DD301963A9 - Anordnung zur Befestigung von Festelektrolytsensoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Befestigung eines Festelektrolytsensors in einer Halterung, insbesondere für Messungen unter hohen Temperaturbelastungen und bei großen Entfernungen und freitragender Anordnung des Sensors. Ziel ist die Schaffung einer sicheren, zuverlässigen und langlebigen gasdichten und temperaturbeständigen Befestigung des Sensors. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzuschlagen, die eine freitragende Positionierung des Festelektrolytsensors ermöglicht und sicher im Temperaturbereich bis zur Anwendungsgrenze des Sensors betrieben werden kann. Erfindungsgemäß ist die den Festelektrolytsensor aufnehmende Hülse Teil der wassergekühlten Sonde und unmittelbar vom Kühlwasser beaufschlagt.{Festelektrolytsensor; Befestigung; hohe Temperaturbelastung; freitragend; große Entfernung; Befestigung gasdicht; Befestigung temperaturbeständig; wassergekühlte Sonde; Hülse, Kühlwasser}

Description

Anwendungsgebiet Her Erfindung

Die Erfindung betrifft die gasdichte und temperaturbeständige Befestigung von keramischen Festeljktrolytsensoren in Halterungen, insbesondere für Messungen unter hohen Temperaturbelastungen und bei großen Entfernungen sowie freitragender Anordnung dos Sensors.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Festelektrolyt-Meßzellen werden heute international sehr verbreitet zur Sauerstoffkonzentrationsmessung in Abgasen von Feuerungen sowie in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.

Für die Sauerstoffkonzentrationsmossung in Flammen und der damit möglichen Bestimmung des örtlichen Ausbrandgrades odsr des Flammenausbrandes sind nur wenige Lösungen bekannt, die die benötigte Festelektrolyt-Meßzelle mit Hilfe einer Sonde direkt in Flammenkontakt bringen.

Bekannt sind Flammensonden, wie sie von H. Rau und W. Schwartz in ihrem Beitrag „Zur experimentellen Methodik der gaspotentiometrischen Flammenuntersuchung", Gaswärme international, 38 (1987) 10, S. 540-544, beschrieben wurden und bereits als gefertigte Labormuster zum Einsatz kamen.

Bei diesen Ausführungen wurde der gefertigte Meßfühler mit der Festelektrolytzelle (Sensor) für Laboruntersuchungen in einem Schutzrohr aus Quartz bzw. für Untersuchungen an industriellen Objekten mit hoher thermischer Belastung in ein Doppelmantel-Sichromal-Rohr mittels eines keramischen Mörtels eingesetzt. Damit wird bei gasdichter Verbindung zwischen Sensor und Sondenrohr bezüglich der Führung des Bezugsgases (Luft) zum Sensor eine hohe Festigkeit des Sondenrohres gegenüber thermischer Beanspruchung sowio eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit der mit keramischem Mörtel erzielten Verbindungsstellen zwischen Sensor und Sondenrohr, infolge der Zusammenfügung von ähnlichen keramischen Materialien, erreicht. Aber die mechanische Beanspruchbarkeit der Sonde durch Stoß oder durch ein Einspannen in Koordinatengeräten und die Siegefestigkeit der Sonde bei Grenztemperaturen des Sensors ist nicht ausreichend. Letzteres insbesondere, wenn die Sonden über größere Baulängen (z.B. >1 500mm) verfügen.

Weitere Lösungen bezüglich einer gasdichten Metall-Keramikverbindung werden in den Patentschriften DE 2021396, DE 3139957, DD 138971, DD 111 248 und DD 222293 ausgewiesen. Sie betreffen kraftschlüssige Spannverbindungen oder temperaturbeständige Lotverbindungen, die z.T. korrosionsbeständig sind. Diese angegebenen technischen Lösungen sind nicht geeignet, weil die Anforderungen an ihre Temperaturbeständigkeit im vorliegenden und beschriebenen Einsatzfall weit höher liegen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung zur sicheren, zuverlässigen und langlebigen gasdichten und temperaturbeständigen Befestigung von Festelektrolytsensoren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung vorzuschlagen, die eine freitragende Positionierung des Festelektrolytsensors über große Entfernungen ermöglicht und sicher im Temperaturbereich bis zur Anwendungsgrenze des Sensors betrieben werden kann.

Die Erfindung geht von einem metallenen, wassergekühlten Sondenrohr aus, in das auf einer Seite ein keramischer Festelektrolytsensor mit einem speziellen Keramikmörtel eingesetzt ist. Auf der anderen Seite des Rohres befindet sich der Sondenkopf mit den entsprechenden Anschlußelementen. Das Sondenrohr dient zur Aufnahme des Thermopaares und der Elektrodenableitung, die vom Sensor zu den Anschlußklemmen am Sondenkopf führen. Es enthält des weiteren ein Innenrohr, durch das das Bezugsgas vom Sondenkopf zum Sensor strömt, womit die Forderung nach einer gasdichten Verbindung zwischen Sondenrohr und Sensor steht.

Es wurde gefunden, daß es möglich ist, einen keramischen Festelektrolytsensor direkt in ein metallenes, wassergekühltes Sondenrohr einzumörteln, wobei der keramische Sensor Temperaturen bis zu seiner Anwendungsgrenze ausgesetzt werden kann und die Verbindungsstelle zwischen Sensor und Sondenrohr gasdicht ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dementsprechend dadurch gekennzeichnet, daß die den Festelektrolytsensor aufnehmende Hülse Teil der wassergekühlten Sonde und unmittelbar vom Kühlwasser beaufschlagt ist.

Überraschend stellte sich heraus, daß Festelektrolytsensoren unter diesen Bedingungen, die einen hohen Ternperaturgradienten im Sensor hervorrufen, sicher und über lange Zeiträume zuverlässig betrieben werden können. Vorteile der Erfindung sind:

- Der Sensor kann sicher mittels einer freitragender» Sonde bei hohen Temperaturen in Räumen mit heißer Gasatmosphäre oder in Flammen positioniert werden.

- Das metallene Sondenrohr gewährleistet eine gute mechanische Festigkeit beim Einbau in entsprechenden Koordinatengeräten sowie beim Transport und bei der Lagerung der Sonde.

- Die Mörtelstelle zwischen Sensor und Sondenrohr unterliegt einer Wasserkühlung, so daß thermisch bedingte Spannungen in der Verbindungsstelle auszuschließen sind. Des weiteren verhindert die Wasserkühlung ein Verzundern des Sondenrohres, so daß es an der Verbindungsstelle zwischen Sensor und Sondenrohr zu keiner Rißbildung bzw. zu Zunderabschalungen kommt, womit die Dichtheit der Verbindung zwischen Sensor und Sondenrohr unter hohen Einsatztemperaturen der Sonde gewährleistet bleibt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der zugehörigen Abbildung erläutert werden. Die Abbildung zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung.

Das metallene, wassergekühlte Sondenrohr besteht an der Befestigungsseite für den keramischen Festelektrolytsensor aus 3 konzentrisch angeordneten Rohren, wobei das Außenrohr 1 mit dem Innenrohr 3 durch Verschweißen mit der Hülse 4 dicht verbunden ist, und das Mittelrohr 2 als Trennwand für das Kühlwasser 5 dient. In die metallene, gekühlte Hülse 4 ist der keramische Festelektrolytsensor 6 eingemörtelt. Durch den Hochtemperaturmörtel 7 wird der keramische Festelektrolytsensor sicher befestigt und gleichzeitig so abgedichtet, daß das Bezugsgas 8 (Luft) aus dem Innenrohr 3 nicht durch diese Verbindungsstelle nach außen dringen kann. Durch das Innenrohr 3 werden die isolierten Drähte 9 des Thermopaares und der Elektrode nableitung des keramischen Festelektrolytsensors geführt.

Claims (2)

1. Anordnung zur Befestigung von Festelektrolytsensoren, wobni der Festelektrolytsensor mittels keramischen Mörtels in eine Hülse eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse Teil einer wassergekühlten Sonde und unmittelbar vom Kühlwasser beaufschlagt ist.

2. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse mit der wassergekühlten Sonde verschweißt ist.

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