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Vorrichtung zum meßtechnischen Uberwachen eines Verbren-
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nungsprozesses oder der Atmosphäre eines Industrieofens Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum meßtechnischen Überwachen eines Verbrennungsprozesses
oder der Atmosphäre eines Industrieofens, mit einer elektrochemischen Sauerstoffmeßzelle,
die einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten aufweist, der mit zwei Elektroden
versehen ist, von denen die erste Elektrode durch einen für die Messung vorgesehenen
und zur Konstanthaltung mit Schallgeschwindigkeit durch mindestens eine erste Düse
oder Blende geführten Meßgasstrom beaufschlagbar ist, und beide Elektroden unter
Einschaltung eines Strommeßgerätes mit einer Stromquelle verbindbar sind, wobei
der vom Strommeßgerät erfaßte elektrische Strom vom Sauerstoffgehalt des Meßgasstromes
zumindest ungefähr linear abhängig ist.
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Für die Beurteilung von Verbrennungsprozessen ist die Kenntnis des
Luft- bzw. Sauerstoffüberschusses und des
Anteils an unverbrannten
Gaskomponenten des Abgases, die gleichbedeutend mit einem Luft- bzw. Sauerstoffmangel
sind, von besonderer Bedeutung, denn ein wirtschaftlicher und/oder schadstoffarmer
Verbrennungsprozeß muß mit einem definierten Sauerstoffüberschuß bzw. einem möglichst
geringen Sauerstoffüberschuß ablaufen. Auch für den Betrieb eines Industrieofens
ist die Kenntnis des Luft- bzw. Sauerstoffüberschusses oder Luft- bzw.
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Sauerstoffmangels der Ofenatmosphäre erforderlich. Manche Temperaturbehandlungen
von Bauteilen müssen nämlich bei Sauerstoffüberschuß und somit in oxidierender Atmosphäre
durchgeführt werden, wogegen andere Vorgänge Sauerstoffmangel und somit reduzierende
Ofenatmosphäre erfordern.
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Aus der deutschen Patentschrift 29 45 698, deren Inhalt im wesentlichen
gleich ist der US-Patentschrift 43 68 431, ist eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art zu entnehmen, mit der der Sauerstoffgehalt von Gasen, insbesondere Abgasen,
und somit der Sauerstoffüberschuß einer Verbrennung auf besonders einfache Weise
überwacht oder geprüft werden kann. Für eine Bestimmung des Sauerstoffmangels, der
gleichbedeutend ist mit einer reduzierenden Ofenatmosphäre oder einem Anteil von
unverbrannten Gaskomponenten, ist die bekannte Vorrichtung jedoch nicht geeignet.
Hinzu kommt noch, daß im Falle eines gemessenen Sauerstoffüberschusses vom Wert
null nicht unterschieden werden kann, ob tatsächlich der Wert null vorliegt oder
ob Sauerstoffmangel gegeben ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
eingangs genannten Art so weiterzubil-
den, daß außer dem Sauerstoffüberschuß
auch der Sauerstoffmangel und somit der Anteil an oxidierbaren Gaskomponenten quantitativ
erfaßt werden kann. Auch soll die Vorrichtung in ihrem Aufbau einfach und daher
kostengünstig herzustellen und hauptsächlich für laufende Betriebsmessungen sowie
für Verbrennungsregelungen geeignet sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß im
Weg des Meßgasstroms, stromauf der ersten Elektrode, eine Gasmischstelle sowie die
erste Düse oder Blende angeordnet sind, daß die Gasmischstelle unter Einschaltung
mindestens einer als Strömungskonstanthalter dienenden und mit Schallgeschwindigkeit
durchströmbaren weiteren, vorzugsweise zweiten, Düse oder Blende mit einer Hilfsgasquelle
mit konstantem Sauerstoffgehalt, vorzugsweise mit der Luft des Außenraums, verbunden
ist, und daß die erste Elektrode die katalytische Oxidation von oxidierbaren Gaskomponenten
bewirkende Bestandteile aufweist und/oder mit mindestens einer solche Bestandteile
enthaltenden porösen Katalysatorschicht versehen ist.
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Dem Meßgasstrom wird also, bevor er einer Messung unterworfen wird,
an der Gasmischstelle zunächst der Hilfsgasstrom mit konstantem Sauerstoffgehalt
beigemischt, so daß im derart veränderten Meßgasstrom ausreichend molekularer Sauerstoff
vorhanden ist, um gegebenenfalls vorhandene oxidierbare Gaskomponenten zu oxidieren.
Dies geschieht unter Einwirkung der katalytisch wirksamen ersten Elektrode bzw.
der Katalysatorschicht, die auf dieser Elektrode angeordnet ist. Die anschließende
Mes-
sung des Sauerstoffgehaltes des veränderten Meßgasstromes erfaßt
den für die katalytische Oxidation verbrauchten Sauerstoffgehalt der ein Maß ist
für den Sauerstoffmangel des Meßgasstromes. Da durch die katalytisch wirksame Elektrode
bzw. durch die Katalysatorschicht der veränderte Meßgasstrom in jedem Falle, also
auch bei Sauerstoffüberschuß, in das thermodynamische Gasgleichgewicht gebracht
wird, ist das von der elektrochemischen Meßzelle abgegebene Signal ein Maß für den
Sauerstoffüberschuß oder Sauerstoffmangel, unter dem der Verbrennungsprozeß abläuft
bzw. für den Zustand der Ofenatmosphäre.
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Hierbei bewirkt der Einsatz der ersten Elektrode bzw.
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der auf der ersten Elektrode angeordneten Katalysatorschicht einen
besonders einfachen Aufbau der Meßvorrichtung, der durch die Ausbildung des zweiten
Strömungskonstanthalters in Form einer Düse oder Blende noch weiter vereinfacht
ist. In die gleiche Richtung zielt der Einsatz von Umgebungsluft als Hilfsgas, wodurch
eine gesonderte Hilfsgasquelle, z. B. in Form eines Druckgasbehälters, überflüssig
wird. Der Sauerstoffgehalt der Luft ist weitgehend konstant und kann im vorliegenden
Fall mit ausreichender Genauigkeit zu 21 Vol. angenommen werden.
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Um eine besonders innige Mischung von Meßgas und Hilfsgas zu erreichen
ist es empfehlenswert, daß die Gasmischstelle einen Mischraum aufweist, in den der
Hilfe gaskanal und der den Meßgasstrom führende Meßgaskanal ungefähr mit gleicher
Längsachse und aus entgegengesetzten Richtungen eingeführt sind, daß der Hilfsgaskanal
und
der Meßgaskanal mit einem Abstand, der ungefähr das 1 bis 2-fache der lichten Weite
des Meßgaskanals beträgt, voreinander enden, und daß der zur ersten Elektrode führenden
Kanal ungefähr rechtwinklig zur Längsachse an den Mischraum angeschlossen ist.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung kann der Durchtrittsquerschnitt
der zweiten Düse oder Blende zumindest ungefähr gleich sein dem Durchtrittsquerschnitt
der ersten Düse oder Blende. Hierdurch weisen Meßgasstrom und Hilfsgasstrom mindestens
ungefähr gleiche Größe auf und ergeben einen Meßbereich, der in den meisten Fällen
ausreichend ist.
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Auch ist es vorteilhaft, daß der Meßgasstrom und der Hilfsgasstrom
durch jeweils ein Absperrorgan absperrbar sind. Hierdurch wird, wie später noch
gezeigt werden wird, die Eichung der Meßvorrichtung vereinfacht und andererseits
die Möglichkeit geschaffen, die Meßvorrichtung lediglich für die Bestimmung des
Sauerstoffüberschusses umschalten zu können.
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els Um den Meßbereich für Sauerstoffmangel auf einfache Weise verändern
zu können, besteht eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin,
daß zusätzlich zur ersten und zweiten Düse oder Blende, deren Durchtrittsquerschnitte
zumindest ungefähr gleich sind, zusätzlich eine dritte Düse oder Blende vorgesehen
ist, deren Durchtrittsquerschnitt ungefähr doppelt so groß ist wie die Durchtrittsquerschnitte
der ersten und zweiten Düse oder Blende zusammen, und daß zwischen die Düsen oder
Blenden und die Entnahmeleitung sowie die für das Hilfs-
gas vorgesehene
Rohrleitung eine Ventilanordnung eingefügt ist, mit deren Hilfe a) die Entnahmeleitung
an die erste und zweite Düse oder Blende und die Rohrleitung für das Hilfsgas an
die dritte Düse oder Blende anschließbar sind, oder b) daß die Entnahmeleitung an
die erste und dritte;Düse oder Blende und die Rohrleitung für das Hilfsgas an die
zweite Düse oder Blende anschließbar sind oder c) daß die Entnahmeleitung an die
erste Düse oder Blende und die Rohrleitung für das Hilfsgas an die zweite und dritte
Düse oder Blende anschließbar sind.
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Hierdurch ist es Im Falle a) möglich, einen Meßgasstrom und Hilfsgasstrom
von gleicher Größe einzustellen, oder im Falle b) ein Mischungsverhältnis von 1:3
zwischen Hilfsgas und Meßgas zu erreichen, oder im Falle c) Hilfsgas und Meßgas
im Verhältnis 3:1 zu mischen. Die für die Einstellung dieser Mischungsverhältnisse
erforderliche Ventilanordnung kann aus einzelnen Ventilen bestehen, vorteilhafter
ist es jedoch, die Funktionen dieser Ventile in einem einzigen Umschaltventil zu
vereinen.
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Zur Durchströmung der Düsen oder Blenden mit Schallgeschwindigkeit,
welche die Konstanthaltung des Durchflusses bewirkt, ist es am einfachsten, daß
an den Düsen oder Blenden durch eine an den Ausgang der Meßzelle angeschlossene
Saugvorrichtung jeweils ein Druckverhältnis zwischen Abströmseite und Zuströmseite
einstellbar ist, das die Schallgeschwindigkeit bewirkt. Um hierbei die Reibungsverluste
in den Düsen oder Blenden gering zu
halten und um Verstopfungen
durch Schmutzteile entgegenzuwirken, empfiehlt es sich, daß die Düsen oder Blenden
sich in Strömungsrichtung erweitern.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung können der ersten
Elektrode bzw. der auf ihr angeordneten Katalysatorschicht katalytische Eigenschaften
dadurch verliehen werden, daß diese Metalle und/oder Metallegierungen der Edelmetallgruppe,
insbesondere Platin, oder Salze dieser Metalle enthält.
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Aus Kostengründen ist es oft empfehlenswert, daß die erste Elektrode
bzw. die darauf angeordnete Schicht mindestens ein poröses Mischoxid vom Perowskittyp
enthält und dadurch jeweils katalytisch wirksam gemacht wird. Hierbei es es empfehlenswert,
daß das Mischoxid das Element Lanthan und Metalle der Eisengruppe enthält.
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Ein ganz bevorzugtes Mischoxid dieser Art besteht aus Lanthan-Kobaltoxid
(LaCoOs).
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor.
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Hierbei zeigen: Fig. 1 einen zentralen Längsschnitt durch eine Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Saugpumpe für Handbetrieb,
die als Ausführungsvariante an den Pufferraum des Gegenstands der Fig. 1 anschließbar
ist,
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Düse als Einzelheit und
in größerem Maßstab, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Blende im eingebauten
Zustand als Einzelheit, Fig. 5 die Einzelheit V der Fig. 1 in größerer Darstellung
und als Ausführungsvariantes Fig. 6 den unteren Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung
entsprechend Fig. 1 als Ausführungsvariante mit drei Düsen, Fig. 7 die Kennlinie
der erfindungsgemäßen Vorrichtung beim Betrieb mit gleichgroßem Meßgas- und Hilfsgasstrom,
Fig. 8 die Kennlinien der Meßvorrichtung beim Betrieb ohne Hilfsgasstrom sowie mit
gleichgroßem Meßgas- und Hilfsgasstrom, Fig. 9 die Kennlinie der erfindungsgemäßen
Vorrichtung beim Betrieb mit einem Hilfsgas- und Meßgasstrom, deren Größen ein Verhältnis
1:3 aufweisen und Fig. 10 die Kennlinie der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung beim
Betrieb mit einem Hilfsgasstrom und Meßgasstrom, deren Größen das Verhältnis 3:1
aufweisen.
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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.
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Gemäß Fig. 1 weist die Meßvorrichtung eine elektrochemische Meßzelle
10 mit einem etwa quaderförmigen Grund-
körper 12, z. B. aus Metall,
auf. Aus der einen Grundfläche des Grundkörpers 12 ragt ein kreiszylindrischer 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.
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Die Elektroden bestehen aus einem keramischen oder metallischem Material
oder enthalten solches Material, durch welches der Sauerstoff ungehindert dringen
kann, z. B. durch poröse Ausbildung. Hierfür geeignete Werkstoffe sind Platin oder
ein keramisches Material vom Perowskittyp. Als Werkstoff für das sauerstoffionenleitende
Festelektrolytrohr kann Zirkoniumoxid verwendet werden, das mit Kalziumoxid oder
Yttriumoxid dotiert ist.
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Das mit Elektroden versehene Festelektrolytrohr 16 ist von einem Hüllrohr
26 umgeben, so daß zwischen der ersten Elektrode 18 und dem Hüllrohr 26 ein Raum
28 mit kreisringförmigen Querschnitt freibleibt, wobei die lichte Weite dieses Raumes
28 in radialer Richtung etwa 0,2 bis 2mm, vorzugsweise etwa 0,5mm beträgt. Wegen
der
Übersichtlichkeit ist in den Figuren diese Weite größer dargestellt.
Der Raum 28 grenzt an die erste Elektrode 18. Der veränderte Meßgasstrom, der dem
Raum 28 zugeführt wird, beaufschlagt demnach die gesamte erste Elektrode. 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 etwa gleich ist dem Abstand zwischen dem
zylindrischen Bereich des Hüllrohres 26 und der ersten Elektrode 18.
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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 45 der
Meßzelle verlaufenden, im Querschnitt kreisförmigen Raum 46 angeschlossen ist. Die
quer zur Längsachse 45 verlaufende Anschlußbohrung 48 ist hierbei in Richtung zur
Längsachse weitergeführt, so daß auch der Innenraum 50 des Vorsprunges 14, welcher
mit dem Innenraum des Festelektrolytrohres eine Einheit bildet, an den Raum 46 angeschlossen
ist. Der Raum 46, der vorzugsweise als Bohrung ausgebildet ist, weist Gewinde auf,
in welches ein Deckel 52 eingeschraubt ist.
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An die zentrische Öffnung 50 des Deckels ist über eine Anschlußleitung
74 ein Pufferraum 76 angeschlossen, der über eine weitere Leitung 78 mit einer Saugvorrichtung
80, z. B. in Form einer Gaspumpe, verbunden ist, deren Auslaß in den Außenraum 82,
oder, insbesondere bei giftigen Gasen, in einen Auffangraum mündet. An den Pufferraum
76 ist ein Manometer 96 angeschlossen, mit dem der Druck des Pufferraums erfaßt
werden kann.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante bezüglich der Saugvorrichtung
dargestellt, die anstelle der Saugvorrichtung 80 an den Pufferraum 76 angeschlossen
werden kann. Die Saugvorrichtung gemäß Fig. 2 besteht aus einer Handpumpe 84, deren
Kolben 86 durch einen Pumpenhebel 88 betätigt wird, 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.
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Um an die Elektroden 18, 22 die erforderliche Meßspannung legen zu
können, führt von der ersten Elektrode 18 eine elektrische Leitung radial in den
Außenraum 82, wobei an der Durchdringungsstelle des Hüllrohres 26 eine Isolierperle
102 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
metallische 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, z.
B. in Form einer elektrischen Batterie, zugeführt, wobei ein Strommeßgerät 106,
z. B. ein Milliamperemeter, ein Regelwiderstand 110 und ein elektrischer Schalter
112 eingefügt sind.
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Im Innenraum des Festelektrolytrohres 16 ist noch eine vorzugsweise
elektrische Heizung 115 angeordnet, um das Festelektrolytrohr auf Betriebstemperatur
zu bringen.
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Die zur Heizung 115 führenden elektrischen Anschlußlei-
tungen
sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Bezüglich der Heizung ist noch besonders darauf
hinzuweisen, daß für den Betrieb der Meßvorrichtung keine konstante und auch keine
bestimmte Temperatur erforderlich ist. Das Festelektrolytrohr 16 samt der zugehörigen
Elektroden ist lediglich auf eine Temperatur aufzuheizen, die oberhalb einer Grenztemperatur
von etwa 4000C liegt, z. B. auf 6000Celsius bis 7500Celsius.
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Wie weiter aus Fig. 1 zu ersehen, ist an der Spitze der Verschlußkuppe
32 der Kanal 34 angeschlossen, der zur Gasmischstelle 36 führt. Die Gasmischstelle
weist in einem Gehäuse 56 einen zylinderförmigen Mischraum 58 auf, dessen Längsachse
ungefähr in die gleiche Richtung zeigt wie die Längsachse 45 der Meßzelle. Der Durchmesser
und die axiale Länge des Mischraumes 58 beträgt ungefähr das 2 bis 5-fache der lichten
Weite der daran angeschlossenen Kanäle.
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Vom Mischraum 58 führt der zunächst radial verlaufende und dann rechtwinklig
nach unten abgebogene Meßgaskanal 60 zug ersten Düse 122. Hierbei ragt der Meßgaskanal
60 in den Mischraum 58 mit einer Länge, die ungefähr Rer einfachen Lichtweite des
Meßgaskanals gleich ist.
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Diametral gegenüber dem Meßgaskanal 60 ist am Mischraum 58 der Hilfsgaskanal
64 angeschlossen, der auf die gleiche Weise wie der Meßgaskanal 60 zunächst radial
verläuft und dann nach unten abgebogen ist zur zweiten Düse 222.
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Die erste Düse 122, die als Strömungskonstanthalter dient, ist im
Raum 112 eines ungefähr quaderförmigen
Körpers 110, z. B. aus Metall,
angeordnet. Der Raum 112, der vorzugsweise als Bohrung ausgebildet ist, weist Gewinde
auf, in welches ein Einsatz 114 mit Hilfe eines am Einsatz vorgesehenen Kopfes 116
eingeschraubt ist. Der in den Körper 110 ragende Bereich des Einsatzes 114 ist kreisringförmig
ausgebildet und besitzt daher eine zentrisch verlaufende Ausnehmung 118.
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Der Kopf 116 weist einen zentrisch verlaufenden Kanal 120 auf, an
den der Meßgaskanal 60 sowie die Ausnehmung 118 angeschlossen sind. Im Bereich seiner
inneren Ausmündung weist der Kanal 120 eine Stufe auf, in welcher die Düse 122 mit
ihrem zylindrischen Bereich 124 befestigt ist, wobei die Düse frei in die Ausnehmung
118 ragt.
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Der Aufbau der Düse ist am besten aus Fig. 3 zu ersehen, welche die
Düse 122 im größeren Maßstab darstellt. Danach ist der Einlauf 126 der Düse abgerundet
und führt zum engsten Durchtrittsquerschnitt 128, an den sich eine kegelförmige
Erweiterung 130 anschließt, wobei der Öffnungswinkel g der Erweiterung etwa 8 bis
180, vorzugsweise 10 bis 150, beträgt. An die Erweiterung 130 schließt sich der
zylindrische Bereich 124 an.
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Zum Erfassen der Druckverhältnisse des Meßgasstromes ist ein Differenzdruckmanometer
134 mit Hilfe von Rohrleitungen 136 zwischen die Ausnehmung 118 und den Meßgaskanal
60 eingeschaltet. Die Ausnehmung 118 bildet hierbei die Zuströmseite der Düse 122,
wogegen der Meßgaskanal 60 die Abströmseite der Düse ist (vergl. Fig. 1).
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Das untere Ende des Raumes 112 weist eine zentrische Bohrung 62 auf,
an welche die Entnahmeleitung 138 angeschlossen ist. Diese führt unter Zwischenschaltung
eines Gasfilters 140 zu einer schematisch angedeuteten Verbrennungsvorrichtung 142,
in der ein Verbrennungsprozeß abläuft. Durch die Entnahmeleitung 138 wird dem Abgas
des Verbrennungsprozesses der für die Überwachung des Verbrennungsprozesses erforderliche
Meßgasstrom entnommen. Der Rest des Abgases strömt durch eine Abgasleitung 144 ins
Freie. In die Entnahmeleitung 138 ist noch ein Absperrorgan 138, z. B. in Form eines
Absperrventils oder Magnetventils, eingefügt. Besonders empfehlenswert ist es, dieses
Absperrorgan unmittelbar an der Bohrung 62 anzuordnen. Dies ist nicht dargestellt.
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Die Verbrennungsvorrichtung 142 kann hier z. B. einen Heizkessel oder
einen Verbrennungsmotor umfassen. Soll mit der Meßvorrichtung dagegen die Atmosphäre
des Ofenraums eines Industrieofens überprüft, überwacht oder geregelt werden, so
wird die Entnahmeleitung 138 an den Ofenraum zur Entnahme des Meßgases angeschlossen.
Dieser Fall ist wegen seiner Einfachheit in den Zeichnungen nicht dargestellt.
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Auch wird im weiteren Verlauf der Beschreibung die Arbeitsweise der
Vorrichtung hauptsächlich im Zusammenhang mit der Verbrennungsvorrichtung 142 erläutert,
da beim Anschluß der Entnahmeleitung 138 an einen Ofenraum der Betrieb der Vorrichtung
auf die gleiche Weise abläuft.
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Die zweite Düse 222 ist auf die gleiche Weise wie die erste Düse 122
festgelegt. Es ist demnach ein quader-
förmiger Grundkörper 210
mit einem darin angeordneten Raum 212 vorhanden, in den ein Einsatz 214 mit Hilfe
des Kopfes 216 eingeschraubt ist. Hierbei weist der Einsatz 214 eine zylinderförmige
Ausnehmung 218 auf, in welche die Düse 222 frei ragt. Desgleichen ist die Düse 222
in einer Stufe des Kanals 220 befestigt, welcher den Kopf 216 zentrisch durchdringt
und an den der Hilfsgaskanal 64 angeschlossen ist. Auch ist auf die gleiche Weise
wie bei der ersten Düse 122 ein Differenzdruckmanometer 234 mit Hilfe der Rohrleitungen
236 angeschlossen. Demnach ist die zweite Düse 222 konstruktiv identisch mit der
ersten Düse 122 ausgebildet und auf die gleiche Weise befestigt, so daß auch hier
die für die erste Düse 122 gegebenen Erläuterungen gelten.
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Die engsten Stellen der Durchtrittsquerschnitte 128 der ersten und
zweiten Düse sind gleich und so gewählt, daß bei einer Durchströmung dieser Stellen
mit Schallgeschwindigkeit eine ausreichende Gasmenge durchtritt. Als Richtwert für
den Durchtrittsquerschnitt kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem der
Raum 28 einen Querschnitt von etwa 10 bis 20mm2 aufweist, ein Wert von etwa 0,8
bis 20x10-4mmz gelten. Die Gesamtlänge der Düsen ist etwa 15 bis 30mm, die Länge
der Erweiterung 130 liegt zwischen 5 und 1Omm bei einer Lichtweite des zylindrischen
Bereiches 124 von etwa 5 bis 8mm. Als bevorzugtes Material für die Düsen dienen
Edelstahl oder Keramik wie Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Der gasführende Querschnitt
der Düse ist kreisförmig.
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Aus Fig. 1 ist weiter zu erkennen, daß am unteren Ende des Raumes
212 eine zentrische Öffnung 66 vorgesehen
ist, an die eine Rohrleitung
224 angeschlossen ist, die unter Zwischenschaltung eines Gasfilters 226 zu einer
Hilfsquelle oder einem Hilfsgasspeicher 228 führt, der molekularen Sauerstoff oder
ein solchen Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch aufweist. Besonders empfehlenswert
ist es, als Hilfsgasspeicher die atmosphärische Luft zu benutzen, so daß ein besonderer
Hilfsgasspeicher 228 entfällt und die Rohrleitung 224 mit Hilfe der gestrichelt
dargestellten Leitung 230 in den Außenraum 82 mündet. Wird dagegen ein Hilfsgasspeicher
228 benutzt, so besteht dieser aus einem Druckbehälter, der das Hilfsgas enthält.
In der Rohrleitung 224 ist noch ein zweites Absperrorgan 40 angeordnet, das auf
die gleiche Weise wie das Absperrorgan 38 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist dieses
zweite Absperrorgan, genau wie das Absperrorgan 38, unmittelbar an die Öffnung 66
angeschlossen bzw. an der Öffnung befestigt.
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Wenigstens das Hüllrohr 26, die Halterungen der beiden Düsen und die
Verbindungsleitungen zum Raum 28 sind mit einer Wärmeisolierung 242 versehen. Hierbei
ist es empfehlenswert, den von der Isolierung 242 im Bereich der Düsen gebildeten
Innenraum 232 mit einer elektrischen Heizung 238 zu versehen, deren elektrische
Anschlußleitungen nicht dargestellt sind. Durch die Heizung 238 werden die Düsen
auf erhöhte Temperatur, z. B. auf eine Temperatur, die der Betriebstemperatur der
Meßzelle gleich ist, aufgeheizt. Hierdurch werden einmal Kondensationen des Meßgases
in der ersten Düse 122 vermieden, und zum anderen wird das aus dem Hilfsgasspeicher
228 oder aus dem Außenraum 82 kommende Hilfsgas auf die gleiche Temperatur wie das
Meßgas aufgeheizt, so daß
Zähigkeitsunterschiede weitgehend vermieden
sind und die Mischung von Hilfsgas und Meßgas erleichtert wird. Desweiteren ist
es empfehlenswert, die Grundkörper 110 und 210 der beiden Düsen zu einem gemeinsamen
Grundkörper zusammenzufassen. Dies ist in den Zeichnungen nicht dargestellt.
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Bevor mit der vorbeschriebenen Vorrichtung gemessen werden kann, ist
eine Ersteinstellung bzw. Eichung erforderlich, die am besten gleich bei der Herstellung
der Vorrichtung durchgeführt wird. Hierbei ist es am einfachsten, als Meßgas ein
Gas zu benutzen, das in chemischer und physikalischer Hinsicht dem zu messenden
Gas ähnlich ist. Da die Vorrichtung für die Überwachung oder Prüfung von Verbrennungsprozessen
oder Ofenatmosphären eingesetzt werden soll, so kann für die Eichung Luft benutzt
werden.
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Für die Konstanthaltung des Meßgasstromes und des Hilfsgasstromes
mit Hilfe der Düsen oder Blenden wird von dem physikalischen Gesetz Gebrauch gemacht,
daß durch eine Verengung, welche einen Zuströmraum mit einem Abströmraum verbindet,
das Gas höchstens mit Schallgeschwindigkeit strömen kann, falls ein bestimmtes Druckverhältnis
zwischen Abströmraum und Zuströmraum nicht überschritten wird. Die Schallgeschwindigkeit
ist hierbei abhängig von den Zustandsgrößen des Gasstromes in der Verengung. Sind
nun Druck und Temperatur des Gasstromes im Zuströmraum wenigstens ungefähr konstant,
wie es hier der Fall ist, so ist auch die Gasgeschwindigkeit in der Düse konstant
und vollkommen unabhängig vom Gegendruck des Gasstromes auf der Abströmseite, falls
das bestimmte Druckverhält-
nis nicht überschritten wird. Dieses
Druckverhältnis ist unter der Bezeichnung kritisches Druckverhältnis bekannt, es
ist von der Atomzahl des Gases abhängig, beträgt für zweiatomige Gase, also auch
für Luft und für Verbrennungsabgase und die meisten Ofenatmosphären 0,528 und kann
berechnet werden (vergl. Herning, Stoffströme in Rohrleitungen, 1957, VDI-Verlag,
Düsseldorf). Das hier gesagte gilt nicht nur für eine Konstanthaltung der Gasströme
durch Düsen, sondern auch für die alternative Konstanthaltung dieser Gasströme mit
entsprechenden Blenden.
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Für die Ersteinstellung der Meßvorrichtung werden zunächst die Heizungen
115 und 238 in Betrieb genommen und die Meßvorrichtung auf die erforderliche Betriebstemperatur
aufgeheizt. Dann wird die Saugvorrichtung 80 in Betrieb genommen und als Meßgas
und Hilfsgas Umgebungsluft durch die Entnahmeleitung 138 und die Leitungen 230,
224 zu den Düsen und durch die elektrochemische Meßvorrichtung 10 gesaugt. Die Saugleistung
der Saugvorrichtung 80 wird hierbei so eingestellt, daß das DruckverhäLtnis zwischen
den Abströmseiten und den Zuströmseiten der Düsen 122, 222, das durch die Differenzdruckmanometer
134 bzw. 234 gemessen wird, gleich dem kritischen Druckverhältnis oder vorzugsweise
kleiner ist. Da beide Düsen gleichen Durchtrittsquerschnitt aufweisen, ist die Anzeige
der beiden Differenzdruckmanometer 134 und 234 gleich. Auch werden die Gasströme
in den beiden Düsen zumindest ungefähr auf den gleichen Wert konstant gehalten.
Die Größe des Meßgasstromes und des Hilfsgasstromes beträgt im vorliegenden Fall
jeweils ungefähr 0,2 bis 1,0 Liter pro Stunde, vorzugsweise 0,4 bis 0,6 Liter pro
Stunde.
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Ist nun auf die vorbeschriebene Weise die Ersteinstellung des Druckverhältnisses
durchgeführt worden, so wird der Schalter 112 geschlossen und an die Elektroden
18, 22 eine elektrische Gleichspannung von etwa 0,1 bis 1 Volt, vorzugsweise 0,4
bis 0,8 Volt, gelegt. Die Regulierung dieser Spannung erfolgt durch den Regelwiderstand
110. Der durch die Beimischung des Hilfsgasstromes im Mischraum 58 veränderte Meßgasstrom
berührt bei der Durchströmung des Raumes 28 die katalytisch wirksame erste Elektrode
18. Hierdurch wird der im veränderten Meßgasstrom enthaltene Sauerstoff vollständig
extrahiert, in Form von Ionen durch den Festelektrolyten geleitet und an der zweiten
Elektrode 22 wiederum in Sauerstoff verwandelt und in den Innenraum des Festelektrolytrohres
abgegeben. Dieser Sauerstoff strömt dann durch die im Vorsprung 14 vorgesehene radiale
Anschlußbohrung 48 ab und wird dem veränderten Meßgasstrom, der aus dem Raum 28
zur Anschlußleitung 74 strömt, wieder beigemischt. Der für den Ionentransport erforderliche
elektrische Strom ist ein Maß für den Sauerstoffgehalt des v,eränderten Meßgasstromes,
da sämtlicher Sauerstoff extrahiert wird. Hierzu sind ausreichend große Elektroden
erforderlich. Der elektrische Strom ist vom Sauerstoffgehalt linear abhängig und
hat bei einem Sauerstoffgehalt von Null Vol.% die Größe Null. Besonders hervorzuheben
ist hier noch, daß für die Messung des Sauerstoffes kein besonderes Bezugsgas an
der zweiten Elektrode 22 vorhanden sein muß, die Elektrode 22 kann demnach an eine
beliebige Atmosphäre grenzen. Der von der zweiten Elektrode 22 abgegebene Sauerstoff
muß jedoch die Möglichkeit haben, abströmen zu können.
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Dem Meßwert des Strommeßgerätes 106 wird jetzt ein Sauerstoffgehalt
von 21 Vol, nämlich der Sauerstoffgehalt der angesaugten Umgebungsluft, zugeordnet.
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Gleichzeitig wird dieser Meßwert als Meßpunkt 244 in das Diagramm
gemäß Fig. 7 eingetragen. Dort ist auf der Ordinate der vom Strommeßgerät 106 angezeigte
Strom I in Milliampere und auf der Abszisse der zugeordnete Sauerstoffgehalt in
Vol% aufgetragen, wobei rechts vom Nullpunkt positive Sauerstoffmeßwerte, das heißt
Sauerstoffüberschuß des Meßgasstromes, links vom Nullpunkt dagegen negative Sauerstoffmeßwerte,
das heißt Sauerstoffmangel, aufgetragen sind. Die Skala des Sauerstoffüberschusses
(rechts des Nullpunktes) hat lineare Teilung. Auf der Ordinate hat die Skala für
den Strommeßwert ebenfalls lineare Teilung.
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Nun wird die Entnahmeleitung 138 an eine Gasquelle angeschlossen,
die ein sauerstoffreies Gas, z. B. Stickstoff, enthält, es wird somit ein Meßgasstrom
simuliert, der weder Sauerstoffüberschuß noch Sauerstoffmangel hat.
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Gleichzeitig wird durch die Leitung 230 weiterhin Umgebungsluft zugeführt
und im Mischraum 58 mit dem Meßgasstrom gemischt und der so veränderte Meßgasstrom
der Messung zugeführt. Der jetzt vom Strommeßgerät 106 angezeigte Strom wird über
den Sauerstoffgehalt Null % auf der Ordinate als Meßpunkt 246 in das Diagramm gemäß
Fig.
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7 eingetragen. Dieser Meßpunkt 246 wird sich bei Betriebsmessungen
dann einstellen, wenn weder Sauerstoffüberschuß noch Sauerstoffmangel auftritt und
im veränderten Meßgasstrom nur jener Sauerstoff vorhanden ist, der durch den Hilfsgasstrom
zugeführt wird. Der Sauer-
stoffgehalt des Hilfsgasstromes in Vol.%
läßt sich hierbei folgendermaßen leicht bestimmen. Dem Meßpunkt 244 ist ein Sauerstoffgehalt
von 21 Vol.% und ein bestimmter Strommeßwert in Milliampere zugeordnet; wegen des
linearen Zusammenhanges zwischen Sauerstoffgehalt und Strommeßwert ergibt sich für
den Meßpunkt 246 folgender Sauerstoffgehalt: Sauerstoffgehalt am Meßpunkt 246 in
Vol.%= Strommeßwert am Meßpunkt 246 x Sauerstoffwert am Meß-Strommeßwert am Meßpunkt
244 punkt 244 Der Sauerstoffwert am Meßpunkt 244 ist im vorliegenden Fall 21 Vol.%,
nämlich der Sauerstoffgehalt der Luft.
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Wie aus Fig. 7 zu ersehen ist, wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel
angenommen, daß dem Meßpunkt 244 ein Strommeßwert von 400 Milliampere zugeordnet
ist. Dann ergibt sich für den Sauerstoffgehalt am Meßpunkt 246, dem ein Strommeßwert
von z. B. 200 Milliampere zugeordnet ist, folgendes: Sauerstoffgehalt am Meßpunkt
246 200 mA x 21 Vol.Z = 10,5 Vol.% 400 mA Wenn also der Meßgasstrom weder Sauerstoffüberschuß
noch Sauerstoffmangel aufweist und diesem Zustand auf der Abszisse der Wert Null
zuzuordnen ist, enthält der Meßgasstrom nach seiner Veränderung durch die Zufuhr
des Hilfsgasstromes 10,5 Vol.% Sauerstoff, was dem Meßpunkt 246 entspricht.
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Wegen des linearen Zusammenhangs zwischen Sauerstoffgehalt und elektrischen
Strom, kann jetzt das Diagramm gemäß Fig. 7 vervollständigt werden. Hierzu werden
die Punkte 244 und 246 durch eine Gerade verbunden, die nach links soweit verlängert
ist, bis sie die Abszisse im Punkt 248 schneidet. Diese Gerade bildet die Kennlinie
250 der Meßvorrichtung. Der dem Punkt 248 zugeordnete elektrische Strom weist den
Betrag Null auf und bedeutet, daß der veränderte Meßgasstrom keinerlei molekularen
Sauerstoff enthält. Das heißt, der beim Meßpunkt 246 noch vorhandene Sauerstoffgehalt
von 10,5 Vol.% ist jetzt für die Oxidation von brennbaren oder oxidierbaren Gasbestandteilen
verbraucht. Da im Koordinatensystem gemäß Fig. 7 einem Sauerstoffgehalt des veränderten
Meßgasstromes von 10,5 Vol.% (Meßpunkt 246) ein Sauerstoffüberschuß oder Sauerstoffmangel
vom Betrag Null zugeordnet wurde, entspricht dem Meßpunkt 248 ein Sauerstoffmangel
von ebenfalls 10,5 Vol.%. Auf dem linken Ast der Abszisse ist dem Punkt 248 daher
ein Sauerstoffmangel von minus 10,5 Vol.% zuzuordnen, wie dies in Fig. 7 gescheiben
ist. Die Teilung der Skala auf der Abszisse im Bereich des Sauerstoffmangels ist
linear, wobei von dem vorgegebenen Punkt 248 mit einem Sauerstoffmangel von 10,5
Vol.Z ausgegangen wird. Die Teilung der Abszisse im Bereich des Sauerstoffmangels
ist verschieden von der Teilung im Bereich des Sauerstoffüberschusses. Wird im Bereich
des Sauerstoffmangels auf der Abszisse die gleiche Teilung benutzt wie im Bereich
des Sauerstoffüberschusses, dann erhält die Kennlinie zwischen den Punkten 246 und
248 eine andere Steigung als im Bereich zwischen 244 und 246.
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Soll mit der Meßvorrichtung ein Verbrennungsprozeß geregelt, überwacht
oder überprüft werden, so wird die Entnahmeleitung 138 an die Verbrennungsvorrichtung
142 angeschlossen und Abgas des Verbrennungsprozesses durch die Saugvorrichtung
80 als Meßgasstrom angesaugt. Der Meßgasstrom fließt durch die Leitung 138 mit eingeschaltetem
Gasfilter 140 durch das geöffnete Absperrorgan 38 zum Raum 112, von hier zur Ausnehmung
118, durch die Düse 122, den Kanal 120 sowie durch den Meßgaskanal 60 zum Mischraum
58. Gleichzeitig wird Außenluft durch die Leitung 230 angesaugt, durch die Rohrleitung
224 mit eingeschaltetem Gasfilter 226 und das geöffnete zweite Absperrorgan 40 dem
Raum 212 zugeführt. Hier wird der Hilfsgasstrom durch die Ausnehmung 218 zur Düse
222 geleitet und durch den Kanal 220 sowie den Hilfsgaskanal 64 zum Gasmischraum
58 geführt. Durch das gegenläufige Einströmen des Hilfsgases und des Meßgases in
den Mischraum 58 wird eine gute Mischung erzielt, die durch die Abströmung, die
rechtwinklig zur Einströmrichtung der Gase verläuft, gefördert wird. Der im Mischraum
58 durch die Beimischung des Hilfsgases veränderte Meßgasstrom fließt dann durch
die Abflußleitung 34 zum Raum 28, der an die erste Elektrode 18 grenzt. Da durch
die Düsen 122 und 222, die mit kritischem Druckverhältnis arbeiten, sowohl der Meßgasstrom
als auch der Hilfsgasstrom konstant gehalten werden, besitzt auch der den Mischraum
58 verlassende veränderte Meßgasstrom einen konstanten Wert.
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Da die erste Elektrode 18 katalytisch wirksam ausgebildet ist, werden
oxidierbare, das heißt unverbrannte Gas-
komponenten mit Hilfe
jenes Sauerstoffgehaltes, der durch das Hilfsgas zugeführt wurde, oxidiert bzw.
verbrannt, so daß zur Messung an der ersten Elektrode 18 ein veränderter Meßgasstrom
ansteht, der sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet und der somit keinerlei
oxidierbare Bestandteile mehr enthält. Hierzu ist es selbstverständlich erforderlich,
daß der Sauerstoffgehalt des Hilfsgases ausreichend ist. Wird Außenluft als Hilfsgas
benutzt, so ist der Sauerstoffgehalt in der Regel ausreichend.
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Der jetzt vom Strommeßgerät 106 angezeigte Strommeßwert ist ein Maß
für den Sauerstoffüberschuß oder Sauerstoffmangel des Verbrennungsvorganges, zu
dessen quantitativer Bestimmung die Kennlinie 250 gemäß Fig. 7 benutzt wird. Liegt
der Strommeßwert über dem Meßpunkt 246 des Diagramms, so verläuft der Verbrennungsprozeß
mit Luftüberschuß, liegt der Meßwert dagegen unterhalb des Meßpunktes 246, so verläuft
der Verbrennungsprozeß mit Luftmangel, wobei die Größe des Luftüberschusses bzw.
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Luftmangels mit Hilfe der Kennlinie 250 aus dem Diagramm gemäß Fig.
7 auf der Abszisse abgelesen werden kann. Der Fall des Sauerstoffmangels ist gleichbedeutend
mit einem Gehalt des Verbrennungsabgases an oxidierbaren, das heißt unverbrannten,
Gaskomponenten.
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In Fig. 7 sind beispielsweise zwei Strommeßwerte eingetragen. Ein
Strommeßwert von 300 Milliampere (Meßpunkt 260) bedeutet einen Sauerstoffüberschuß
von ungefähr 10 Vol.%, wogegen ein Strommeßwert von 100 Milliampere (Meßpunkt 262),
einen Sauerstoffmangel von ungefähr 5,25 Vol% bedeutet.
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In manchen Fällen, z. B. für gelegentliche Überprüfungen, ist es zur
Vereinfachung des Meßbetriebs empfehlenswert, auf der Skala des Strommeßgerätes
unmittelbar den Sauerstoffgehalt in Vol.% aufzutragen. Hierzu wäre dem Strommeßwert,
der den Meßpunkt 246 der Fig. 7 entspricht ein Sauerstoffüberschuß oder -mangel
vom Betrag Null zuzuordnen, einem Strommeßwert der dem Punkt 244 entspricht, ein
Sauerstoffüberschuß von 21 Vol.% und einem Strommeßwert vom Betrag Null (Punkt 248)
ein Sauerstoffmangel von 10,5 Vol.Z zuzuordnen sowie die Skala entsprechend linear
zu teilen.
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Auch ist es möglich, auf der Skala des Strommeßgerätes oder auf der
Abszisse der Diagramme gemäß den Figuren 7 bis 10 die Luftüberschußzahl Lambda aufzutragen.
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Auf die gleiche Weise wird auch die Ofenatmosphäre eines Industrieofens
überwacht, wobei SauerstoffüberschuR eine oxidierende Ofenatmosphäe, Sauerstoffmangel
dagegen eine reduzierende Ofenatmosphäre bedeuten und wobei quantitativeesAussagen
mit Hilfe des Diagrammes gemäß Fig. 7 oder mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten
Skala des Strommeßgerätes 106 gemacht werden können.
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Da die Abgase von Verbrennungsprozessen bzw. die Ofenatmosphären meist
ungefähr Umgebungsdruck aufweisen, sind die Differenzdruckmanometer 134 und 234
nicht erforderlich. Da in diesem Falle der Ausgangsdruck, nämlich der Umgebungsdruck,
bekannt und konstant ist, genügt es zur Einstellung des kritischen Druckverhältnisses
der Düsen 122.und 222, den Unterdruck der Saug-
vorrichtung 80
zu erfassen. Dies geschieht am einfachsten mit Hilfe des Manometers 96, das an den
Pufferraum 76 angeschlossen ist. Der Pufferraum dient zum Ausgleich von Druckschwankungen
der jeweiligen Saugvorrichtung.
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Die weiter oben beschriebene Eichung der Meßvorrichtung kann auch
ohne die Zuhilfenahme eines sauerstoffreien Gases durchgeführt werden, wodurch der
Eichvorgang auf vorteilhafte Weise vereinfacht ist. Hierzu wird anstelle der Zufuhr
des sauerstoffreien Gases lediglich das Absperrorgan 38 geschlossen, so daß dann
nur noch Außenluft als Hilfsgasstrom bei geöffnetem zweiten Absperrorgan 40 zugeführt
wird. Der jetzt am Strommeßgerät 106 abgelesene Strommeßwert entspricht dem Punkt
246 der Fig. 7, er ist also identisch mit jenem Strommeßwert, der unter Zuhilfenahme
des sauerstoffreien Gases gefunden wurde. Dies erklärt sich in vorliegendem Fall,
bei dem der Meßgasstrom gleich groß ist dem Hilfsgasstrom, daraus, daß nach dem
Schließen des Absperrorgans 38 die jetzt der Sauerstoffmeßzelle 10 zufließende Sauerstoffmenge
pro Zeiteinheit halbiert ist. Daher verringert sich der von der Meßzelle extrahierte
Sauerstoff auf die Hälfte, wodurch der Strommeßwert halbiert wird und sich der Meßpunkt
246 einstellt. Wird jetzt noch das Absperrorgan 40 geschlossen, so daß weder Hilfsgas
noch Meßgas der Meßzelle zuströmt, so zeigt das Strommeßgerät 106 den Betrag null
Milliampere an. Diesem Betrag entspricht in Fig. 7 der Meßpunkt 248. Durch das aufeinanderfolgende
Schließen der Absperrorgane 38 und 40 kann somit auf besonders einfache Weise die
Eichung und/oder eine Eichkontrolle durchgeführt werden.
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Soll mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nur im Bereich des Sauerstoffüberschusses
gemessen werden, so bleibt das Absperrorgan 38 geöffnet, das zweite Absperrorgan
40 wird dagegen geschlossen. Um jetzt die Kennlinie der Vorrichtung zu finden, wird
Luft durch die Entnahmeleitung 138 angesaugt, der Messung unterworfen und dem angezeigten
Strommeßwert ein Sauerstoffgehalt von 21 Vol.% zugeordnet. Der zugehörige Meßpunkt
264 ist in das Diagramm gemäß Fig. 8 eingetragen. Da einem Sauerstoffgehalt von
Null % ein Strommeßwert von ebenfalls Null Milliampere zugeordnet ist, wird zur
Bildung der Kennlinie 256 der Meßpunkt 264 mit dem Nullpunkt verbunden.
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Da im vorliegenden Fall der die erste Elektrode 18 beaufschlagende
Meßgasstrom durch das Schließen des zweiten Absperrorgans 40 auf die Hälfte verringert
ist, wird auch vom Strommeßgerät 106 nur ein entsprechend geringerer Stromwert angezeigt,
wodurch die Lage des Punktes 264 erklärt ist. In Fig. 8 ist zusätzlich zur Kennlinie
256 noch die Kennlinie 250 gemäß Fig. 7 eingetragen. Man erkennt leicht, daß die
Kennlinie 256 parallel zur Kennlinie 250 verläuft und einen horizontalen Abstand
zu dieser aufweist, der einem Betrag von 10,5 Vol.% Sauerstoff entspricht.
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Zu bemerken ist noch, daß bei geschlossenem zweiten Absperrorgan 40
und geöffnetem Absperrorgan 38 die Meßvorrichtung gemäß dem Stand der Technik, wie
er in der DE-PS 29 45 698 oder in der US-PS 43 68 431 beschrieben ist, arbeitet.
Auf diesen Stand der Technik wird zur Erläuterung verwiesen.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante zur Strömungskonstanthaltung
als Einzelheit dargestellt. Anstelle der
Düse ist hier eine Blende
146 vorgesehen. Diese besteht aus einer kreisförmigen Scheibe, die zwischen dem
Einsatz 314 und einem sich am Grund des Raumes 312 abstützenden Zwischenring 148
eingeklemmt ist. Die Blende 146 ist mit einer zentrischen Öffnung versehen, welche
den Durchtrittsquerschnitt 150 bildet. Um die Reibungsverluste bei der Durchströmung
des Durchtrittsquerschnittes 150 gering zu halten, ist es empfehlenswert, daß die
Blende 146 an der Abströmseite eine kegelförmige Erweiterung 152 des zylindrischen
Durchtrittsquerschnittes aufweist. Die Dicke der Blende beträgt etwa 2 bis 5mm,
die Erweiterung 152 durchdringt ungefähr 2/3 der Blendendicke. Als Material für
die Blende ist vorzugsweise Glas oder Keramik vorgesehen. Bei der Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung können anstelle der Düsen alternativ Blenden zur Strömungskonstanthaltung
eingesetzt werden. Bezüglich der Durchtrittsquerschnitt gelten die weiter oben gegebenen
Ausführungen. Die Blende 146 ist ähnlich wie die Düsen in einem Körper 310 gelagert.
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Fig. 5 zeigt den Ausschnitt V der Fig. 1 als Ausführungsvariante und
in größerer Darstellung. Man erkennt die elektrische Heizung 115, die zweite Elektrode
22, das Festelektrolytrohr 16 sowie die darauf angeordnete erste Elektrode 70, die
im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht katalytisch ausgebildet ist. Um auch hier
eine katalytische Oxidation oxidierbarer Gaskomponenten zu erreichen, ist auf der
ersten Elektrode 70 eine gasdurchlässige, poröse Katalysatorschicht 258 angeordnet.
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Diese Katalysatorschicht enthält Metalle bzw. Metallegierungen der
Edelmetallgruppe, insbesondere Platin, oder besteht aus diesen Metallen. Auch ist
es vorteil-
haft, eine keramische Schicht aufzubringen und durch
Tränkung mit einer Platinsalze enthaltenden Lösung diese zu einer Katalysatorschicht
258 auszubilden. Darüber hinaus gelten für die katalytische Ausbildung der Katalysatorschicht
258 jene Ausführungen, die bezüglich der katalytischen Ausbildung der ersten Elektrode
weiter oben gemacht wurden. Das Aufbringen der Katalysatorschicht kann, genau wie
das Herstellen der schichtförmigen Elektroden 18, 22, 70, mit bekannten Verfahren,
wie Sintern oder Plasmaspritzen, durchgeführt werden.
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Fig. 6 zeigt den Bereich der Düsen gemäß Fig. 1 als Einzelheit und
als Ausführungsvariante. Der hauptsächliche Unterschied gegenüber Fig. 1 besteht
bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 darin, daß eine dritte Düse vorgesehen ist
und daß die Düsen in verschiedener Kombination vom Meßgas bzw. Hilfsgas durchströmt
werden können.
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Die erste Düse 272 und die zweite Düse 274 sind auf die gleiche Weise
wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 an den Mischraum 58 angeschlossen. Der
vom Mischraum ausgehende Kanal 264, der zur zweiten Düse 274 führt, ist in seinem
horizontal verlaufenden Bereich verlängert und erstreckt sich bis zur dritten Düse
276. Die Halterung und die Ausbildung der Düsen ist hier genauso wie es in Zusammenhang
mit Fig. 1 beschrieben wurde, so daß sich hier nähere Ausführungen erübrigen. Auch
sind die Düsen 272, 274, 276 und ihre Halterungen von der Wärmeisolierung 242 umgeben,
deren Innenraum 232 mit der Heizung 238 versehen ist.
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Der Durchtrittsquerschnitt der ersten Düse 272 ist genauso groß wie
der Durchtrittsquerschnitt der zweiten Düse 274. Die dritte Düse 276 dagegen hat
einen Durchtrittsquerschnitt, der so groß ist, wie die Durchtrittsquerschnitte der
ersten 272 und zweiten Düse 274 zusammen genommen. Dies bedeutet, daß die Gasströme
in der ersten und zweiten Düse gleichgroß sind, der Gasstrom in der dritten Düse
jedoch so groß ist wie in der ersten und zweiten Düse zusammen, und daß je nachdem
welche Düsen in den Meßgasstrom bzw. Hilfsgasstrom eingeschaltet sind, der Meßzelle
ein veränderter Hilfsgasstrom mit verschiedenen Mischungsverhältnissen zugeführt
werden kann. Um dies zu erreichen, ist eine Ventilanordnung 278 mit fünf Absperrventilen
sowie eine Verteilleitung 280 und eine Umgehungsleitung 282 vorgesehen.
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Das eine Ende der Verteilleitung 280 ist für den Anschluß der Entnahmeleitung
138 vorgesehen, wogegen an das andere Ende der Verteilleitung die Rohrleitung 224
für die Zufuhr des Hilfsgases angeschlossen werden soll.
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Ausgehend von der Anschlußstelle für die Entnahmeleitung 138 sind
in der Verteilleitung 280 folgende Anschlüsse bzw. Armaturen hintereinander angeordnet.
Zunächst ist eine Rohrleitung 284 angeschlossen, die zum Eingang der ersten Düse
272 führt. Dann folgt in der Verteilleitung 280 ein erstes Absperrventil 286 und
der Anschluß der Rohrleitung 290, die zum Eingang der zweiten Düse 274 führt, wobei
in der Rohrleitung 290 ein zweites Absperrventil 288 angeordnet ist. Danach ist
in der Verteilleitung ein drittes Ab'sperrventil 292 und ein viertes Absperrventil
294 vorgesehen, wobei zwischen diesen beiden Ventilen die Rohrleitung 296, die zur
dritten Düse
286 führt, an die Verteilleitung 280 angeschlossen
ist.
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Dann ist noch zwischen dem vierten Absperrventil 294 und dem Anschluß
der Rohrleitung 224 für das Hilfsgas die Umgehungsleitung 282 angeschlossen, die
zu jenem Bereich der Rohrleitung 290 führt, der zwischen dem zweiten Absperrventil
288 und dem Eingang der zweiten Düse 274 verläuft. In die Umgehungsleitung 282 ist
noch ein fünftes Absperrventil 298 eingefügt.
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Werden für den Betrieb der Meßvorrichtung das erste Absperrventil
286, das zweite Absperrventil 288 und das vierte Absperrventil 294 geöffnet, dagegen
das dritte Absperrventil 292 und das fünfte Absperrventil 298 geschlossen, so wird
das Hilfsgas der dritten Düse 276 zugeführt, wogegen das aus der Entnahmeleitung
138 kommende Meßgas der ersten'Düse 272 und der zweiten Düse 274 zuströmt. Da die
Durchflußquerschnitte der ersten 272 und zweiten Düse 274 gleich sind und die Summe
dieser Durchtrittsquerschnitte gleich ist dem Durchtrittsquerschnitt der dritten
Düse 276, ist jetzt der Hilfsgasstrom genauso groß wie der Meßgasstrom. Bei diesem
Betriebszustand ergibt sich daher eine Kennlinie, die der der Meßvorrichtung in
der Ausführungsform gemäß Fig.
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1 entspricht und die in Fig. 7 gezeigt ist.
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Werden in einer anderen Betriebsart das erste Absperrventil 286, das
dritte Absperrventil 292 und das fünfte Absperrventil 298 geöffnet, dagegen das
zweite Absperrventi 288 und das vierte Absperrventil 294 geschlossen, dann wird
das aus der Rohrleitung 224 kommende Hilfsgas durch die Umgehungsleitung 282 der
zweiten Düse 274 zugeführt, wohingegen der ersten Düse 272 und der dritten
Düse
276 das von der Entnahmeleitung 138 kommende Meßgas zuströmt. In Folge der vorbeschriebenen
Durchlaßquerschnitte der einzelnen Düsen besteht jetzt zwischen der Größe des Hilfsgasstromes
und des Meßgasstromes ein Verhältnis von 1:3. Die zu dieser Betriebsweise gehörende
Kennlinie der Meßvorrichtung ist in Fig. 9 dargestellt.
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Diese Kennlinie wurde genauso aufgenommen, wie es im Zusammenhang
mit Fig. 1 erläutert wurde. Man erkennt, daß durch den geringen Anteil an Hilfsgas
der Meßbereich für Sauerstoffmangel gegenüber Fig. 7 kleiner geworden ist, er endet
ungefähr bei 5,25 Vol.%, das sind 1/4 von 21 Vol..
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Werden das zweite Absperrventil 288, das dritte Absperrventil 292,
das vierte Absperrventil 294 und eventuell das fünfte Absperrventil 298 geöffnet,
dagegen das erste Absperrventil 286 geschlossen, so wird das Meßgas der ersten Düse
272 zugeführt, während das Hilfsgas der zweiten 274 und der dritten Düse 276 zuströmt.
Das Größenverhältnis von Hilfsgasstrom und Meßgasstrom beträgt jetzt in der Mischkammer
3:1. Die zugehörige Kennlinieeist in Fig. 10 gezeigt. Infolge des größeren Hilfsgasanteiles
ist der Meßbereich für den Sauerstoffmangel erweitert, er erstreckt sich bis 15,75
Vol.%. Die Kennlinie wird auch hier auf die gleiche Weise bestimmt, wie es im Zusammenhang
mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erläutert wurde. In Fig. 10 ist die Kennlinie
und die Abszisse unterbrochen eingetragen, um den Schnittpunkt der Kennlinie mit
der Abszisse noch darstellen zu können. Die Größe des Meßbereichs für Sauerstoffmangel
läßt sich auch aus folgender Überlegung ableiten. Da im vorliegenden Fall der aus
der Mischkammer 58 austretende
veränderte Meßgasstrom einen Anteil
von 3/4 Hilfsgas und 1/4 Meßgas enthält, ergibt sich der Meßbereich bei Sauerstoffmangel
zu 3/4 des Sauerstoffgehaltes des Hilfsgases. Im vorliegenen Fall, in dem Luft als
Hilfsgas benutzt wird, sind dies 15,75 Vol.%. Mit dieser Überlegung lassen sich
ganz allgemein die Größen der Meßgasbereiche für Sauerstoffmangel bestimmen.
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Soll mit der Meßvorrichtung nur der Sauerstoffüberschuß erfaßt werden,
so sind das vierte Absperrventil 294 und das fünfte Absperrventil 298 zu schließen,
wogegen sämtliche andere Absperrventile geöffnet sind. Das Meßgas strömt jetzt sämtlichen
Düsen zur Konstanthaltung zu, und es ergibt sich eine Kennlinie, die der Kennlinie
256 gemäß Fig. 8 entspricht.
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Es leuchtet ein, daß durch die Ausführungsform der Meßvorrichtung
gemäß Fig. 6 eine optimale Anpassung an die einzelnen Meß-, Regel- oder Uberwachungsaufgaben
erreicht werden kann. Auch kann erforderlichenfalls das Durchlaßverhältnis der Düsen
anders gewählt werden, auch könne mehr als drei Düsen vorgesehen sein.
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Anstelle einzelne Absperrventile zu verwenden, kann vorteilhaft die
Ventilanordnung 278 auch ein einziges Mehrwegeventil aufweisen, das die Funktionen
der einzelnen Absperrventile in sich vereint. Auch ist es empfehlenswert, als Absperrventile
elektrisch betätigte Magnetventile einzusetzen, die durch einen Programmumschalter
angesteuert werden. Diese Ausführungsformen, die in den Zeichnungen nicht dargestellt
sind, ergeben einen vereinfachten Betrieb. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 können
selbstverständlich anstelle der Düsen Blenden vorgesehen sein, wie dies weiter oben
beschrieben wurde.
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Für die Dimensionierung der Meßvorrichtung können noch folgende Richtwerte
gelten. Der Außendurchmesser des Festelektrolytrohres 16 beträgt ca. 8 bis 15mm
bei einer Länge von 50 bis 200mm. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind
als Schichten mit einer Dicke von ungefähr 0,05 bis 0,5mm, vorzugsweise 0,1 bis
0,2mm auf das Festelektrolytrohr aufgebracht.
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Es leuchtet weiter ein, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorteilhaft zur Regelung von Verbrennungsprozessen oder zur Einstellung von Ofenatmosphären
auf beliebigen Sauerstoffüberschuß oder Sauerstoffmangel bzw. auf beliebige oxidierende
oder reduzierende Atmosphäre verwenden läßt.
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Die Lehre der Erfindung läßt sich folgendermaßen zusammenfassen. Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung weist eine elektrochemische Sauerstoffmeßzelle 10
auf, der ein dem Abgas eines Verbrennungsprozesses oder einer Ofenatmosphäre entnommener
Meßgasstrom zuführbar ist. Vor dem Eintritt in die Sauerstoffmeßzelle 10 wird dem
Meßgasstrom an einer Gasmischstelle 36 ein Hilfsgasstrom mit bekanntem und konstantem
Sauerstoffgehalt beigemischt, so daß der auf diese Weise veränderte Meßgasstrom
molekularen Sauerstoff enthält. Während des Meßvorgangs weden an der katalytisch
wirksam ausgebildeten ersten Elektrode 18 der Sauerstoffmeßzelle oder einer Katalysatorschicht
gegebenenfalls im veränderten Meßgasstrom enthaltene unverbrannte Gaskomponenten
oxidiert bzw. nachverbrannt. Der hierzu benötigte Sauerstoff wird als Sauerstoffminderung
des veränderten Meßgasstroms
durch die Sauerstoffmeßgaszelle erfaßt
und als Maß für den Anteil von unverbrannten Gaskomponenten des Meßgasstroms benutzt.
Die lineare Kennlinie der Meßzelle erleichtert wesentlich die Eichung und Nullpunktkontrolle
der Vorrichtung.
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Die Vorrichtung wird bevorzugt eingesetzt zur Regelung, Überwachung
und/oder Prüfung des Brennstoff-Luftverhältnisses von Verbrennungsprozessen oder
zur Uberwachung, Prüfung und/oder Regelung von Ofenatmosphären.
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