-
"Verfahren zum Verändern des Meßbereichs und/oder der
-
Empfindlichkeit einer elektrochemischen Sauerstoff-Meßvorrichtung
sowie Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zum Verändern des Meßbereichs und/oder der Empfindlichkeit einer auf einen
Nenn-Meßbereich und/oder auf eine Nenn-Empfindlichkeit ausgelegten elektrochemischen
Sauerstof,-Meßvorrichtung, mit wenigstens zwei auf einem sauerstoffionenleitenden,
insbesondere festen Elektrolyten angeordneten Elektroden, wobei wenigstens eine
erste Elektrode von einem konstanten Meßgasstrom von Nenngröße beaufschlagt wird
und ein über die Elektroden durch den Elektrolyten fließender elektrischer Strom
als Maß für den Sauerstoffgehalt des Meßgases erfaßt wird, sowie eine Sauerstoff-Mel3vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
-
Bei einer bekannten Sauerstoff-Meßvorrichtung dieser Art wird während
des Meßvorgangs der gesamte Sauerstoffanteil des Meßgasstroms elektrolytisch aus
dem Meßgasstrom extrahiert, in Form von Salrerstoffionen durch den Elektrolyten
zur zweiten Elektrode transportiert und dort zu Sauerstoffmolekülen oxidiert. Der
hierbei fließende und mit dem Strommeßgerät erfaßte Strom ist ein Maß für den Sauerstoffionentransport
und somit für den Sauerstoffgehalt des Meßgasstroms.
-
Um hierbei einen linearen oder zumindest weitgehend linearen Zusammenhang
zwischen dem elektrischen Strom und dem Sauerstoffionentransport bzw. dem Sauerstoffgehalt
des Meßgasstroms zu erzielen, ist es erforderlich, die Größe des Meßgasstroms auf
die Größe der ersten Elektrode abzustimmen, oder falls die Elektroden unterschiedliche
Größen aufweisen sollten, ddn Meßgasstrom auf die Größe der kleineren Elektrode
abzustimmen.
-
Der lineare Zusammenhang zwischen Sauerstoffgehalt und elektrischem
Strom gestattet die Eichung der Sauerstoffmeßzelle mit Hilfe eines einzigen Eichpunktes
durchzuführen.
-
Um eine quantitative Aussage über den Sauerstoffgehalt des Meßgasstroms
machen zu können, ist es erforderlich, gegebenenfalls die Größe des Meßgasstroms
zu erfassen oder eine Eichung durchzuführen und den Gasstrom während des Meßvorgangs
konstant zu halten.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, zur Erweiterung des Einsatzbereichs und zur exakten Anpassung an die
vorliegende Meßaufgabe ein Verfahren zum Verändern des Meßbereichs und/oder der
Empfindlichkeit einer auf einen Nenn-Meßbereich und/oder auf einen Nenn-Empfindlichkeit
ausgelegten elektrochemischen Sauerstoff-Meßvorrichtung anzugeben, das einfach und
somit ohne großen konstruktiven Aufwand durchgeführt werden kann.
-
Darüberhinaus soll die Veränderung des Meßbereichs und/oder der Empfindlichkeit
ohne Betriebsunterbrechung bzw. ohne
wesentliche Betriebsunterbrechung
durchzuführen sein.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der Meßgasstrom
auf konstante, von der Nenngröße abweichende Werte eingestellt wird. Da die Sauerstoff-Meßvorrichtung
bei vorgegebener Elektrodengröße jeweils nur ein bestimmtes Sauerstoffvolumen in
der Zeiteinheit aus dem Meßgasstrom extrahieren kann, ändert si<h bei einer Veränderung
des Meßgasstroms auf beliebige Werte die Steigung der Kennlinie und die Größe des
Meßbereichs. Durch die erfindungsgemäße Lehre ist somit eintWeq.gezeigt, wie auf
überraschend einfache Weise eine Veränderung des Meßbereichs und/oder der Empfindlichkeit
einer Sauerstoff-Meßvorrichtung durchgeführt werden kann.
-
Hierbei wird vorteilhaft der Meßgasstrom zur Erweiterung des Nenn-Meßbereichs
und/oder zur Verringerung der Nenn-Empfindlichkeit vermindert, zur Verkleinerung
des Nenn-Meßbereichs und oder zur Steigerung der Nennempfindlichkeit dagegen vergrößert.
-
Eine besonders einfache Weiterbildung des Verfahrens mit Verminderung
des Meßgasstroms besteht darin, daß von diesen ein konstanter Teilstrom stromaufwärts
der ersten Elektrode abgezweigt wird. Um diesen Teilstrom ist der Meßgasstrom, welcher
die.erste Elektrode beaufschlagt, vermindert.
-
Eine bevorzugte Sauerstoff-Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
mit einem sauerstoffionenleitenden, insbesondere festen Elektrolyten, der mit wenigstens
zwei Elektroden versehen ist, von denen eine erste Elektrode als Meßelektrode eingesetzt
ist und an einen Meßgaskanal grenzt, der unter Zwischenschaltung eines Strömungskonstanthalters
mit einer Meßgasquelle verbindbar ist, wobei beide Elektroden unter
Einschaltung
eines Strommeßgerätes mit einer elektrischen Stromquelle verbindbar sind, ist dadurch
gekennzeichnet, daß im Meßgaskanal wenigstens ein weiterer auf einen festen Durchlaßwert
eingestellter zweiter Strömungskonstanthalter angeordnet und dem ersten Strömungskonstanthalter
parallel schaltbar ist, und/oder daß an dem Meßkanal stromaufwärts der ersten Elektrode
eine Abzweigleitung für die Abfuhr eines Meßgas-Teilstromes angeschlossen ist.
-
In den Weg des Meßgasstroms ist zunächst ein Strömungskonstanthalter
eingeschaltet, der einen Meßgasstrom von Nenngröße aufrechterhält. Ein solcher Strömungskonstanthalter
kann aus einer Pumpe mit einstellbarem konstantem Förderstrom bestehen. Einfacher
und kostengünstiger ist jedoch eine Ausführungsform, bei der eine Verengung in den
Meßgasstrom eingeschaltet ist, die bei Schallgeschwindigkeit des Meßgases einen
Meßgasstrom von Nenngröße durchläßt, wobei zwischen der Abströmseite und der Zuströmseite
der Verengung ein die Schallgeschwindigkeit bewirkendes Druckverhältnis, nämlich
das sogenannte kritische Druckverhältnis einstellbar ist. Um nun den Meßgasstrom
vergrößern zu können, ist ein weiterer oder gegebenenfalls mehrere Strömungskonstanthalter
vorgesehen, der auf einen festen Durchlaßwert eingestellt ist und dem ersten Strömungskonstanthalter
parallelgeschaltet werden kann.
-
Zur einfachen Verringerung des Meßgasstroms dient die Alternative,
wonach ein Teilstrom des Meßgases stromaufwärts der ersten Elektrode durch eine
Abzweigleitung abgeführt werden kann.
-
Zur Vereinfachung des gesamten Aufbaus ist vorzugsweise der zweite
Strömungskonstanthalter identisch ausgeführt mit dem ersten Strömungskonstanthalter
und daher dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Verengung mit einem bei Schallgeschwindigkeit
des
Meßgases einen den gewünschten zusätzlichen Meßgasstrom durchlassenden Durchtrittsquerschnitt
aufweist und daß zwischen Abströmseite und Zuströmseite der Verengung ein Druckverhältnis
einstellbar ist, das in der Verengung die Schallgeschwindigkeit des Gasstromes bewirkt.
Die Verengung besteht vorzugsweise aus einer Düse oder einer Blende.
-
Im Falle der Verringerung des Meßgasstroms ist vorteilhaft in der
Abzweigleitung eine vorzugsweise einstellbare Drosselvorrichtung vorgesehen.
-
Steht das zur Sauerstoff-Meßvorrichtung strömende Meßgas unter Überdruck
und ist der erste Strömungskonstanthalter stromaufwärts der Abzweigleitung vorgesehen,
so ist es am einfachsten, die Abzweigleitung in den Außenraum münden zu lassen.
-
Befindet sich der Strömungskonstanthalter dagegen stromabwärts der
Meßelektrode und/oder weist das Meßgas Unterdruck gegenüber dem Außenraum auf, so
ist es empfehlenswert, das zweite Ende der Abzweigleitung an den Meßgaskanal stromab
der Meßelektrode vor dem Strömungskonstanthalter anzuschließen. In diesem Fall bildet
die Abzweigleitung einen Bypass, durch den ein Teil des Meßgasstroms die Sauerstoffmeßzelle
umgeht.
-
Die Einstellung des Meßgasstroms auf verschiedene konstante Werte
kann wie bereits dargelegt durch eine in der Abzweigleitung angeordnete einstellbare
Drosselvorrichtung bestehen.
-
Einfacher ist es jedoch, daß die Abzweigleitung in mehrere parallelgeschaltete,
wahlweise einschaltbare Teilleitungen aufgeteilt ist. Hierdurch kann jede Teilleitung
auf einen bestimmten Strömungswiderstand eingestellt werden und durch die beliebige
Kombination dieser Teilleitungen der gewünschte
Meßgas-Teilstrom
auf einfache Weise gewählt werden, zum Beispiel durch in den Teilleitungen angeordnete
Absperrorgane.
-
Bei einer Sauerstoff-Meßvorrichtung, deren Elektrolyt den Meßgaskanal
von einem vorzugsweise an die zweite Elektrode grenzenden Elektrodenraum trennt,
ist vorzugsweise die Abzweigleitung von einer Durchtrittsöffnung des Elektrolyten
und dem Elektrodenraum gebildet. Hierbei ist vorzugsweise die Durchtrittsöffnung
als Drosselstelle ausgebildet, welche die Größe des Meßgas-Teilstromes hauptsächlich
bestimmt.
-
Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
daß bei einem rohrförmigen, an einem Ende geschlossenen Elektrolyten und diesen
ringförmig umgebenden Meßkanal sowie innerhalb des Elektrolyten angeordnetem Elektrodenraum,
der mit einem axial verlaufenden Heizstab unter Bildung eines Ringraumes versehen
ist, die Durchtrittsöffnung am geschlossenen Ende des Elektrolyten angeordnet ist
und in ihrem Querschnitt durch den axial verschiebbaren Heizstab veränderbar ist.
Der Heizstab dient somit als Absperrkörper mit dem der Querschnitt der Durchtrittsöffnung
einstellbar bzw. absperrbar ist.
-
Zur Erzielung einer günstigen Drosselcharakteristik und für eine sichere
Absperrung des Durchtrittsquerschnitts ist es empfehlenswert, daß die Durchtrittsöffnung
sich in Strömungsrichtung kegelförmig erweitert und die Spitze des Heizstabes einen
entsprechenden Gegenkegel aufweist.
-
Wird der an die zweite Elektrode grenzende Elektrodenraum als Abzweigleitung
mitbenutzt, so ist vorteilheit die elektrische Stromquelle über einen Polumschalter
in den elektrischen Stromkreis einschaltbar. Durch die Betätigung dieses Umschalters
wird die Polung der Elektroden umgeschaltet und somit wechselweise die erste oder
zweite
Elektrode als Meßelektrode eingesetzt. Fließen hierbei in
dem Raum, der an die erste Elektrode grenzt, und im Elektrodenraum verschieden große
Gasströme, so kann durch die Umschaltung der Polarität der Elektroden jeweils der
für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall günstigste Gasstrom als Meßgasstrom
zur Messung benutzt werden.
-
Hierdurch ergibt sich eine einfache Veränderungsmöglichkeit des Meßbereichs
und/oder der Meßempfindlichkeit der elektrochemischen Meßvorrichtung ohne Eingriff
in den Fluß des Meßgasstroms.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor. Hierbei zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Sauerstoff-Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung mit einer Abzweigleitung, Figur 2 einen Längs schnitt durch
eine Saugpumpe für Handbetrieb, die als Ausführungsvariante an den Pufferraum der
Figur 1 anschließbar ist, Figur 3 einen Längsschnitt durch den Strömungskonstanthalter
in Form einer Düse als Einzelheit und in größerem Maßstab, Figur 4 eine Ausführungsvariante
des Gegenstands der Figur 1, Figur 5 eine weitere Ausführungsvariante des Gegenstands
der Erfindung, wobei mehrere Strömungskonstanthalter in Form von Düsen parallelschalt'-bar
sind und Figur 6 - die Kennlinien der Sauerstoff-Meßvorrichtungen gemäß den Figuren
1 bis 5.
-
Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Ferner sind in den einzelnen Figuren wiederkehrende Einzelteile nur insoweit
mit Bezugszeichen versehen, als dies für das Verständnis erforderlich ist.
-
Gemäß Figur 1 weist die elektrochemische Meßvorrichtung eine Meßzelle
10 mit einem etwa quaderförmigen Grundkörper 12, -zum Beispiel aus Metall, auf.
Aus der einen Grundfläche des Grundkörpers 12 ragt ein kreisringzylindrischer Vorsprung
14, an dessen freiem Ende ein Festelektrolytrohr 16 befestigt ist.
-
Das Festelektrolytrohr ist auf seiner Außenseite mit der ersten Elektrode
18 versehen, die von der verschlossenen Spitze 20 aus gesehen etwa zwei Drittel
der Festelektrolytrohrlänge bedeckt. Auf der Innenseite des Festelektrolytrohres
16 ist die zweite Elektrode 22 vorgesehen, die sich von der Spitze 20 bis zur Befestigungsstelle
des Festelektrolytrohres
16 am Vorsprung 14 erstreckt und in elektrisch
leitendem Kontakt mit dem Vorsprung 14 steht. Dies ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
dadurch erreicht, daß die zweite Elektrode 22 mit dem Zentriervorsprung 24 in Berührung
steht. Die zweite Elektrode 22 grenzt an den Elektrodenraum 23.
-
Die Elektroden bestehen aus einem keramischen oder metallischen Material,
durch welches der Sauerstoff ungehindert dringen kann, zum Beispiel durch poröse
Ausbildung des Materials. Hierfür geeignete Werkstoffe sind zum Beispiel Silber
oder Platin, als Werkstoff für das sauerstoffionenleitende Festelektrolytrohr kann
Zirkoniumoxid verwendet werden, das mit Kaliumoxid dotiert ist.
-
Das mit Elektroden versehene Festelektrolytrohr 16 ist von einem Hüllrohr
26 umgeben, so daß zwischen der ersten Elektrode 18 und dem Hüllrohr 2G ein Raum
28 mit kreisringförmigem Querschnitt gebildet ist, wobei die lichte Weite dieses
Raumes 28 in radialer Richtung etwa 0,3 bis 2 mm, vorzugsweise etwa 0,5 mm beträgt.
Wegen der Übersichtlichkeit ist in den Figuren diese Weite größer dargestellt. Das
Hüllrohr 26 ist in eine kreisringförmige Aussparung 30 des Grundkörpers 12 eingesteckt
und befestigt, sein anderes Ende ist kuppenförmig verschlossen, wobei der Abstand
der Verschlußkuppe 32 zur ersten Elektrode 18 der ebenfalls kuppenförmigen Spitze
20 etwa gleich ist dem-Abstand zwischen dem zylindrischen Bereich des Hüllrohres
26 und der ersten Elektrode 18. Der Raum 28 ist Bestandteil des Meßgaskanals 29.
-
An der Spitze der Verschlußkuppe 32 ist ein Rohrstutzen 34 vorgesehen,
der in einer Erweiterung 36 ein Gasfilter 38 aufweist, das zum Beispiel aus Watte.
oder einem porösem Keramikkörper bestehen kann. Schließlich ist die Erweiterung
36 mit einem axial durchbohrten Nippel 40 verschlossen, durch welchen das zu messende
Gas zugeführt wird-. Das gesamte Hüllrohr 26 ist schließlich noch mit einem Isoliermantel
42gungeben, der
sich bis zum Grundkörper 12 erstreckt. Als Material
für den Isoliermantel kann zum Beispiel Mineralwolle eingesetzt werden.
-
Der am Grundkörper 12 angeordnete ringförmige Vorsprung 14 ist von
einem im Grundkörper verlaufenden konzentrischen Ringspalt 44 umgeben, der einerseits
in den Raum 28 mündet, und der andererseits an einen quer zur Längsachse der Meßzelle
verlaufenden, im Querschnitt kreisförmigen Raum 46 angeschlossen ist. Die quer zur
Längsachse verlaufende Anschlußbohrung 48 ist hierbei in Richtung zur Längsachse
weitergeführt, so daß auch der Innenraum 50 des Vorsprungs 14, welcher mit dem Innenraum
des Festelektrolyten, nämlich dem Elektrodenraum 23, eine Einheit bildet, an-den
Raum 46 angeschlossen ist.
-
Der Raum 46, der vorzugsweise als Bohrung ausgebildet ist, weist Gewinde
auf, in welches ein Einsatz 52 mit Hilfe eines am Einsatz vorgesehenen Kopfes 54
eingeschraubt ist. Der in den Grundkörper 12 ragende Bereich des Einsatzes 52 ist
kreisringförmig ausgebildet und klemmt ein scheibenförmiges Filter 58 zwischen sich
und einem Haltering 35 ein.
-
Eine Verjüngung bildet hierbei den Übergang des Raumes 46 zur Anschlußbohrung
48, das Filter 58 ist bezüglich seines Materials identisch mit dem Gasfilter 38.
-
Am Kopf 54 ist ein nach außen ragender Anschlußnippel 60 zentrisch
angec>rdnet, der von einem zentrisch verlaufenden und zur Ausnehmung 56 führenden
Kanal 62 durchdrungen ist. Im Bereich seine inneren Ausmündung weist der Kanal 62
eine Stufe auf, in welcher die Düse 64 mit ihrem zylindrischen Bereich 66 befestigt
ist, wobei die Düse 64 frei in die Ausnehmung 56 ragt. Die Düse bildet den ersten
Strömungskonstanthalter.
-
Der Aufbau der Düse ist am besten aus Figur 3 zu ersehen, welche die
Düse als Einzelheit und im yrößeren Maßstab darstellt. Danach ist der Einlauf 68
der Düse abgerundet und fahrt zum engsten Durchtrittsquerschnitt 70, an den sich
eine
kegelförmige Erweiterung 72 anschließt, wobei der Öffnungswinkel 1 der Erweiterung
etwa 8 bis 18°, vorzugsweise 10 bis 15° beträgt. An die Erweiterung 72 schließt
sich der zylindrische Bereich 66 an.
-
Die engste Stelle des Durchtrittsquerschnitts 70 ist nun so gewählt,
daß bei einer Durchströmung dieser Stelle mit Schallgeschwindigkeit eine für Nennbetrieb
ausreichende Gasmenge durchtritt. Als Richtwert für den Durchtrittsquerschnitt 70
kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem der Raum 28 einen Querschnitt
von etwa 10 bis 20 mm2 aufweist, ein Wert von etwa 0,8 bis 20 x 10 mm2 gelten. Die
Gesamtlänge der Düse ist etwa 15 bis 30 mm, die Länge der Erveiterung 72 liegt zwischen
5 und 10 mm bei einer Lichtweite des zylindrischen Bereichs 6G von etwa 5 bis 8
mm. Als bevorzugtes Material für die Düse dient Glas, auch mit Laserstrahlen durchbohrte
Saphire sind empfehlenswert. Der gasführende Querschnitt der Düse ist kreisförmig,
das Gleiche gilt auch für die Blende 120. Die Fläche der ersten Elektrode liegt
ungefähr zwischen 5 cm2 und 50 cm2, vorzugsweise zwischen 10 und 30 cm2.
-
Wie aus Figur 1 weiter zu ersehen, verbindet die Düse die Ausnehmung
56, welche die Zuströmseite des Gases bildet, mit dem Kanal 62, welcher die Abströmseite
der Düse darstellt.
-
An den Anschlußnippel 60 ist über eine Anschlußleitung 74 ein Pufferraum
76 angeschlossen, der über eine weitere Leitung 78 mit einer Saugvorrichtung 80,
zum Beispiel in Form einer Gaspumpe, verbunden ist, deren Auslaß in den Außenraum
82, oder insbesondere bei giftigen Vasen in einen Auffangraum mündet.
-
An den Rohrstutzen 34, welcher den Meßgaskanal 29 mitbildet und der
stromaufwärts der ersten Elektrode 18 angeordnet ist, ist die Abzweigleitung 37
angeschlossen. Diese umgeht den Raum 28 und mündet in den Raum 46, der den Meßgaskanal
ebenfalls mitbildet und stromabwärts der ersten Elektrode angeordnet ist. In der
Abzweigleitung 37 ist ein Drossel- bzw.
-
Absperrorgan 39 angeordnet. Dieses ist durch zwei Teilleitungen 41
überbrückt, welche ebenfalls Drossel- bzw. Absperrorgane 43 bzw. 45 enthalten. Schließlich
ist noch die Abzweigleitung 37 mit einer Ausströmleitung 47 versehen, die ebenfalls
ein Drossel- bzw. Absperrorgan 49 enthält. Die Ausströmleitung 47 ist dazu vorgesehen,
einen Teilstrom des Meßgases unmittelbar in den Außenraum 82 abzuleiten.
-
In Figur 2 ist eine Ausführungsvariante bezüglich der Saugvorrichtung
dargestellt, die anstelle der Saugvorrichtung 80 an den Pufferraunt 76 angeschlossen
werden kann. Die Saugvorrichtung gemäß Figur 2 besteht aus einer Handpumpe 84, deren
Kolben 86 durch einen Pumpenhebel 88 betätigt werden kann, so daß über die angedeuteten
Ventile 90 Gas aus dem Pufferraum 76 über die Leitung 92 angesaugt und durch den
Auslaß 94 in den Außenraum ausgestoßen werden kann.
-
Zum Erfassen der Oruckverhältnisse des Gasstroms ist am Pufferraum
76 ein Manometer 96 angeordnet, oder gegebenenfalls kann ein Differenzmanometer
98 zwischen die Ausnehmung 56 und die Anschlußleitung 74 oder den Kanal 62 eingeschaltet
sein.
-
Um an die Elektroden £8,22 die erforderliche Meßspannung legen zu
können, führt von der ersten Elektrode 18 eine elektrische Leitung 100 radial in
den Außenraum 82, wobei an der Durchdringungsstelle des Hüllrohres 26 eine Isolierperle
1C2 eingefügt ist. Die zweite Elektrode 22 ist über den Zentriervorsprung 24 und
den Vorsprung 14 mit dem Grundkörper
12 elektrisch leitend verbunden,
so daß der Grundkörper 12 zusammen mit der elektrischen Leitung 100 als elektrische
Anschlüsse der Elektroden dienen. Diesen Anschlüssen wird die für die Messung erforderliche
Spannung über elektrische Leitungen 108 von einer Gleichspannungsquelle 104, zum
Bei spiel in Form einer elektrischen Batterie, zugeführt, wobei ein Strommeßgerät
106, zum Beispiel ein Milliamperemeter, ein Regelwiderstand 110 und ein elektrischer
Schalter 112 eingefügt sind.
-
Im Elektrodenraum 23 ist noch eine stabförmige, vorzugsweise elektrische
Heizung 114 angeordnet, um das Festelektrolytrohr auf Betriebstemperatur zu bringen.
Die zur Heizung 114 führenden elektrischen Anschlußleitungen sind in Figur 1 nicht
dargestellt. Die Mindest-Botriebstemperatur beträgt ca. 400" C.
-
Bevor mit der vorbeschriebenen Meßvorrichtung Sauerstoffmessungen
durchgeführt werden können, ist eine Ersteinstellung bzw. Eichung erforderlich,
die am besten gleich bei der Herstellung der Meßvorrichtung durchgeführt wird. Hierzu
ist es am einfachsten, ein Gas zu benutzen, das in chemischer und physikalischer
Hinsicht dem zu messenden Gas ähnlich ist.
-
Soll die Meßvorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes
in Abgasen eingesetzt werden, so kann für die Eichung Luft benutzt werden. Das kritische
Druckverhältnis für Luft als zweiatomiges Gas beträgt hierbei 0,528. Der Nenn-Meßbereich
soll hierbei 21 Volumenprozent Sauerstoff umfassen.
-
Für die Ersteinstellung wird zunächst die Heizung 114 und dann die
Saugvorrichtung 80 in Betrieb genommen und deren Sauäleistung so eingestellt, daß
das Druckverhältnis zwischen der Abströmseite 62 und Zuströmseite 56 der Düse 64
gleich dem kritischen Druckverhältnis oder vorzugsweise kleiner ist.
-
Die Einstellung geschieht hierbei mit Hilfe des Differenzdruckmanometers
98. Ist der Druck des zugeführtSn Eichgases
bekannt, zum Beispiel
beim Ansaugen von Umgebungsluft, so genügt auch die Messung des Druckes auf der
Abströmseite der Düse, zum Beispiel des Druckes im Pufferraum 76 für die Bestimmung
des Druckverhältnisses. Ist die Ersteinstellung der Saugvorrichtung 80 einrnal auf
diese Weise durchgeführt worden, so ist eine weitere laufende Überwachung des Drucverhältnisses
nicht erforderlich, wenn diese Einstellung beibehalten wird. Ein Nenn-Gasstrom von
gleichbleiuender Größe ist somit auch im Langzeitbetrieb gewährleistet.
-
Für den Fall, daß das zu messende Gas der Meßvorrichtung mit Überdruck
zugeführt wird, sind eine Saugvorrichtung 80 und gegebenenfalls ein Pufferraum 76
nicht erforderlich, falls die Abströmseite 62 der Düse auf niedrigerem Druck liegt,
zum Beispiel durch Verbindung mit dem Außenraum, und sich das gewünschte Druckverhältnis
somit einstellt.
-
Ist nun auf vorbeschriebene Weise die Ersteinstellung durchgeführt
worden und der Festelektrolyt auf Betriebstemperatur gebracht, so wird der Schalter
112 geschlossen und an die Elektroden 18,22 eine Gleichspannung von etwa 1 Volt
gelegt.
-
Die Regulierung dieser Spannung kann durch den Regelwiderstand i10
erfolgen. Der Anzeige des Strommeßgerätes 106 wird jetzt ein Sauerstoffgehalt von
21 Volumenprozent zugeordnet. Da beim vorliegenden Meßprinzip ein linearer Zusammenhang
zwischen dem Sauerstoffgehalt des zu messenden Gases und dem im Meßkreis fließenden
Strom besteht, genügt ein einziger Meßpunkt für die Eichung.
-
Bei der vorbeschriebenen Ersteinstellung bzw. Eichung sind die Drossel-
bzw. Absperrorgane 39,43,45,49 geschlossen, so daß der gesamte Meßgasstrom an der
ersten Elektrode 18 vorbeigeführt wird und die Meßvorrichtung daher mit dem Nenn-Meßbereich
21 Volumenprozent und mit Nennempfindlichkeit arbeitet.
-
-Die Kennlinie dieser auf Nenndaten ausgelegten Meßzelle ist in Figur
6 dargestellt und mit a bezeichnet.
-
Auf die gleiche Weise werden weitere Eichungen der Meßvorrichtung
vorgenommen, bei denen jeweils eines der Drossel- bzw.
-
Absperrorgane 39,43,45 geöffnet ist. In diesem Fall wird jetzt ein
Teilstrom vom Meßgasstrom abgezweigt und umgeht den Raum 28, so daß dort der Meßgasstrom
verringert ist, während der Strömungskonstanthalter 64 mit gleichbleibendem konstantem
Durchsatz arbeitet. Durch mehr oder wenig weites Öffnen der Drossel- bzw. Absperrorgane
kann der Durchfluß auf beliebige konstante Werte einreguliert werden. Auch kann
der Strömungswiderstand bzw. Gasdurchfluß ohne Drosselorgane durch entsprechende
Ausbildun der Leitungsquerschnitte bzw. Eizelwiderstäde wie Umlenkungen festgelegt
werden.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll der Strömungswiderstand der
Abzweigleitung 37 bzw. der Teilleitung 41 so ausgelegt sein, daß bei einer Öffnung
des Drossel- bzw. Absperrorgans 43 der Meßgasstrom in zwei gleiche Hälften aufgeteilt
wird, von denen die eine durch den Raum 28 strömt und die Meßelektrode beaufschlagt,
wogegen die zweite Hälfte die Meßvorrichtung umgeht. Bei der Eichung der Meßvorrichtung
mit Luft von 21 Volumenprozent Sauerstoff ergibt sich jetzt eine Kennlinie, die
in Figur 6 mit b bezeichnet ist. Die Steigung dieser Kennlinie ist entsprechend
der Verringerung des Meßgasstroms ebenfalls auf die Hälfte verringert und somit
der lineare Meßbereich erheblich vergrößert. Denn der lineare Meßbereich erstreckt
sich vom Nullpunkt bis etwa zu einem Sättigungszustand, in welchem die Leistungsgrenze
der Meßelektrode erreicht ist und in dem die Kennlinie einen etwa horizontalen Verlauf
aufweist, der durch eine horizontale Grenzgerade c bezeichnet ist.
-
Beim alleinigen Öffnen des Drossel- bzw. Absperrorgans 39 soll ein
Drittel des Meßgasstroms über die Abzweigleitung 37 geführt werde, so daß die Kennlinie
dementsprechend eine Steigung aufweist, die um ein Drittel gegenüber der Nenngröße
verringert ist. Dieser Kennlinienverlauf
ist in Figur 6 mit d bezeichnet.
-
Schließlich soll bei der alleinigen Öffnung des Drossel- bzw.
-
Absperrorgans 45 ein Viertel des Nenn-Meßgasstroms über die Abzweigleitung
37 fließen, so daß sich bei der Eichung der Meßvorrichtung mit Luft eine Kennlinie
gemäß e einstellt, deren Steigung gegenüber der Nennsteigung der Kennlinie a um
ein Viertel verkleinert und der Meßbereich entsprechend vergrößert ist. Selbstverständlich
lassen sich durch kombiniertes Öffnen der Drossel bzw. Absperrorgane 39,43,45 verschieden
große Meßgasteilströme einstellen und somit entsprechende Neigungen bzw. Empfindlichkeiten
und Meßbereiche der elektrochemischen Meßvorrichtung erreichen.
-
Eine Ausführungsform, bei der die Abzweigleitung 37 die erste Elektrode
18 umgeht, wird man dann anwenden, wenn der Strömungskonstanthalter stromabwärts
der ersten Elektrode angeordnet ist und/oder wenn das ganze System unter Unterdruck
steht.
-
Steht dagegen der Meßgasstrom beim Eintritt in die Meßzelle unter
Überdruck und ist der Strömungskonstanthalter stromaufwärts der Abzweigleitung 37
angeordnet, so ist gegebenenfalls nicht erforderlich, die Abzweigleitung 37 wieder
in den Meßgaskanal stromabwärts der ersten Elektrode münden zu lassen.
-
In diesem Fall genügt es, wenn der vorgesehene Meßgasteilstrom durch
Öffnen des Drossel- bzw. Absperrorgans 49 ins Freie abgeblasen wird. Es leuchtet
ein, daß hierbei mehrere dieser Drosel- bzw. Absperrorgane vorgesehen sein können,
deren Durchfluß jeweils auf einen anderen Wert eingestellt ist, um so verschiedene
Neigungen der Kennlinie zu erreichen.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch Alterungen und/oder
Temperaturänderungen des Festelektrolyten und/oder Verschmutzungen der Elektroden
ausgeglichen werden, die zu einer Verkleinerung des linearen oder zumindest weitgehend
linearen Nenn-Meßbereichs führen. Treten solche Verkleine-
rungen
des Nenn-Meßbereichs auf, so kann durch die oben beschriebene Verringerung des Meßgasstroms
der Meßbereich erweitert und der ursprüngliche Nenn-Meßbereich wieder erreicht werden,
wobei allerdings eine Verringerung der Empfindlichkeit inkauf genommen werden muß.
Auf der anderen Seite kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Empfindlichkeit
einer elektrochemischen Meßzelle eingestellt und auf den jeweiligen Einsatzfall
der Meßvorrichtung abgestimmt werden.
-
Soll mit der Meßvorrichtung jetzt der Sauerstoffgehalt von Verbrennungsabgasen
im Nennbereich gemessen werden, so ist die Meßvorrichtung mit Hilfe des Nippels
40 und gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Gaskühlers mit der Abgasleitung
zu verbinden. Die Saugvorrichtung 80 saugt jetzt einen konstanten Gasstrom durch
den Meßgaskanal der folgende Teile umfaßt: Gasfilter 38, Raum 28, Anschlußbohrung
48, Raum 46, Filter 58, Ausnehmung 56, welche gleichbedeutend ist mit der Zuströmseite
der Düse, Düse 64, Kanal 62, welcher gleichbedeutend ist mit der Abströmseite der
Düse, Pufferraum 76 und Saugvorrichtung 80. Beim Vorbeiströmen des Gasstromes an
der ersten Elektrode 18 wird der im Gasstrom enthaltene Sauerstoff extrahiert, in
Form von Ionen durch den Festelektrolyten geleitet und an der zweiten Elektrode
22 wiederum zu Sauerstoff oxidiert und in den Innenraum des Festelektrolytrohres
abgegeben. Der Sauerstoff strömt dann durch die im Vorsprung 14 vorgesehene radiale
Anschlußbohrung 48 ab und wird dem Gasstrom wieder beigemischt. Der hierbei von
der Gleichspannungsquelle 104 bei geschossenem Schalter 112 über die Elektroden
18,22 fließende Strom wird hierbei vom Strommeßgerät 106 erfaßt. Dieser Strom ist
ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Gases, gegebenenfalls erfolgt die Anzeige des
Strommeßgerätes unmittelbar in Volumenprozent Sauerstoff. Im vorliegenden Fall sind
die Drossel- bzw. Absperrorgane 39,43,45,47 geschlossen, die Kennlinie der Meßzelle
besitzt den Verlauf
gemäß a der Figur 6. Durch Öffnen der einzelnen
Drossel-bzw. Absperrorgane 43,39,45 kann dann, wie vorbeschrieben, der Nenn-Meßbereich
und/oder die Nenn-Empfindlichkeit verändert und an den vorgegebenen Meßfall angepaßt
werden.
-
In den meisten Fällen wird die Saugvorrichtung 80 als elektrische
Saugpumpe ausgebildet sein. Für Kurzzeitmessungen, zum Beispiel für Betriebsüberwachungen,
ist es jedoch empfehlenswert, anstelle der Saugvorrichtung 80 eine Handpumpe 84
einzusetzen. Dieser Fall ist in Figur 2 dargestellt. Mit Hilfe der Handpumpe 84,
die an den Pufferraum 76 angeschlossen ist, wird im Pufferraum ein für die Erzeugung
des kritischen Druckverhältnisses ausreichender Unterdruck erzeugt und durch die
Wirkung des Pufferraums konstant gehalten. Wird hierbei der für die Erzeugung des
kritischen Druckverhältnisses erforderliche Unterdruck im Pufferraum 76 stark unterschritten,
so ist ein intermittierender Betrieb der Handpumpe 84 möglich, denn in den Betriebspausen
der Pumpe sichert der Unterdruck des Pufferraums 76 den für die Messung erforderlichen
konstanten Gasfluß.
-
In Figur 4 ist eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Figur
1 darqestellt. Während in Figur 1 der Meßgasteilstrom durch die Aizweigleitung 37
außerhalb der Meßvorrichtung geführt ist, wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur
4 der Meßgasteilstrom im Innenraum des Festelektrolyten geführt, nämlich im llektrodenraum
23, der an die zweite Elektrode 22 grenzt. Wie aus Figur 4 deutlich zu ersehen ist,
besitzt-der Festelektrolyt all seinem kuppenförmigen geschlossenen Ende eine zentrale,
axial verlaufende Durchtrittsöffnung 51, die den Raum 28 und somit den Strömungskanal
29 mit dem Elektrodenraum 23 verbindet. Da der Elektrodenraum 23 durch die Anschlußbohrung
48 stromabwärts der ersten Elektrode wieder an den Meßgaskanal angeschlossen ist,
ist somit ein innerer Bypass für den Meßgasteilstrom geschaffen.
-
Die Durchtrittsöffnung 51 ist hierbei als Drosselstelle ausgebildet
und kann auf einfache Weise mit Hilfe eines Absperrkörpers oder vorzugsweise mit
dem elektrischen Heizstab 114 in ihrem Querschnitt verändert werden. Hierzu ist
der Heizstab oder Heizkörper 114, der zwischen sich und der zweiten Elektrode einen
Ringraum 53 freiläßt, mit einem Führungsstab 55 versehen, der mit dem Heizstab 114
fluchtet.
-
Dieser Führungsstab 55 ist mit Hilfe einer nicht dargestellten Stopfbüchse
gasdicht durch den Grundkörper 12 in den Außenraum geführt und ermöglicht eine axiale
Verstellung des Heizstabes 114. Hierbei wird das kegelförmic3e Ende des Heizstabes
in Richtung auf die ebenfalls kegelförmige Durchtrittsöffnung 51 bewegt und somit
die Größe des Durchtrittsquerschnitts verändert. Gegebenenfalls kann auch ein dichtes
Abschließen des Durchtrittsquerschnittes beim vollständigen Hineinschieben des Heizstabes
114 erreicht werden. Auch kann anstelle des Führungsstabes der Heizkörper 114 bis
in den Außenraum 82 verlängert werden.
-
Der Einfluß dieses inneren Bypasses auf die Kennlinie ist entsprechend
den Ausführungen zu Figur 1, so daß sich hier näheres erübrigt.
-
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform gemäß Figur 4 besteht darin,
daß auf einfache Weise die erste oder zweite Elektrode als Meßelektrode eingesetzt
werden kann, in dem durch den Polumschalter 21 die Polarität der Elektroden umgeschaltet
wird.
-
Bei einem fest eingestellten Durchflußverhältnis zwischen der Strömung
im Raum 28, das heißt im Meßgaskanal, und dem Bypass, das heißt dem Elektrodenraum
23, kann jetzt lediglich durch Betätigen des Polumschalters 21 die Empfindlichkeit
bzw. der Meßbereich der Meßvorrichtung verändert werden. Setzt man voraus, daß die
Größe der Gasströme im Raum 28 und Elektrodenraum 23 verschieden ist, so ist die
jeweils als Meßelektrode eingesetzte Elektrode nach der Betätigung
des
Polumschalters mit einem Gasstrom anderer Größe in Berührung und somit ist das erfindungsgemäße
Meßprinzip erfüllt.
-
In Figur 5 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der der Meßgasstrom
auf einfache Weise über seine Nenngröße hinaus auf konstante beliebige Werte vergrößert
werden kann.
-
Hierzu sind im Einsatz 52 neben der Düse 64, die für die Konstanthaltung
des Nenn-Meßgasstroms benutzt und ausgelegt ist, noch zwei weitere Düsen 75 und
77 vorgesehen, die der Düse 64 parallelgeschaltet sind. Die Düsen 75 und 77 sind
hierbei bezüglich ihres Durchlaßquerschnittes so ausgelegt, daß die gewünschte Vergrößerung
des Meßgasstroms bei ihrem Einschalten in den Gasweg auftritt. Diese zusätzlichen
Düsen sind daher über die Kanäle 69 und 71 mit der Anschlußleitung 74 verbunden,
wobei jeweils Absperrorgane 83 bzw. 85 zwischengeschaltet sind. Auch kann die Düse
64 mit einem Absperrorgan 81 an die Anschlußleitung 74 angeschlossen sein. Die Eichung
der einzelnen Düsen wird so durchgeführt, wie es weiter oben für die Eichung der
Düse 64 beschrieben ist.
-
Ergibt sich bei Nennbetrieb mit der Düse 64, welche den ersten Strömungskonstanthalter
bildet1 eine Kennlinie gemäß 2 der Figur 6, so wird bei einer Zuschaltung von weiteren
Strömungskonstanthaltern, das heißt von weiteren Düsen 75,77 der konstante Gasstrom
erhöht, so daß die Steigung der Kennlinie und somit die Empfindlichkeit größer wird,
wogegen sich der Meßbereich verkleinert. Eine solche Kennlinie ist in Figur 6 mit
f bezeichnet. Durch entsprechende Auswahl der Düsen 75,77, welche jeweils den zweiten
Strömungskonstanthalter darstellen, kann die gewünschte Empfindlichkeit und/oder
der gewünschte Meßbereich erreicht werden.
-
Es leuchtet ein, daß durch wahlweises Zuschalten von einzelnen Düsen
75,77 oder kombiniertes Zuschalten die Kennlinie feinfühlig verändert werden kann.
Dies gilt ins-
besondere dann, wenn mehrere Düsen, die als zweite
Strömungskonstanthaiter dienen, vorgesehen sind.
-
Sollen mit einer Meßvorrichtung zum Beispiel die Kennlinien a bis
f der Figur 6 einstellbar sein, so wird man nicht die Ausführungsformen gemäß der
Figuren 1 bzw. 4 mit der Ausführungsform gemäß Figur 5 kombinieren. Vorteilhafter
ist es in diesem Falle, eine Meßvorrichtung gemäß den Figuren 1 oder 4 zu benutzen.
Hierbei wird der Nenn-Meßgasstrom und die Größe der Meßelektrode so aufeinander
abgestimmt, daß sich im Nennbetrieb die steilste Kennlinie gemäß f einstellt.
-
Durch Verringerung des Meßgasstroms mit Hilfe des inneren und/oder
äußeren Bypasses können dann sämtliche Kennlinien a bis e der Figur 6 eingestellt
werden. Entsprechendes gilt auch für die Ausführungsform gemäß Figur 5 mit mehreren
Strömunyskonstanthaltern.