DE2319859C2 - Gasanalysensonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasanalysensönde in Form einer Festelektrolytzelle für die Überwachung einer gasförmigen Komponente in einer Umgebung aus

-' strömendem Gas, das mitgeführte Festkörperteilchen enthält, mit einem Meßelement mit einem Festelektrolytkörper, an dem auf gegenüberliegenden Seiten eine erste und eine zweite Elektrode befestigt ist, einer Einrichtung zur Anordnung des Meßelements innerhalb des strömenden Gases, einer dem Meßelement wirkungsmäßig zugeordneten Abschirmung, und Einrichtungen, um eine Bezugsgasströmung mit d^r ersten

•o Elektrode in Kontakt zu bringen, sowie Einrichtungen, um das Potential eines elektrischen Signals zu messen, das zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erzeugt wird, wobei das Potential den Gehalt der in dem strömenden Gas zu überwachenden gasförmigen Komponente anzeigt.

Eine derartige Gasanalysensonde ist aus der US-PS 35 46 086 bereits bekannt. Ähnliche Sonden zeigen auch die DE-OS 20 22 769 und die GB-PS 10 73 099.

Gasanalysensonden der bekannten Art die zur Analyse insbesondere von Sauerstoff bei industriellen Anlagen dienen, erfordern eine relativ reine Gasprobe, um zu verhindern, daß durch in dem Gas vorhandene Fremdkörper an den Analyseneinrichtungen Schäden entstehen oder es zu einer unzulässigen Arbeitsweise kommt, die beispielsweise durch Ablagerung von Fremdstoffen auf dem Sauerstoffmeßfühler ausgelöst wird. So wird bei der Sauerstoffmeßzelle gemäß der US-Patentschrift 35 46 086 eine beispielsweise aus einer Ofenatmosphäre stammende Gasprobe durch Öffnun-

JO gen 41 in einer Hitzeabschirmung 39 in die Meßkammer 38 geleitet. Wenn nun das Testgas Festkörperteilchen mit sich führt wie es bei Ofenatmosphären üblicherweise der Fall ist, könnte dies dazu führen, daß derartige Teilchen die Öffnungen 41 verstopfen und dadurch die Zelle unwirksam machen. Insbesondere bei mit Kohle beheizten Öfen und Kesseln treten große Mengen an partikelförmigen Fremdstoffer. auf. so daß Analysensonden gemäß dem Stand der Technik zur Sauerstoffmessung nicht ohne Zusatzeinrichtungen eingesetzt werden können, vielmehr ist es notwendig, zwischen der Gasquelle und der Gasanalysensonde ein Zwischensystem zu schalten, mit dem zunächst eine Gasprobe entnommen wird, die zunächst gereinigt und erst dann der Gasanalysensonde zugeführt wird. Ein derartiges

*5 System neigt jedoch zu Betriebsstörungen, so daß eine fortlaufende Überwachung notwendig ist. Hinzu kommt, daß die Zeit, die notwendig ist. um die Gasprobe von der Probeentnahmestelle über das Zwischensysteni zu dem Analysengerät zu leiten, relativ lang ist. so daß

^⁰ bei geschlossenen Regelkreisen die dadurch entstehende Totzeit das Regelverhalten stark beeinträchtigt.

Aufgabe ist es. eine Gasanalysensonde der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die Sauerstoffmeßzelle direkt in das strömende Gas ohne Zwischenschaltung einer Aufbereitungseinrichtung angeordnet werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß durch in dem strömenden Gas mitgeführte Festkörperteilchen der Meßvorgang gestört wird.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die vor dem Meßelement angeordnete Abschirmung aus für das strömende Gas porösem Material besteht und daß «Einrichtungen auf der porösem Abschirmung vorhanden sind, die das anströmende Gas stromlinienförmig um die poröse Abschirmung leiten.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß das Gas stromlinienförmig an der Probe vorbeiströmen kann, wodurch das Auftreffen und Anhaften von Festkörperteilchen vermieden wird. Insbesondere tritt auch keine

Störung durch Staub und andere in Teilchenform vorliegende Materie, wie Flugasche auf. selbst dann nicht, wenn die Gasanalysensonde in Öfen, Kesseln oder Schornsteinen angeordnet wird Insbesondere kommt es zu keinem Kontakt des den Sauerstoff erfassenden Meßelementes mit diesen Fremdstoffen andererseits können aber die heißen Gase rasch durch die Abschirmung hindurch diffundieren und das Meßelement erreichen. Infolge der stromlinienförmigen Ausbildung der vor dur porösen Abschirmung vorhandenen Einrichtungen können selbst Teilchen von erheblicher Größe soweit abgelenkt werden, daß sie nicht in unmittelbaren Kontakt mit der Abschirmung kommen, während gleichzeitig der Gasstrom über die Oberfläche der Abschirmung geleitet wird, wodurch sich eine erwünschte Wisch- und Reinigungswirkung ergibt und damit die Ablagerung oder Ansammlung von Fremdstoffen auf der Abschirmung sicher verhindert wird, während Ablagerungen ansonsten zu einer Verringerung der Diffusion des Sauerstoffs durch die Abschir- ^2Ü mung zu dem Meßelement führen könnten.

Wenn also eine Abschirmung für das Meßeiement von geeigneter Porösität vorgesehen wird,die einerseits die Diffusion der zu messenden Gase zuläßt, andererseits aber auch genügend mechanische Festigkeit aufweist, um den durch das Auftreffen von Festkörperteilchen hervorgerufenen mechanischen Beanspruchungen zu widerstehen, kann eine Gasanalysensonde geschaffen werden, die unmittelbar in einen Gasstrom eingesetzt werden kann, wie er sich in einer industriellen ^J0 Umgebung wie Kamin, Schornstein oder Kessel befindet, wobei die dort auftretenden Gasströme teüchenförmige Materie wie Flugasche, Zunder, usw. mitreißen.

Günstige Weiterbildungen der Erfindung finden sich ^s5 in den Unteransprü^ hen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine erfindungsgemäß aufgebaute Gasanalysensonde;

Fig. IA in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht des Anschlußbereiches der Sonde gemäß Fig. 1:

F i g. 3 einen Querschnitt durch die Sonde gemäß Fig. 2 längs der Linie IH-IIl. um die Gasstromverteilung zu veranschaulichen, die durch die erfindungsgemäß angeordnete Einrichtung zur stromlinienförmigen Ablenkung des anströmenden Gases bewirkt wird; und

Fig.4 schematisch einen Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Gasanalysenson- ~^>n de mit einer ersten und einer zweiten porösen Abschirmung.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein typisches Ausführungsbeispiel einer zur Messung von Sauerstoff geeigneten Gasanalysensonde 10, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, und in die Wandung 12 eines Ofens eingesetzt ist. um den Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphare /u überwachen. Der Ofen ist mit einem Einsat/flansch 14 versehen, mit dem durch die Außenseite her durch die Wand 12 die Ofenatmosphäre zugänglich ibt Die Gasanalysensonde 10 ist an dem ,Einsatzflansch 14 des Ofens mittels eines Flansches 16 angeschlossen. Die Gasanälysensonde 10 weist ein Meßelement 20 mit einer Festelektrolytzelle auf, des weiteren eine poröse Abschirmung 50 und ein Rohr 60 für die Anordnung des Elementes 20 sowie der Abschirmung50 in einem stationären Stützrohr 70. Eine typische Halterung für &is Meßelement 20 wird in der eingangs genannten US-PS 35 46 086 beschrieben. Zu dieser Halterung gehört ein Zwischenstück 80, über das Sauerstoff-Bezugsgas von einer Bezugsgasquelle 82 an das Meßelement 20 geleitet werden kann. Ebenso sind durch das Zwischenstück 80 Leitungen für die Zufuhr von Signalen einer Temperaturmeßeinrichtung in dem Meßelement 20 geführt, um die in dem Meßelement 20 herrschende Temperatur mittels eines Temperaturüberwachungsorgans 84 beobachten zu können. Ein von dem als Festelektrolytzelle ausgebildeten Meßelement 20 in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt der Ofenarmosphäre erzeugtes elektrisches Signal gelangt ebenfalls durch das Zwischenstück 80 hindurch zu einem Aufzeichnungs- oder Meßkreis 86. Dieses Signal kann auch als Regelsignal zu einer Verbrennungseinrichtung zurückgeführt werden, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift 34 04 836 beschrieben wird. Die Ausgestaltung der Verbindungen der Sonde 10 mit der Bezugsquelle 82, dem Temperaturüberwachungsorgan 84 und derr Meßkreis 86 sind in Fig. IA veranschaulicht.

in F i g. 2 ist ein Längssuhniti durch u?- Meße'cmcnt 20 und die zugehörige Abschirmung 50 wiedergegeben. Das Sauerstoffmeßelement 20 enthält eine Festelektrolytzelle 30, die an dem Rohr 60 befestigt ist, das seinersei's mittels eines Klemmrings 42 in einem Isolierrohr 40 festgelegt ist. Das für eine thermische Isolierung sorgende Isolierrohr 40 ist büchsen- oder topfartig ausgebildet und kann typischerweise eine Innenwand 43 und eine Außenwand 44 '«aben. zwischen denen eine thermisch isolierende Isolierlage 45 angeordnet ist, die die temperaturempfindliche Sauerstofffestelektrolytzelle 30 gegenüber einer Wärmeübertragung von der Umgebungstemperatur isoliert, die in der Ofenatmosphäre herrscht. An das Isolierrohr 40 sind Federelemente 46 angeschlossen, die in Verbindung mit einer zylindrischen Dichtmanschette 47 für eine stabile Ausrichtung und Lagerung der Anordnung aus Sauerstoff-Meßelement 20 und Abschirmung 50 ir.nerh, Ib des stationären Stützrohrs 70 sorgen. Die kragenartig ausgebildete Dichtmanschette 47. die das Isolierrohr 40 umg jt. besteht aus dem gleichen thermisch isolierendem Material, das zwischen den Innenwänden des Isolierrohrs 40 angeordnet ist. und sorg·, für einen effektiven Durchmesser, der ausreicht, um die Anordnung aus Meßelement 20 und Abschirmung 50 in dem stationären Stützrohr 70 im wesentlichen in einer Preßpassung halten zu können. Die Dichtmanschette 47 dient zusätzlich da/u, die Anordnung auszurichten, so daß eine Barriere gegen in der Ofenatmosphäre enthaltende Festkörperteilchen gebildet wird, und daß diese Teilchen nicht in das stationäre Stützrohr 70 eindringen und sich ablagern können, weil sonst das Einset^n und Herausnehmen der Sonde 10 ungünstig beeinflußt werden könnte. Der effektive Durchmesser der Dichtmanschet:·: 47 kann durch EinstJ'ung eines Spannrings 48 verändert werden.

Die Festelektrclyt/elle 30 besitzt einen Festelektrolytkörper 31 in Form einer dicht angeschlossenen Scheibe, so <Jyß de, Rohrabschnitt 32 an seinem F.nde geschlossen ,st. wahrend das andere f.nde sich an dem Rohr 60 anschließt. Auf den sich gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytkörpers 31 sind elektroden 33 und 34 angeordnet, die beispielsweise aus porösen Platinschichten bestehen. Der Rohrabschnitt 32 sollte aus einem Material mit hoher Korrosionsfestigkeit bestehen und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, der dem des Festelektrolyten möglichst nahe

kommt, so daß eine integrale Dichtung zwischen dem Festelektrolytkörper 31 und dem Rohrabschnitt 32 stets gewährleistet ist.

Ein in dem Rohrabschnitt 32 angeordnetes Heizelement 35 sorgt für eine gleichförmige Betriebstempera' tür der Festelektrolytzelle. Von diesem Heizelement 35 aus erstrecken sich elektrische Zuleitungen durch das Rohr 60 und das Zwischenstück 80 zu dem Temperaturüberwachungsorgan 84.

Ein von dem Zwischenstück 80 der F i g. I ausgehen- ι ο des Einsatzrohr 36 weist Längsdurchbrüche für Leitung 37 zur Elektrode 33 sowie Leitungen zwischen dem Temperaturüberwachungsorgan 84 und einem Temperaturmeßelement 38 auf. welche Leitungen zum Betrieb des Heizelementes 35 dienen. Ein vierter in Längsrichtung verlaufender Durchgang in dem Einsatzrohr 86 dient zur Zufuhr von Bezugsgas wie Luft, das einen bekannten Sauerstoffgehalt aufweist, von einer Bezugsquelle 82 zu der mi? der Flel^f?^rod^ ^3 nnscrp^tnttptpn Oberfläche des Festelektrolytkörpers 31. Ebenso dient dieser vierte Durchgang für den Abzug der Sauerstoffproben über das Zwischenstück 80.

Geeignete Materialien für den Festelektrolytkörper 31 sind Zirkoniumoxid und Oxide von Calzium oder verwandte Materialien mit ausreichender Sauerstoff-Ionenleitung, um den Festelektrolyt für eine Sauerstoff-Gasmessung verwendbar zu machen.

Durch die Anwendung elektrisch leitenden Materials für den Rohrabschnitt 32 kann die Elektrode 34 mit dem Rohrabschnitt 32 in Kontakt gebracht werden und dann der Rohrabschnitt 32 als elektrischer Leiter dienen, der das von dem Festelektrolytkörper in Abhängigkeit vom Sauerstoff-Teildruck erzeugte Signal zu führen vermag. Die Verwendung von Metall für den Rohrabschnitt ermöglicht ferner die Weiterleitung des Signals zu dem Zwischenstück 80, an dem Kontakt zu einer Weiterleitung hergestellt wird, die zu dem Meßkreis 86 führt.

Die in der eingangs erwähnten US-Patentschrift beschriebene Sauerstoff-Festelektrolytzelle arbeitet derart, daß der Festelektrolytkörper 31 auf eine Differenz des Sauerstoffteildrucks zwischen dem Bezugssauerstoff an der Elektrode 33 und der Atmosphäre, die auf die Elektrode 34 einwirkt, durch Erzeugung einer elektrischen Signalspannung reagiert, die durch den entfernt angeordneten Meßkreis 86 überwacht und als Messung des Sauerstoffgehalts der unbekannten, auf die Elektrode 4 einwirkenden Atmosphäre ausgewertet wird. In dem vorliegenden Fall entspricht die an der Elektrode 34 angreifende Atmosphäre der Ofenatmosphäre, die durch die so Schutzkappe 52 di*r Abschirmung 50 diffundiert und zur Oberfläche des Festelektrolytkörpers 31, auf der die Elektrode 34 angeordnet ist, über Öffnungen 62 in einer wärmeleitenden Kappe 64 gelangt. Der Aufbau und die a) Arbeitsweise des Festelektrolytkörpers 31 in Verbindung mit den Elektroden 33 und 34 in Abhängigkeit von schwankenden Sauerstoffteildrücken der Atmosphäre b) wird ausführlich in der eingangs erwähnten US-Patentschrift erläutert, so daß dies hier entbehrlich ist

Die wärmeleitende Kappe 64 dient in erster Linie dazu, von dem Heizelement 35 erzeugte Wärme zu dem Endbereich 64a der wärmeleitenden Kappe 64 zu leiten. Der Endbereich 64a dient als stabile Temperaturschranke, so daß der Raum auf einer verhältnismäßig stabilen Temperatur gehalten wird, wie sie für den gewünschten Betrieb der Sauerstoffzelle erforderlich ist. Ein ringförmiger Luftraum dient als isolierende Barriere, die einen »Kurzschluß« der thermischen Leitung von der wärmeleitenden Kappe zu dem Festelektrolytkörper 31 über den Rohrabschnitt 32 im wesentliichen verhindert und die Leitung der Wärme zu dem geschlossenen Endbereich 64a gewährleistet. Von sekundärer Bedeutung ist dagegen der mechanische Schutz, den der verhältnismäßig zerbrechliche Festelektrolytkörper 31 durch die geschlossene Endkappe bei der Handhabung des Sauerstoffmeßelements vor dem Einsatz in die Ofenatmosphäre erhallt. Die wärmeleitende Kappe kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, das die erforderliche thermische Leitfähigkeit aufweist, z. B. kann es sich um rostfreien Stahl handeln.

Die Schutzabschirmung 50 weist eine mechanische Abstützung 54 auf, die fest an ein Abschlußteil 49 des offenendigen Isolierrohrs 40 angeschlossen ist. Die mechanische Abstützung 54 enthält eine Endplatte 55 und Schenkel 56 sowie 57, die sich zwischen der Endplatte 55 und derr Abschlußteil 49 erstrecken. Eine mit de^r Fndnlntte 55 7iisnmmenwirkende einstellhnrr Spannvorrichtung 58 übt eine bestimmte Kraft auf das geschlossene Ende in der porösen Schutzkappe 52 aus, um so das offene Ende der porösen Schutzkappe 52 im Verhältnis zu einer Dichtung 59 abzudichten. Durch diesen dichten Anschluß des offenen Endes der Schutzkappe 52 an der Dichtung 59 wird die Festelektrolytzelle 30 wirksam dagegen isoliert, in Kontakt mit Fremdstoffen zu kommen, wie sie in der Ofenati":osphäre enthalten sind. Durch Verwendung eines bei höherer Temperatur leicht eine Sauerstoffdiffusion zulassenden Materials für die poröse Schutzkappe 52 wird gewährleistet, daß das Sauerstoffmeßelement die notwendige Empfindlichkeit gegenüber dem Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre besitzt. Den Anforderungen hinsichtlich einer ausreichenden mechanischen Festigkeit gegenüber dem Auftreten von Fremdstoffen bei gleichzeitiger rascher Gasdiffusionsfähigkeit kann mittels eines porösen hitzebeständigen Materials, es handelt sich insbesondere um keramisches Material oder um ein Metall mit jeweils ausreichender Porösität, um den Durchtritt von Staub und Feststoffteilchen zu verhindern, gleichzeitig jedoch den gewünschten Gasdiffusionswert sicherzustellen, erfolgen.

Mit F i g. 3 ist ein Schnitt durch die Gasanalysensonde der F i g. 2 wiedergegeben, der die Lage und die Ausgestaltung der Schenkel 56 und 57 der mechanischen Abstützung 54 sowie die Ausrichtung der Schenkel im Verhältnis zu der Gasströmung innerhalb der Ofenatmosphäre erkennen läßt. Der Schenkel 56 ist so gestaltet, daß er einen Leitkörper ergibt, der zu der mit F i g. 3 gezeigten Gasstromverteilung führt. Die Leitkörpergestaltung des Schenkels 56 dient Jabei verschiedenen Zwecken:

Zum einen wird ein unmittelbares Auftreffen großer Feststoffteilchen auf die Oberfläche der Schutzkappe 52 verhindert;

zum anderen wird aber auch über die Oberfläche der porösen Schutzkappe 52 ein Luftstrom geleitet, der an den Oberflächen vorbeigleitet und so für eine Wisch- oder Reinigungswirkung sorgt, die die Ablagerung von Feststoffteilchen auf den Oberflächen der porösen Schutzkappe 54 verhindert, wobei eine solche Ablagerung sonst nach längerer Zeit die Poren der Schutzkappe 52 zusetzen und damit eine rasche Diffusion des Sauerstoffs beeinträchtigen könnte.

Untersuchungen im Prüffeld mit dem in Fig.3

dargestellten Aufbau führten zu einer Ablagerung von Feststoffteilchen PM in der in Fig.3 angedeuteten Weise. Die Gestaltung des Schenkels 56 als stromlinienförmiger Körper isc in F i g. 3 einfach als rechter Winkel dargestellt, jedoch versteht es sich, daß auch andere Ausführungen möglich sind, um den gewünschten Gasströmungsverlauf zu erhalten.

In FiS- 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Abschirmung, wie sie durch die Schutzkappe 52 in Fig.2 gegeben ist, gezeigt. Die einzelne Schutzkappe 52 der F i g. 2 ist hier durch zwei poröse Körper 152 und

154 ersetzt. Anstatt lediglich das Gas aus der Ofenatmosphäre durch Diffusion in Kontakt mit der Festelektrolytzelle 30 zu bringen, wird ein Gasströmungsverlauf aufgebaut, wie er von den Pfeilen angedeutet v/ird, so daß Gas, das durch den porösen Körper 152 diffundiert ist und anschließend von dem Sauerstoffühler erfaßt wird, abschließend durch den porösen Körper 154 diffundiert und durch die öffnungen 71 des stationären Stützrohrs 70 abgezogen wird. Es versteht sich, daß die Richtung der Gasströmung auch umgekehrt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gasanalysensonde (10) in Form einer Festelektrolytzelle (30) für die Überwachung einer gasförmigen Komponente in einer Umgebung aus strömendem Gas, das mitgeführte Festkörperteilchen enthält, mit einem Meßelement (20) mit einem Festelektrolytkörper (31), an dem auf gegenüberliegenden Seiten eine erste und eine zweite Elektrode (33, 34) befestigt ist, einer Einrichtung (70) zur Anordnung des Meßelements (20) innerhalb des strömenden Gases, einer dem Meßelemem (20) wirkungsmäßig zugeordneten Abschirmung (50), und Einrichtungen (82, 36), um eine Bezugsgasströmung mit der ersten Elektrode (33) in Kontakt zu bringen, sowie Einrichtungen (86), um das Potential eines elektrischen Signals zu messen, das zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (33, 34) erzeugt wird, wobei das Potential den Gehalt der in dem strötr^anden Gas zu überwachenden gasförmigen KomiHjnente anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die vor dem Meßelement (20) angeordnete Abschirmung (50) aus für das strömende Gas porösem Material besteht, und daß Einrichtungen (56) auf der porösen Abschirmung (50) vorhanden sind, die das anströmende Gas stromlinienförmig um die po:öse Abschirmung (50) leiten.

2. Gasanalysensonde nach Anspruch 1. wobei ein Heizelement (35) zur Erwärmung des Meßelementes (20) im Bereich der ersten Elektrode (31) sowie eine dem Heizelement (35) wirkungsmäßig zugeordnete und zu einer Stelle in dt. Nähe der zweiten Elektrode (34) geführte Wärmeleiteinrichtung (64). um den Bereich in der Nähe d-, zweiten Elektrode (34) wirksam auf einer verhältnismäßig gleichmäßigen Temperatur zu halten, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleiteinrichtung (64) mit Öffnungen (62) versehen ist. um durch die poröse Abschirmung (50) diffundiertes Gas hindurchtreten zu lassen und mit der zweiten Elektrode (34) in Kontakt zu bringen.

3. Gasanalysensonde nach Anspruch 1 oder 2. gekennzeichnet durch eine rohrförmige Wärmeabschirmung (40) nut einem offenen Ende, in der das Fühlerelement (20) so untergebracht ist. daß der Festelektrolytkörper (31) mit der zweiten Elektrode (34) dem durch die poröse Abschirmung diffundierten Gas ausgesetzt ist. und daß die poröse Abschirmung (50) einen Rohraufbau (52) mit einem geschlossenen Ende sowie eine Einrichtung (59) zur Abdichtung des offenen Endes des Rohraufbaus (52) bezüglich des offenen Endes der rohrförmigen Wärmeabschirmung (40) aufweist.

4. Gasanalysensonde nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Abschirmung (50) von einem einstückigen, topfartigen Körper gebildet ist.

5. Ciasanalysensonde nach einem der Ansprüche I —4. dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Abschirmung (50) eine Bahn für den Gasstrom durch die Gasanalysensonde.(lO) bildet.