrere Längskanäle aufweist.
Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysator (21) ein wendelförmig auf das Innenrohr (20) gewickelter Draht aus Edelmetall vorgesehen ist.
Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht an Stromversorgungsleitungen (22, 23) angeschlossen ist.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (37) vorgesehen ist, deren Saugseite an einem Längskanal des Innenrohrs (20) angeschlossen ist und deren Druckseite (40) zur Reaktionsgasatmosphäre zurückgeführt ist.
Sonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (37) eine Dosierpumpe mit einstellbarer Förderleistung ist.