sensoreinheit und messeinhelt zur bestimmung der konzentration von minderanteil en einer schmelze und verfahren zu deren betriebsensor unit and measuring unit for determining the concentration of minor fractions in a melt and method for their operation
Die Erfindung bezieht sich auf Messeinrichtungen und Verfahren, die zur qualitativen und vorzugsweise quantitativen Bestimmung von verschieden Bestandteilen von heißen Gasen und Metallschmelzen eingesetzt werden. Die genaue Bestimmung der Bestandteile von heißen Gasen ist insbesondere im Rahmen der Emissi-The invention relates to measuring devices and methods which are used for the qualitative and preferably quantitative determination of different constituents of hot gases and metal melts. The precise determination of the components of hot gases is particularly important in the context of
10 onskontrolle bei Verbrennungsprozessen von großer Bedeutung. Im Bereich der Metallschmelzen ist es von großer Wichtigkeit, die Bestandteile der Metallschmelzen und ihre Konzentration genau zu kennen, da diese sich unmittelbar auf Materialeigenschaften und Qualität des aus der Metallschmelze gewonnen Metalls und des Gießgutes auswirken.10 on control in combustion processes of great importance. In the field of molten metal, it is very important to know exactly the components of the molten metal and their concentration, since these have a direct effect on the material properties and quality of the metal and the cast material obtained from the molten metal.
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So unterliegt beispielsweise Aluminium als bedeutender Leichtbauwerkstoff im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrttechnik immer höheren Anforderungen bezüglich der Druckdichtheit und der mechanisch-technologischen Eigenschaften. Wegen der Neigung zur Wasserstoffaufnahme von Aluminiumschmel-For example, aluminum, as an important lightweight material in automotive engineering and in aerospace technology, is subject to ever higher requirements with regard to pressure tightness and mechanical-technological properties. Because of the tendency to absorb hydrogen from molten aluminum
20 zen ist ein häufig in Aluminium und Aluminiumlegierungen vorkommender Fehler die "Gasporosität", die in erheblichem Maße die Eigenschaften des Gussstücks beeinträchtigt. Ihre Ursache ist besonders in einem zu hohen Wasserstoffgehalt der Schmelze zu suchen. Zur quantitativen Bestimmung des Wasserstoffgehalts in Aluminiumschmelzen sind daher eine Reihe von Verfahren bekannt. In diesem20 zen is a common defect in aluminum and aluminum alloys, the "gas porosity", which significantly affects the properties of the casting. Their cause is particularly to be found in an excessive hydrogen content in the melt. A number of methods are therefore known for the quantitative determination of the hydrogen content in aluminum melts. In this
25 Zusammenhang seien die Heißextraktionsanalyse, das Telegas-Verfahren und das auf dem "Prinzip der ersten Blase" basierende Hycon-Tester- und Alu- Schmelztester- Verfahren als übliche Verfahren genannt. Hiervon bietet nur das Telegas-Verfahren die Möglichkeit, direkt in der Schmelze den Wasserstoffgehalt zu bestimmen. Wegen der Empfindlichkeit und der Störanfälligkeit der Apparatur25 context, the hot extraction analysis, the Telegas method and the Hycon tester and aluminum melt tester method based on the "principle of the first bubble" may be mentioned as common methods. Of these, only the Telegas process offers the possibility of determining the hydrogen content directly in the melt. Because of the sensitivity and the susceptibility to failure of the equipment
30 für den Gießereibetrieb, ist das Telegas-Verfahren jedoch für den alltäglichen
Gießereibetrieb ungeeignet. Als weiterer, für die Qualität von Aluminiumschmelzen und den daraus erhaltenen Gusskörpern relevanter Bestandteil der Aluminiumschmelzen ist Natrium zu nennen.30 for the foundry, but the Telegas process is for everyday use Foundry operation unsuitable. Another component of aluminum melts that is relevant for the quality of aluminum melts and the castings obtained from them is sodium.
Eine Möglichkeit der Natriumbestimmung durch einen elektrochemisch arbeitenden Sensor wird in Metallurgical and Materials Transactions 27b, October 1996, S. 794 - 799 offenbart. Nachteilhaft an diesen elektrochemisch arbeitenden Sensoren ist der komplexe Aufbau und die damit verbundene Anfälligkeit im Alltagseinsatz im Gießereibetrieb. Dieses gilt auch für die Sensoren, die in dem Arti- kel von W.F. Chu in Technisches Messen 56, 1989 offenbart sind.One possibility of determining sodium by means of an electrochemically operating sensor is disclosed in Metallurgical and Materials Transactions 27b, October 1996, pp. 794-799. A disadvantage of these electrochemically working sensors is the complex structure and the associated vulnerability in everyday use in the foundry. This also applies to the sensors described in the W.F. Chu in Technischen Messen 56, 1989 are disclosed.
Insbesondere ergeben sich Aufgaben aus den zu lösenden folgenden technischen Widersprüchen:In particular, tasks result from the following technical contradictions to be resolved:
Die Messeinheit mit dem Sensor taucht zusammen mit der sie tragenden Lanze in die Schmelze ein und zwar bei online Messungen über mehrere Stunden oder gar über mehrere Tage, wobei sich der Badspiegel oberhalb der Verbindungsstelle der Sensoreinheit zur Lanze befindet. Aus Kostengründen muss zumindest die Lanze nach dem Einsatz wieder verwendbar oder mit unterschiedlichen Sensoren bestückbar sein. Die Sensoren aus können dabei lonenleiterphase aufweisen, die in einer Sensoreinheit mehreren Temperaturwechsel von bis zu 1000°C ausgesetzt sind. Dabei sollte bei thermomechanischer Zerstörung des Sensors die Funktionssicherheit der gesamten Sensoreinheit nicht gefährdet sein, insbesondere dürfen Teile der Sensoreinheit nicht von der die Sensoreinheit umgebende Schmelze kon- taminiert werden.The measuring unit with the sensor dips into the melt together with the lance carrying it, in the case of online measurements over several hours or even over several days, the bath level being located above the connection point of the sensor unit to the lance. For cost reasons, at least the lance must be reusable after use or equipped with different sensors. The sensors from can have an ion conductor phase which are exposed to several temperature changes of up to 1000 ° C. in one sensor unit. In the event of thermomechanical destruction of the sensor, the functional reliability of the entire sensor unit should not be endangered, in particular parts of the sensor unit must not be contaminated by the melt surrounding the sensor unit.
Weiterhin ist hinsichtlich der Herstellung von Ionenleiterphasen, insbesondere solche des ß oder ß"-Aluminiumoxid-Typs, vorzugsweise für die Messung von Natrium in Aluminiumschmelzen, zu berücksichtigen, dass diese nach den bisher
bekannten Verfahren sehr aufwendig und damit nachteilig sind. Der hohe Aufwand der bekannten Verfahren resultiert insbesondere daraus, dass mehrere Mahl- , Misch- und Calcinierschritte zur Herstellung einer lonenleiterphase notwendig sind. Diese Verfahrensschritte sind wiederum jeweils einer Qualitätskontrolle un- terworfen, um Qualitätsschwankungen so gering wie möglich zu halten. Dies führt zu einem erheblichen zeitlichen und apparativen Aufwand, mit dem erhebliche Herstellungskosten verbunden sind, obwohl es trotz der vielen Herstellungsschritte zu erheblichen Schwankungen in der Qualität der Ionenleiterphasen kommt. Die Qualitätsschwankungen der aus den herkömmlichen Verfahren erhaltenen Ionenleiterphasen fuhren wiederum zu Sensoren mit unbefriedigenden Messgenauigkeiten. Dieses hat für die Metallverarbeitung die Konsequenz, dass die Genauigkeit der Konzentrationsmessungen nicht ausreichend hoch ist. Folglich resultieren hieraus entsprechend negativen Folgen für die Qualität und Materialeigenschaften der aus den Metallschmelzen erhaltenen Metalle und Gussstücke. Diesen Nachteilen kann bisher nur in meist unzulänglicher Weise dadurch begegnet werden, dass Mehrfachmessungen, Parallelmessungen und gegebenenfalls Kalibriermessungen notwendig sind.Furthermore, with regard to the production of ion conductor phases, in particular those of the β or β "aluminum oxide type, preferably for the measurement of sodium in aluminum melts, it has to be taken into account that these according to the previous known methods are very complex and therefore disadvantageous. The high cost of the known methods results in particular from the fact that several grinding, mixing and calcining steps are necessary to produce an ion conductor phase. These process steps are each subjected to a quality control in order to keep quality fluctuations as low as possible. This leads to considerable expenditure in terms of time and equipment, which involves considerable manufacturing costs, although there are considerable fluctuations in the quality of the ion conductor phases despite the many manufacturing steps. The quality fluctuations of the ion conductor phases obtained from the conventional methods in turn lead to sensors with unsatisfactory measurement accuracies. For metal processing, this has the consequence that the accuracy of the concentration measurements is not sufficiently high. As a result, there are corresponding negative consequences for the quality and material properties of the metals and castings obtained from the molten metals. So far, these disadvantages can only be countered in an inadequate manner in that multiple measurements, parallel measurements and, if necessary, calibration measurements are necessary.
Der Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile zu überwinden sowie auch zur Lösung der folgenden Aufgaben beizutragen. Eine erfindungsgemäße Aufgabe liegt darin, eine schnell einsetzbare, genaue und einfache Sensoreinheit und Messeinheit mit sehr kleinen Abmessungen zur Bestimmung von Bestandteilen in Metallschmelzen zur Verfügung zu stellen. Somit ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoreinheit anzugeben, die einerseits eine exakte Bestimmung von Minderbestandteilen einer Schmelze sicherstellt, wobei die Wartungsfreundlichkeit bzw. der Betrieb einer solchen Sensoreinheit vereinfacht werden soll. Die Sensoreinheit soll dabei kostengünstig und schnell instandgesetzt werden können, falls Komponenten infolge der hohen thermischen Belastungen bzw. infolge zunehmenden
Verschleißes ersetzt werden müssen. Weiter soll eine entsprechende Messeinheit angegeben werden, die insbesondere das Eintauchen einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit in ein Schmelzbad sicherstellt. Zusätzlich sollen Verfahren zur Herstellung eines veredelten Metalls und Verfahren zum Betrieb einer Sensoreinheit zur Bestimmung der Konzentration von Minderbestandteilen einer Schmelze angegeben werden, die insbesondere im Hinblick auf die bei der Herstellung des Metalls bzw. bei der Wartung der Sensoreinheit deutliche Kostenvorteile bedingen.The invention is generally based on the object of overcoming the disadvantages arising from the prior art and also contributing to the solution of the following objects. It is an object of the invention to provide a sensor unit and measuring unit with very small dimensions, which can be used quickly, accurately and simply, for determining components in molten metals. It is therefore also an object of the present invention to provide a sensor unit which on the one hand ensures an exact determination of minor constituents of a melt, the ease of maintenance and the operation of such a sensor unit being intended to be simplified. The sensor unit should be able to be repaired inexpensively and quickly if components due to the high thermal loads or due to increasing Wear must be replaced. Furthermore, a corresponding measuring unit is to be specified, which in particular ensures that a sensor unit according to the invention is immersed in a weld pool. In addition, methods for producing a refined metal and methods for operating a sensor unit for determining the concentration of minor constituents of a melt are to be specified, which result in significant cost advantages in particular with regard to the production of the metal or in the maintenance of the sensor unit.
Diese Zielsetzungen werden gelöst durch eine Sensoreinheit zur Bestimmung der Konzentration von Minderbestandteilen einer Schmelze gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einer Messeinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10, einem Verfahren zur Herstellung eines veredelten Metalls durch eine Schmelze gemäß den Verfahrensschritten nach Patentanspruch 12 sowie ein Ver- fahren zum Betrieb einer Sensoreinheit gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13. Weitere vorteilhafte und besonders bevorzugte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen beschrieben. Dabei sei angemerkt, dass die darin offenbarten Merkmale einzeln oder in beliebiger sinnvoller Kombination miteinander auftreten können.These objectives are achieved by a sensor unit for determining the concentration of minor constituents of a melt according to the features of patent claim 1, a measuring unit according to the features of patent claim 10, a method for producing a refined metal by a melt according to the method steps according to patent claim 12 and a Ver - Drive to operate a sensor unit according to the features of claim 13. Further advantageous and particularly preferred configurations are described in the respective dependent claims. It should be noted that the features disclosed therein can occur individually or in any meaningful combination with one another.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit zur Bestimmung der Konzentration von Minderbestandteilen einer Schmelze umfasst eine mit einem Gehäuse (als elekt- risch leitfähige und im Einsatz mit der Schmelze in Kontakt stehende Arbeitselektrode) verbindbare Sensorhalterung, die einen Innenraum, eine Messöffnung und einen Verbindungsbereich hat. In dem Innenraum ist mindestens ein Sensor und mindestens eine Referenzelektrode angeordnet, die gegenüber der Sensorhalterung elektrisch isoliert sind. Weiterhin umfasst die Sensoreinheit Mittel zur Bestimmung eines elektrischen Potentials zwischen dem Gehäuse und dem mindestens einen Sensor. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Sensoreinheit dadurch aus, dass der mindestens eine Sensor und die mindestens eine Referenzelektrode je-
weils separate Komponenten sind, die lösbar zueinander, und insbesondere formschlüssig miteinander, anordenbar sind.The sensor unit according to the invention for determining the concentration of minor constituents of a melt comprises a sensor holder which can be connected to a housing (as an electrically conductive working electrode which is in contact with the melt in use) and which has an interior space, a measurement opening and a connection area. At least one sensor and at least one reference electrode, which are electrically insulated from the sensor holder, are arranged in the interior. Furthermore, the sensor unit comprises means for determining an electrical potential between the housing and the at least one sensor. According to the invention, the sensor unit is characterized in that the at least one sensor and the at least one reference electrode each because they are separate components that can be arranged releasably to one another, and in particular to one another in a form-fitting manner.
Während bei bislang bekannten Sensor-Referenzelektroden- Vorrichtungen eine einstückige, kombinierte Ausgestaltung gewählt wurde, um beispielsweise trotz unterschiedlicher thermischer Ausdehnungsverhalten einen dauerhaften Kontakt zwischen Referenzelektrode und Sensor bzw. lonenleiterphase sicherzustellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Komponenten separat bzw. körperlich getrennt voneinander auszubilden. Das hat zur Folge, dass der mindestens eine Sensor und die mindestens eine Referenzelektrode eine gemeinsame Kontaktfläche aufweisen, wobei der mindestens eine Sensor bzw. die mindestens eine lonenleiterphase mit der Referenzelektrode bevorzugt formschlüssig in Kontakt steht. Diese Kontaktierung ist so ausgeführt, dass sie ohne technischen Aufwand zu lösen ist. Bei dieser Kontaktweise wird insbesondere auf ein Gegeneinander- pressen, -drücken und/oder Anliegen zurückgegriffen. Die Verwendung von Haftbzw. Klebemitteln wird bevorzugt vermieden, ist aber unter bestimmten Voraussetzungen auch möglich. Die Kontaktfläche ist dabei so ausgebildet, dass ein e- lektrischer Kontakt zur Bestimmung eines Potentials auch unter hohen thermischen Umgebungsbedingungen sichergestellt ist. Die Kontaktfläche hat dabei ein Ausmaß, welches vorzugsweise zwischen 0,05 mm und 5 mm2 liegt. Mit der Größe der Kontaktfläche ist dabei die Summe aller Teilflächen gemeint, die zur Bestimmung lediglich eines Minderbestandteiles dienen. Werden mehrere Minderbestandteile gemessen, wobei jeweils eine Kombination aus Sensor und Referenzelektrode vorgesehen ist, bezieht sich dieser Wert betreffend die Kontaktflä- ehe auf jeweils eine solche paarweise Anordnung. Die separate Ausgestaltung des Sensors erlaubt eine von der Referenzelektrode unabhängige Wartung. Der Sensor, der bevorzugt nur in Teilbereichen eine lonenleiterphase umfasst, ist gegenüber der Referenzelektrode deutlich kostengünstiger herstellbar. Insofern kann der Betreib einer solchen Sensoreinheit schon dadurch kostengünstiger gestaltet wer-
den, dass der (im Verhältnis zur geschützten Referenzelektrode) zumeist frühzeitig auszutauschende und preiswert herstellbare Sensor von der Referenzelektrode unabhängig ausgetauscht wird.While in one-piece sensor reference electrode devices known to date, a one-piece, combined configuration was chosen, for example to ensure permanent contact between the reference electrode and the sensor or ion conductor phase despite different thermal expansion behavior, the invention proposes to form these components separately or physically separately from one another. The consequence of this is that the at least one sensor and the at least one reference electrode have a common contact surface, the at least one sensor or the at least one ion conductor phase preferably being in positive contact with the reference electrode. This contact is designed so that it can be solved without any technical effort. This type of contact makes particular use of pressing, pressing and / or pressing against one another. The use of Haftbzw. Adhesives are preferably avoided, but is also possible under certain conditions. The contact surface is designed in such a way that an electrical contact for determining a potential is ensured even under high thermal ambient conditions. The contact area has a dimension which is preferably between 0.05 mm and 5 mm 2 . The size of the contact area means the sum of all partial areas that are used to determine only a minor component. If several minor components are measured, whereby a combination of sensor and reference electrode is provided, this value relates to the contact area before each such paired arrangement. The separate design of the sensor allows maintenance independent of the reference electrode. The sensor, which preferably only comprises an ion conductor phase in some areas, is significantly cheaper to produce than the reference electrode. In this respect, the operation of such a sensor unit can already be made more cost-effective that the sensor (in relation to the protected reference electrode), which can usually be replaced early and is inexpensive to produce, is independently replaced by the reference electrode.
Die mindestens eine Referenzelektrode und die Messöffhung sind gemäß einer weiteren Ausgestaltung gasdurchlässig miteinander verbunden. Hierbei sei zunächst angemerkt, dass bei bisher bekannten Messsonden, welche zur Messung von Konzentrationen der Bestandteile einer Aluminiumschmelze verwendet wurden, die Referenzelektrode so abgeschirmt wurde, dass ein Kontakt mit beispiels- weise gasförmigen Bestandteilen der Schmelze unterbunden wird, da dies häufig zum Versagen der Referenzelektrode führt. Dies trifft insbesondere für Referenzelektroden zu, welche zumindest teilweise aus Natrium aufgebaut sind. Bei diesen Referenzelektroden ist eine zunehmende Verschlechterung des Referenzsignals mit fortlaufendem Verschleiß erkennbar, die eine exakte Bestimmung der Kon- zentration von Minderbestandteilen der Schmelze nicht sicherstellt. Bevorzugt ist es, dass die Referenzelektrode eine Kombination aus:According to a further embodiment, the at least one reference electrode and the measurement opening are connected to one another in a gas-permeable manner. It should first be noted that in the case of measuring probes known hitherto, which were used to measure concentrations of the components of an aluminum melt, the reference electrode was shielded in such a way that contact with, for example, gaseous components of the melt is prevented, since this often leads to failure of the reference electrode leads. This is particularly true for reference electrodes which are at least partially made up of sodium. With these reference electrodes, there is an increasing deterioration of the reference signal with continuous wear, which does not ensure an exact determination of the concentration of minor components of the melt. It is preferred that the reference electrode is a combination of:
(a) Titandioxid und einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetalltitanat oder(a) titanium dioxide and an alkali metal or alkaline earth metal titanate or
(b) Zinndioxid und einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallstannat in, vorzugsweise inniger, Mischung umfasst, wobei die Referenzelektrode vor- zugsweise nicht gegenüber dem zu messenden Medium isoliert ist. Zusätzlich umfasst die Referenzelektrode bevorzugt ein Metallpulver, insbesondere ein E- delmetallpulver. Dieses Metallpulver trägt zur elektrischen Leitfähigkeit der Referenzelektrode bei und liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 - 70 Gew.% vor, insbesondere in einem Bereich von 30 - 50 Gew.%. Weitere Einzelheiten über Sensoren sind EP 0767 906 Bl zu entnehmen, deren Offenbarung einen Teil dieser Anmeldung darstellt. Die in diesem Abschnitt genannten Bestandteile sind ebenfalls über ein Wirbelschichttrocknungsverfahren erhältlich, welches nachfolgend noch im Zusammenhang mit der Herstellung einer lonenleiterphase näher beschrieben wird .
Aufgrund der Anordnung der Referenzelektrode auf der der Messöffhung abgewandten Seite des Sensors hat zur Folge, dass der Sensor einerseits die Referenzelektrode vor der Schmelze schützt, andererseits aber auch einen Gasaustausch mit dem Innenraum der Sensorhalterung und der darin befindlichen Referenzelektrode zulässt, d.h. selbst bei einem Sensorbruch die Referenzelektrode diesen durch Andruck in Form halt und eine Desintegration verhindert. Da bei der oben genannten Anordnung eine hohe thermische Beanspruchung des Sensors gegeben ist, ist in regelmäßigen Zeitabständen bzw. nach mehrmaliger Anwendung des Sensors eine Überprüfung der Funktionalität durchzuführen. Dabei hat sich herausgestellt, dass bestimmte Komponenten des Sensors, insbesondere beispielsweise eine lonenleiterphase (bzw. ein ionenleitender Festelektrolyt), eine von der der Referenzelektrode abweichenden Verschleißgeschwindigkeit aufweist. Das bedeutet, dass die Referenzelektrode und der Sensor häufig zu verschiedenen Zeit- punkten hinsichtlich ihrer Funktionalität überprüft und ggf. gewartet oder unter Umständen auch ausgetauscht werden müssen.(b) tin dioxide and an alkali metal or alkaline earth metal stannate in, preferably intimate, mixture, the reference electrode preferably not being insulated from the medium to be measured. In addition, the reference electrode preferably comprises a metal powder, in particular a precious metal powder. This metal powder contributes to the electrical conductivity of the reference electrode and is preferably in a range from 1 to 70% by weight, in particular in a range from 30 to 50% by weight. Further details about sensors can be found in EP 0767 906 B1, the disclosure of which forms part of this application. The components mentioned in this section can also be obtained via a fluidized-bed drying process, which is described in more detail below in connection with the production of an ion conductor phase. Due to the arrangement of the reference electrode on the side of the sensor facing away from the measurement opening, the sensor on the one hand protects the reference electrode from the melt, but on the other hand also permits gas exchange with the interior of the sensor holder and the reference electrode located therein, i.e. even in the event of a sensor break the reference electrode keeps it in shape by pressing and prevents disintegration. Since the above arrangement has a high thermal load on the sensor, the functionality must be checked at regular intervals or after repeated use of the sensor. It has been found that certain components of the sensor, in particular, for example, an ion conductor phase (or an ion-conducting solid electrolyte) have a wear rate that differs from that of the reference electrode. This means that the functionality of the reference electrode and the sensor often have to be checked at different times and, if necessary, serviced or, under certain circumstances, also replaced.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Sensoreinheit ist die mindestens eine Referenzelektrode auf einer der Messöffhung abgewandten Seite des mindestens einen Sensors angeordnet, wobei der mindestens eine Sensor vorzugsweise gasdurchlässig kann. Die Gasdurchlässigkeit bewirkt das Einstellen gleicher Druckverhältnisse in der Schmelze und in dem Innenraum, wodurch die Gaskomponenten keinen negativen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Die Gasdurchlässigkeit bezieht sich dabei insbesondere auf Teilabschnitte des Sensors, die zwischen der Schmelze bzw. dem Gasstrom und der lonenleiterphase angeordnet ist. Hierbei sei noch ausgeführt, dass es sich bevorzugt lediglich um eine Gasdurchlässigkeit handelt, eine Durchdringung des Sensors mit flüssigen oder festen Schmelzbestandteilen folglich nicht gegeben ist. Die Messöffnung hat dabei die Aufgabe, einen innigen Kontakt des Mediums (Schmelze, Gas) mit dem Sensor zu gewähr-
leisten. Die Anordnung des Sensors nahe der Messöffhung ist dabei so auszuführen, dass bevorzugt eine Dichtung gebildet ist, so dass ein Vorbeiströmen von flüssigen oder festen Schmelzbestandteilen an dem Sensor in den Innenraum nicht möglich ist. Diese Dichtung muss dabei auch den thermischen Anforderungen bei Temperaturen bis zu 1000°C standhalten.According to a further embodiment of the sensor unit, the at least one reference electrode is arranged on a side of the at least one sensor facing away from the measurement opening, the at least one sensor preferably being gas-permeable. The gas permeability causes the pressure in the melt and the interior to be set to the same pressure, which means that the gas components have no negative influence on the measurement results. The gas permeability relates in particular to partial sections of the sensor which is arranged between the melt or the gas stream and the ion conductor phase. It should also be stated here that it is preferably only a gas permeability, and consequently there is no penetration of the sensor with liquid or solid melt components. The measuring opening has the task of ensuring intimate contact of the medium (melt, gas) with the sensor. Afford. The arrangement of the sensor near the measurement opening is to be carried out in such a way that a seal is preferably formed so that liquid or solid melt components cannot flow past the sensor into the interior. This seal must also withstand the thermal requirements at temperatures up to 1000 ° C.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Sensor zumindest eine lonenleiterphase umfasst. Die lonenleiterphase lässt sich bevorzugt durch mindestens einen der nachstehenden Parameter beschreiben:It is further proposed that the at least one sensor comprises at least one ion conductor phase. The ion conductor phase can preferably be described by at least one of the following parameters:
i) Gasdicht gemäß Helium-Standard- Leckrate kleiner 10"5mbar 1/s, ii) elektrisch nicht leitend gemäß IN 60672 Teil I-III, iii) Temperaturwechselbeständigkeit bei mehr als 8, bevorzugt bei 8-20, Temperaturwechseln gemäß DIN 51068 Teil II.i) gas-tight in accordance with the helium standard leak rate less than 10 "5 mbar 1 / s, ii) electrically non-conductive in accordance with IN 60672 part I-III, iii) temperature change resistance at more than 8, preferably 8-20, temperature changes according to DIN 51068 part II.
Die lonenleiterphase umfasst bevorzugt einen oxidischen Keramik-Typ, insbesondere vom ß oder ß"-Aluminiumoxid-Typ, wie vom NASICON- oder LISICON-Typ. Die Herstellung umfasst dabei beispielsweise folgende Stufen:The ion conductor phase preferably comprises an oxidic ceramic type, in particular of the β or β "aluminum oxide type, such as of the NASICON or LISICON type. The production comprises, for example, the following stages:
1. Mischen zu einer Ausgangskomponentenmischung von1. Mix to a starting component mixture of
1.1 ggf. eines Phasenstabilisators,1.1 if necessary a phase stabilizer,
1.2 einer im Überschuss zu der anderen Ausgangskomponente vorliegenden Matrixkomponente,1.2 a matrix component present in excess of the other starting component,
1.3 einer Leitungsionenkomponente, als Ausgangskomponenten, mit- tels1.3 a line ion component, as the starting component, by means of
1.4 eines Dispergiermittels, zu einer Dispersion.1.4 a dispersant to a dispersion.
2. Granulieren der Dispersion, wobei das Granulieren in einem Wirbelschichttrockner erfolgt,2. Granulation of the dispersion, the granulation taking place in a fluidized bed dryer,
3. Formbeben, und
4. Sintern, wobei vorzugsweise die Bildung der lonenleiterphase während des Sinterns erfolgt.3. Form quakes, and 4. Sintering, the ion conductor phase preferably being formed during the sintering.
Als Phasenstabilisatoren kommen dem Fachmann bekannte Stabilisatoren, vor- zugsweise im Dispergiermedium lösliche oder feindispers verteilte Lithium- oder Magnesiumverbindungen zum Einsatz. Zur Phasenbildung der ß oder ß"- Aluminiumoxid-Phase werden keine oder nur geringe Mengen der Phasenstabilisatoren benötigt. Phasenmischungen aus ß oder ß" -Aluminiumdioxidtypen sind ebenfalls durch Steuerung der Menge an Phasenstabilisatoren möglich. Als Mat- rixkomponente der lonenleiterphase kommt bevorzugt für den ß oder ß"- Aluminiumoxidtyp Aluminiumoxid in Betracht, wobei dieses Aluminiumoxid zur Erzielung von stöchiometrischen Defekten mit anderen Oxiden, beispielsweise Titanoxid, versetzt sein kann.Stabilizers known to the person skilled in the art, preferably lithium or magnesium compounds which are soluble or finely dispersed in the dispersing medium, are used as phase stabilizers. No or only small amounts of the phase stabilizers are required for the phase formation of the β or β "aluminum oxide phase. Phase mixtures of β or β" aluminum oxide types are also possible by controlling the amount of phase stabilizers. The matrix component of the ion conductor phase is preferably aluminum oxide for the β or β "aluminum oxide type, with this aluminum oxide being able to be mixed with other oxides, for example titanium oxide, to achieve stoichiometric defects.
Als Leitungsionenkomponente der lonenleiterphase kommen dem Fachmann bekannte Leitungsionenkomponenten, vorzugsweise im Dispergiermittel lösliche oder feindispers verteilbare Natrium-, Kalium-, Strontium-, oder Bariumverbindungen in Betracht. Deren Körnung ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Körnung der Matrixkomponente. Es ist bevorzugt, dass die Matrixkomponente teil- chenformig eingesetzt wird, wobei mindestens 25 Gew.-% und bevorzugt mindestens 50 Gew.-% der Matrixkomponente eine Teilchengröße im Bereich von 0,5μm bis 20 μm beträgt. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der Phasenstabilisator und die Leitungsionenkomponente gleichfalls zu den gleichen Anteilen diese Teilchengrößen besitzen. Besonders bevorzugt ist es, dass der Phasenstabilisator und die lonenleiterkomponente kolloidal, bevorzugt gelöst in dem Dispergiermittel vorliegen. Dies kann ggf. durch ein Lösungshilfsmittel, vorzugsweise ein Alginat, EDTA-Salz oder Stearat, erreicht werden.
Die Mengenverhältnisse der einzelnen Ausgangskomponenten in der fertigen lonenleiterphase richten sich meist in erster Näherung unabhängig von den genau eingesetzten Mengenverhältnissen der Ausgangskomponenten nach den Phasengleichgewichten, die den Phasendiagrammen für die einzelnen fertigen Ionenlei- terphasen zu entnehmen sind. Es hat sich daher bewährt, mindestens soviel einer Ausgangskomponente in einem entsprechenden Herstellungsverfahren einzusetzen, wie es der Stöchiometrie des Phasengleichgewichts der gewünschten fertigen lonenleiterphase entspricht.Suitable line ion components of the ion conductor phase are line ion components known to the person skilled in the art, preferably sodium, potassium, strontium or barium compounds which are soluble or finely dispersible in the dispersant. Their grain size is preferably less than or equal to the grain size of the matrix component. It is preferred that the matrix component is used in particulate form, at least 25% by weight and preferably at least 50% by weight of the matrix component being a particle size in the range from 0.5 μm to 20 μm. In addition, it is preferred that the phase stabilizer and the conduction ion component likewise have these particle sizes in the same proportions. It is particularly preferred for the phase stabilizer and the ion conductor component to be present colloidally, preferably in solution, in the dispersant. If necessary, this can be achieved by means of a solvent, preferably an alginate, EDTA salt or stearate. The quantitative ratios of the individual starting components in the finished ion conductor phase mostly depend in a first approximation independently of the precisely used quantitative ratios of the starting components according to the phase equilibria, which can be found in the phase diagrams for the individual finished ion conductor phases. It has therefore proven useful to use at least as much of a starting component in a corresponding manufacturing process as corresponds to the stoichiometry of the phase balance of the desired finished ion conductor phase.
Die Formgebung der lonenleiterphase erfolgt vorzugsweise über ein Verpressen der aus dem Granulieren enthaltenden Granalien in einem geeigneten Formwerkzeug. Das Verpressen kann isostatisch oder uniaxial erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Formgebung bei einem Pressdruck von unter 200 MPa (Megapascal) vorzugsweise unter 100 MPa, um einen für den nun folgenden Sintervorgang ge- eigneten Grünköφer zu erhalten. Es ist bevorzugt, dass die Granalien zusammen mit einem Formungshilfsmittel, vorzugsweise einem Plastifizierer, wie ein thermoplastisches Polymer oder ein Wachs, als solches oder in einer Wasseremulsion, durch Spritzguss- oder Heißgießverfahren in das Formwerkzeug eingebracht werden.The ion conductor phase is preferably shaped by pressing the granules contained in the granulation in a suitable molding tool. The pressing can be isostatic or uniaxial. The shaping is preferably carried out at a pressing pressure of below 200 MPa (megapascal), preferably below 100 MPa, in order to obtain a green body suitable for the sintering process that now follows. It is preferred that the granules are introduced into the mold together with a molding aid, preferably a plasticizer, such as a thermoplastic polymer or a wax, as such or in a water emulsion, by injection molding or hot molding.
In diesem Zusammenhang sei kurz ein Verfahren zur Herstellung der Ionenlei- teφhase vorteilhaft, dass bei dem Granulieren in dem Wirbelschichttrockner mindestens einer, bevorzugt alle, der folgenden Parameter eingehalten werden:In this context, a method for producing the ion conducting phase is briefly advantageous that at least one, preferably all, of the following parameters are observed during granulation in the fluidized bed dryer:
pl : Zulufttemperatur im Bereich von 50 bis 130 bevorzugt von 60 bispl: supply air temperature in the range from 50 to 130, preferably from 60 to
100 und besonders bevorzugt von70 bis 95°C p2: Sprühdruck im Bereich von 1,5 bis 3, bevorzugt von 1,7 bis 2,5 und besonders bevorzugt von 1,8 bis 2,1 bar,
p3: Sprührate im Bereich von 50 bis 400, bevorzugt von 70 bis 300 und besonders bevorzugt von 100 bis 250 g/min, p4: Luftmenge im Bereich von 100 bis 600, bevorzugt 200 bis 550 und besonders be250 bis 400 m3/h.100 and particularly preferably from 70 to 95 ° C. p2: spray pressure in the range from 1.5 to 3, preferably from 1.7 to 2.5 and particularly preferably from 1.8 to 2.1 bar, p3: spray rate in the range from 50 to 400, preferably from 70 to 300 and particularly preferably from 100 to 250 g / min, p4: air quantity in the range from 100 to 600, preferably 200 to 550 and particularly be250 to 400 m3 / h.
Abweichungen von den Parametern können sich durch Bauart und Größe des Wirbelschichttrockners sowie aus sonstigen Randparametern ergeben. Jede der folgenden Parameterkombinationen stellt eine besondere Ausführungsform des Verfahrens da: plp2, plp2p3, plp3 und p2p3.Deviations from the parameters can result from the design and size of the fluidized bed dryer as well as from other boundary parameters. Each of the following parameter combinations represents a special embodiment of the method: plp2, plp2p3, plp3 and p2p3.
Es kann jeder handelsübliche heizbare Wirbelschichttrockner eingesetzt werden, wobei ein elektrisch beheizter Wirbelschichttrockner besonders bevorzugt ist. Derartige Wirbelschichttrockner sind beispielsweise bei der Firma Glatt GmbH in Deutschland erhältlich.Any commercially available heatable fluidized bed dryer can be used, an electrically heated fluidized bed dryer being particularly preferred. Such fluidized bed dryers are available, for example, from Glatt GmbH in Germany.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei dem Granulieren im Wirbelschichttrockner ein Binder eingesetzt, der ebenfalls die Homogenität der Granalien positiv beeinflußt. Die Menge des eingesetzten Binders liegt im Bereich von 0,01 bis 25, bevorzugt von 0,1 bis 15 und besonders bevorzugt von 1 bis 6 Gew.- %, jeweils bezogen auf die Matrixkomponente. Als Binder kommen Trialkohola- mine, insbesondere Triethanolamin, und Polyalkylenglycole, insbesondere Poly- ethlenglycol, vorzugsweise mit einem Molekulargewicht im Bereich von 100 bis 500, bevorzugt von 150 bis 300 g/Mol, oder Ci- bis C5-Alkylcellulose, vorzugsweise Methylcellulose, in Betracht, wobei die Alkylcellulose besonders bevorzugt ist.In one embodiment of the method, a binder is used in the granulation in the fluidized bed dryer, which also has a positive effect on the homogeneity of the granules. The amount of binder used is in the range from 0.01 to 25, preferably from 0.1 to 15 and particularly preferably from 1 to 6% by weight, in each case based on the matrix component. The binders used are trial alcohols, in particular triethanolamine, and polyalkylene glycols, in particular polyethylene glycol, preferably with a molecular weight in the range from 100 to 500, preferably from 150 to 300 g / mol, or Ci to C 5 alkyl cellulose, preferably methyl cellulose, into consideration, the alkyl cellulose being particularly preferred.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Granalien eine Restfeuchte unter 5, bevorzugt unter 4 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf die Granalien besitzen. Mindestens 20, bevorzugt mindesten 50 und besonders
bevorzugt mindestens 75 Gew.-% der Granalien besitzen eine Teichengröße im Bereich von 1 bis 200, bevorzugt von 20 bis 150 und besonders bevorzugt von 50 bis 120 μm.It is further preferred that the granules have a residual moisture content below 5, preferably below 4 and particularly preferably in the range from 0.1 to 3% by weight, based on the granules. At least 20, preferably at least 50 and especially preferably at least 75% by weight of the granules have a pond size in the range from 1 to 200, preferably from 20 to 150 and particularly preferably from 50 to 120 μm.
Die Formgebung erfolgt vorzugsweise über ein Veφressen der aus" dem Granulieren erhaltenen Granalien in einem geeigneten Formwerkzeug. Das Veφressen kann isostatisch oder uniaxial erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Formgebung bei einem Pressdruck von unter 2, vorzugsweise unter 1 t/qcm, um einen für den nun folgenden Sintervorgang geeigneten Grünköφer zu erhalten. Es ist bevorzugt, daß die Granalien zusammen mit einem Formungshilfsmittel, vorzugsweise einem Plastifizierer, wie ein thermoplastisches Polymer oder ein Wachs, als solches oder in einer Wasseremulsion, durch Spritzguß- oder Heißgießverfahren in das Formwerkzeug eingebracht werden.The shaping is preferably carried out via a Veφressen of the granules obtained from "granulation in a suitable mold. The Veφressen can be carried isostatic or uniaxial. Preferably, the shaping at a pressure of less than 2, preferably less than 1 t / sq cm, to one for the now It is preferred that the granules are introduced into the mold together with a molding aid, preferably a plasticizer, such as a thermoplastic polymer or a wax, as such or in a water emulsion, by injection molding or hot molding.
Als Plastifizierer kommen gleichfalls Trialkoholamine, insbesondere Triethano- lamin, und Polyalkylenglycole, insbesondere Polyethlenglycol, vorzugsweise mit einem Molekulargewicht im Bereich von 200 bis 20000, bevorzugt von 1000 bis 10000 g/Mol in Betracht. Die Formungshilfsmittel werden jeweils in einer Menge im Bereich von 0,1 bis 30, bevorzugt von 0,5 bis 20 und besonders bevorzugt von 1 bis 10 Gew.-% Trockenmasse, bezogen auf die Granalien, eingesetzt.Also suitable as plasticizers are trial alcohol amines, in particular triethanolamin, and polyalkylene glycols, in particular polyethylene glycol, preferably with a molecular weight in the range from 200 to 20,000, preferably from 1,000 to 10,000 g / mol. The molding aids are each used in an amount in the range from 0.1 to 30, preferably from 0.5 to 20 and particularly preferably from 1 to 10% by weight of dry matter, based on the granules.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Sensoreinheit ist wenigstens eine Referenzelektrode mittels wenigstens eines Federelementes zumindest in Richtung einer Achse der Sensoreinheit beweglich angeordnet, wobei für die Referenzelekt- rode bevorzugt ein Hub von 0,05 mm bis 10 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 1 mm, realisiert ist. Dabei ist bevorzugt, dass das mindestens eine Federelement eine Kraft auf eine Seite der Referenzelektrode ausübt, so dass diese eine frei zugängliche Kontaktfläche, insbesondere auf der gegenüberliegenden Seite, zur Verfügung stellt, die nach dem Zusammenbau der Sensoreinheit mit der Ionenlei-
teφhase in Kontakt kommt. Insofern ist es besonders vorteilhaft, dass die Federkraft eine solche Position der Referenzelektrode bewirkt, dass diese beim Zusammenbau infolge des Kontaktes mit der Ionenleiteφhase entgegen der Kraft des mindestens einen Federelementes verschoben wird. Somit wird eine Art Vorspan- nung realisiert, die einen innigen und dauerhaften Kontakt der Referenzelektrode mit der Ionenleiteφhase sicherstellt. Der angegebene Hub richtet sich einerseits nach der Lagerung der Referenzelektrode in einer Art Aufnahme, wobei der Hub bevorzugt größtenteils innerhalb dieser Aufnahme bzw. innerhalb eines diese Aufnahme umfassenden Fußteils verwirklicht wird. Auch ist es ausführbar, dass hier spezielle Arretierungen vorgesehen sind, die den maximalen Hub beispielsweise nur zur Instandsetzung bzw. Wartung der Referenzelektrode ermöglichen. Insbesondere ist sicherzustellen, dass die Kontaktfläche der Referenzelektrode mit einem die Referenzelektrode umgebenden Bauteil (z.B. einem Fußteil) in einer Ebene liegt bzw. sogar leicht in Richtung der Ionenleiteφhase hervorsteht.According to a further embodiment of the sensor unit, at least one reference electrode is arranged to be movable by at least one spring element at least in the direction of an axis of the sensor unit, a stroke of 0.05 mm to 10 mm, in particular of 0.1 mm to 1, being preferred for the reference electrode mm, is realized. It is preferred that the at least one spring element exerts a force on one side of the reference electrode, so that the latter provides a freely accessible contact surface, in particular on the opposite side, which after assembly of the sensor unit with the ion conductor teφhase comes into contact. In this respect, it is particularly advantageous that the spring force effects such a position of the reference electrode that it is displaced during assembly due to the contact with the ion conductor phase against the force of the at least one spring element. This creates a kind of pre-tension that ensures intimate and permanent contact of the reference electrode with the ion conductor phase. The specified stroke is based on the one hand on the storage of the reference electrode in a type of receptacle, the stroke preferably being realized largely within this receptacle or within a foot part comprising this receptacle. It is also feasible that special detents are provided here that allow the maximum stroke, for example, only for the repair or maintenance of the reference electrode. In particular, it must be ensured that the contact surface of the reference electrode with a component surrounding the reference electrode (for example a foot part) lies in one plane or even protrudes slightly in the direction of the ion conductor phase.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass das wenigstens eine Federelement ein Teil der Kontaktierung eines Sensorleiters mit der mindestens einen Referenzelektrode ist. Diese Kontaktierung erfolgt beispielsweise über Klemmmittel, welche auch bei hohen Temperaturen ihre Funktionalität aufrechterhalten. Dabei ist ein elektri- scher Kontakt zwischen der Referenelektrode und dem Sensorleiter auch dann sichergestellt, wenn eine Relativbewegung zwischen einem in einem Fußteil angeordneten Sensorleiter und der mindestens einen Referenzelektrode stattfindet. Diese Relativbewegung wird bewirkt bzw. ausgeglichen durch ein Federelement, welches nahe dem Übergang von dem Sensorleiter hin zur Referenzelektrode an- geordnet ist. Hierfür können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, wobei bevorzugt ein im wesentlichen gleichmäßiges federelastisches Verhalten über einen breiten Temperaturbereich sichergestellt ist. Das Federelement ist vorzugsweise im Kopf der Lanze, insbesondere oberhalb der Schmelze, angebracht, um
dessen thermische Belastungen gering zu halten. Die Übertragung der Federkraft erfolgt dabei über den Kontakt.It is particularly advantageous that the at least one spring element is part of the contacting of a sensor conductor with the at least one reference electrode. This contacting takes place, for example, via clamping means, which maintain their functionality even at high temperatures. In this case, electrical contact between the reference electrode and the sensor conductor is ensured even if there is a relative movement between a sensor conductor arranged in a base part and the at least one reference electrode. This relative movement is brought about or compensated for by a spring element which is arranged near the transition from the sensor conductor to the reference electrode. Different materials can be used for this, preferably an essentially uniform elastic behavior over a wide temperature range is ensured. The spring element is preferably mounted in the head of the lance, in particular above the melt to keep its thermal loads low. The spring force is transmitted via the contact.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat das Gehäuse einen Verbindungsab- schnitt, der so mit dem Verbindungsbereich der Sensorhalterung in Kontakt steht, dass eine Anschlagfläche gebildet wird, die einen Winkel zur Richtung der Achse der Sensoreinheit aufweist, der bevorzugt zwischen 30° und 70° beträgt. Insofern wird hier gewährleistet, dass in dem Verbindungsbereich eine ausreichend große Anschlagfläche bereitgestellt wird, die verhindert, dass das Messergebnis beein- trächtigende Komponenten der Schmelze in den Innenraum der Sensoreinheit eindringen. In diesem Verbindungsbereich bzw. auf der Anschlagfläche sind ggf. zusätzliche Materialien bzw. strukturelle Ausgestaltungen aufgebracht, die eine Anlagerung bzw. ein Eindringen in diesem Bereich verhindern, so dass eine leichgängige Entkopplung der Sensorhalterung von dem Gehäuse im Bedarfsfall auch nach mehrmaliger Benutzung gewährleistet ist. Die Verbindung zwischen Gehäuse und Sensorhalterung ist hier lösbar ausgeführt, wobei ggf. auch eine nicht-lösbare Verbindung oder gar eine einteilige Ausführung möglich ist.According to a further embodiment, the housing has a connecting section which is in contact with the connecting region of the sensor holder in such a way that a stop surface is formed which has an angle to the direction of the axis of the sensor unit, which is preferably between 30 ° and 70 °. In this respect, it is ensured here that a sufficiently large stop surface is provided in the connection area, which prevents components of the melt which impair the measurement result from penetrating into the interior of the sensor unit. In this connection area or on the stop surface, additional materials or structural configurations are applied, if necessary, which prevent accumulation or penetration into this area, so that a smooth decoupling of the sensor holder from the housing is guaranteed even after repeated use if necessary. The connection between the housing and the sensor holder is designed to be detachable, with a non-detachable connection or even a one-piece design possibly also being possible.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Sensoreinheit ist der mindestens eine Sensor in wenigstens einer Tragstruktur angeordnet, wobei der mindestens eine Sensor auf der der Messöffhung abgewandten Seite der Tragstruktur bevorzugt hinausragt, insbesondere mit einem Überstand von 0,1 mm bis 3 mm. Die Tragstruktur hat dabei die Funktion, eine exakte Positionierung der Ionenleiteφhase gegenüber der Referenzelektrode sicherzustellen. Die Tragstruktur ist dabei ggf. gasdurchlässig ausgeführt, wobei unter Umständen auch eine Art Durchbruch vorgesehen sein kann, die einen direkten Kontakt des zu untersuchenden Mediums mit der Ionenleiteφhase zulässt. Weiterhin hat die Tragstruktur beispielsweise die Funktion, die Ionenleiteφhase gegenüber der Sensorhalterung bzw. dem Gehäuse elektrisch zu isolieren. Hierzu besteht dieses beispielsweise
aus einem elektrisch nicht leitenden Material (z.B. Bornitrid). Additiv bzw. alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass nur Teilbereiche, insbesondere die Kontaktfläche hin zum Gehäuse bzw. hin zur Sensorhalterung, elektrisch isoliert ausgeführt sind. Diese Isolation kann demnach einerseits an bzw. in der Trag- Struktur, andererseits aber auch an der Sensorhalterung vorgesehen sein. Der Ü- berstand gewährleistet eine dauerhafte Kontaktierung der Referenzelektrode mit der Ionenleiteφhase, auch wenn diese mit einer planen bzw. ebenen Kontaktfläche ausgeführt sind. Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass sowohl die Referenzelektrode bezüglich des Fußteils sowie auch die Ionenleiteφhase bezüglich der Tragstruktur hervorstehen, so dass der Kontakt zwischen der Referenzelektrode und der Ionenleiteφhase nicht durch die umgebenden Bauteile beeinträchtigt wird.According to yet another embodiment of the sensor unit, the at least one sensor is arranged in at least one support structure, the at least one sensor preferably protruding on the side of the support structure facing away from the measurement opening, in particular with a protrusion of 0.1 mm to 3 mm. The support structure has the function of ensuring an exact positioning of the ion conductor phase with respect to the reference electrode. The support structure may be gas-permeable, and under certain circumstances a type of breakthrough can also be provided which allows direct contact of the medium to be examined with the ion conductor phase. Furthermore, the support structure has the function, for example, of electrically isolating the ion conductor phase from the sensor holder or the housing. This is the case, for example made of an electrically non-conductive material (e.g. boron nitride). Additively or alternatively, however, it is also possible for only partial areas, in particular the contact area towards the housing or towards the sensor holder, to be electrically insulated. This insulation can accordingly be provided on the one hand on or in the supporting structure, but on the other hand also on the sensor holder. The protrusion ensures permanent contacting of the reference electrode with the ion conductor phase, even if they are designed with a flat or flat contact surface. It is particularly advantageous that both the reference electrode with respect to the foot part and the ion lead phase protrude with respect to the support structure, so that the contact between the reference electrode and the ion lead phase is not impaired by the surrounding components.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Messeinheit vorgeschla- gen, welche wenigstens eine Lanze umfasst, die mit zumindest einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit verbunden ist. Werden beispielsweise die Konzentrationen verschiedener Bestandteile der Schmelze bestimmt, lässt sich eine entsprechend gestaltete Lanze auch mit mehreren, insbesondere 2, 3 oder 4 Sensoreinheiten bestücken. Die Verbindung ist bevorzugt lösbar ausgeführt, so dass eine schnelle und einfache Entfernung der Sensoreinheit von der Lanze gewährleistet ist. Die Lanze ist dabei vorzugsweise hohl ausgeführt, wobei die entsprechenden Leiter im Inneren der Lanze geschützt hindurchgeführt werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass eine lösbare Verbindung zwischen Lanze und Fußteil und/oder zwischen Lanze und Gehäuse vorgesehen ist.According to a further aspect of the invention, a measuring unit is proposed which comprises at least one lance which is connected to at least one sensor unit according to the invention. If, for example, the concentrations of different constituents of the melt are determined, an appropriately designed lance can also be equipped with several, in particular 2, 3 or 4, sensor units. The connection is preferably made releasable, so that a quick and easy removal of the sensor unit from the lance is ensured. The lance is preferably hollow, the corresponding conductors being guided through in a protected manner inside the lance. It is particularly advantageous that a releasable connection between the lance and foot part and / or between the lance and housing is provided.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines veredelten Metalls durch eine Schmelze vorgeschlagen, wobei folgende Stufen beinhaltet sind:
Bestimmung eines Anteils mindestens eines neben einem Hauptmetall in der Schmelze vorliegenden Minderbestandteils mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit oder mit einer erfindungsgemäßen Messeinheit zur Bestimmung einer Ist-Konzentration des Minderbestand- teils,According to yet another aspect of the invention, a method for producing a refined metal by a melt is proposed, the following steps being included: Determining a proportion of at least one minor component present in the melt alongside a main metal with a sensor unit according to the invention or with a measuring unit according to the invention for determining an actual concentration of the minor component,
Anpassen des Anteils des Minderbestandteils an eine Soll- Konzentration durch Erhöhen oder Erniedrigen des Anteils des Minderbestandteils,Adjusting the proportion of the minor component to a target concentration by increasing or decreasing the proportion of the minor component,
Gießen der Schmelze, wenn Ist- und Soll-Konzentration übereinstim- men.Pour the melt if the actual and target concentration match.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoreinheit zur Bestimmung der Konzentration von Minderbestandteilen einer Schmelze vorgeschlagen, welches zumindest folgende Schritte um- fasst:According to yet another aspect of the invention, a method for operating a sensor unit for determining the concentration of minor constituents of a melt is proposed, which comprises at least the following steps:
Wenigstens einmaliges, vorzugsweise mehrmaliges, Betimmen eines Anteils mindestens eines neben einem Hauptmetall in der Schmelze vorliegenden Minderbestandteils; - Erfassen mindestens eines Parameters zur Bestimmung des Funktionszustandes der Sensoreinheit;At least once, preferably several times, determining a proportion of at least one minor component present next to a main metal in the melt; - Detection of at least one parameter for determining the functional state of the sensor unit;
Vergleichen des mindestens einen Parameters mit einem vorgebbaren Grenzwert; Bewerten des Vergleiches bezüglich einer erforderlichen Instandset- zung der Sensoreinheit, wobei im Rahmen einer solchen Instandsetzung wenigstens ein Sensor mit mindestens einer Ionenleiteφhase von mindestens einer Referenzelektrode separat ausgetauscht wird.
Diese Instandsetzung erfolgt dabei bevorzugt erst nach einer mindestens dreimaligen, bevorzugt einer mindestens sechsmaligen, und insbesondere bevorzugt einer zwanzigmaligen Bestimmung der Konzentration von Minderbestandteilen einer Schmelze. Alternativ und/oder kumulativ kann eine solche Instandsetzung auch in Abhängigkeit der Eintauchzeit in die Schmelze durchgeführt werden. Die Erfassung des mindestens einen Parameters erfolgt dabei durch einem Fachmann geläufige Aufnehmer, wobei die hierfür besonders bevorzugten Parameter nachstehend genannt sind.Comparing the at least one parameter with a predefinable limit value; Evaluation of the comparison with regard to a necessary repair of the sensor unit, with at least one sensor with at least one ion conducting phase being replaced separately by at least one reference electrode in the course of such a repair. This repair is preferably carried out only after at least three times, preferably at least six times, and particularly preferably twenty times, the concentration of minor components of a melt. Alternatively and / or cumulatively, such a repair can also be carried out depending on the immersion time in the melt. The detection of the at least one parameter is carried out by a sensor familiar to a person skilled in the art, the parameters which are particularly preferred for this are mentioned below.
Weist die Sensoreinheit eine mit einem Gehäuse verbindbare Sensorhalterung auf, die einen Innenraum, eine Messöffhung und einen Verbindungsbereich hat, wobei in dem Innenraum und gegenüber der Sensorhalterung elektrisch isoliert mindestens ein Sensor und mindestens eine Referenzelektrode angeordnet sind, ist es besonders vorteilhaft, dass beim Lösen der Verbindung der Sensorhalterung mit dem Gehäuse der mindestens eine, separate Sensor gleichzeitig von der mindestens einen Referenzelektrode entfernt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass gleichzeitig eine Relativbewegung der Ionenleiteφhase gegenüber der Referenzelektrode realisiert wird, sei es infolge der Schwerkraft oder einer konstruktionsbedingten Antriebskraft, wie sie beispielsweise durch ein Federelement oder ein entsprechendes Gewinde generiert wird. Dies vereinfacht die Instandsetzung deutlich und hat somit auch signifikante Kostenvorteile zur Folge.If the sensor unit has a sensor holder which can be connected to a housing and which has an interior, a measurement opening and a connection area, with at least one sensor and at least one reference electrode being arranged in an electrically insulated manner in the interior and with respect to the sensor holder, it is particularly advantageous that when detaching the connection of the sensor holder to the housing, the at least one separate sensor is simultaneously removed from the at least one reference electrode. This means in particular that at the same time a relative movement of the ion conductor phase with respect to the reference electrode is realized, be it as a result of gravity or a design-related driving force, such as is generated, for example, by a spring element or a corresponding thread. This significantly simplifies the repair and therefore also results in significant cost advantages.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Parameter die Temperatur ist. Bei der Erfassung der Temperatur, beispielsweise im Innenraum der Sensor- einheit, lässt sich feststellen, wie häufig die Sensoreinheit bereits eingesetzt wurde, da auf diese Weise Temperaturspitzen gezählt werden können. Weiterhin lässt sich mittels der Temperatur erkennen, ob es ggf. zu einer thermischen Überbeanspruchung bestimmter Komponenten der Sensoreinheit oder einer Überhitzung bzw. Abkühlung der Schmelze gekommen ist. Hierbei wird die erfasste Tempera-
tur beispielsweise mit einer Grenztemperatur verglichen, wobei beim Überschreiten einer solchen Grenztemperatur ein Alarm bzw. eine entsprechende Instandsetzung ausgelöst wird. Dieses Auslösen des Alarms bzw. der Instandsetzungsmaßnahmen kann visuell, manuell oder automatisch veranlasst werden.It is also proposed that the at least one parameter is the temperature. When the temperature is recorded, for example in the interior of the sensor unit, it can be determined how often the sensor unit has already been used, since temperature peaks can be counted in this way. Furthermore, the temperature can be used to determine whether thermal overloading of certain components of the sensor unit or overheating or cooling of the melt has possibly occurred. The recorded temperature For example, compared with a limit temperature, an alarm or a corresponding repair being triggered when such a limit temperature is exceeded. This triggering of the alarm or the repair measures can be initiated visually, manually or automatically.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Parameter die Zeit ist. Hierbei ist es beispielsweise vorteilhaft, sowohl die Temperatur als auch die Zeit zu erfassen. Tritt wie oben bereits erläutert eine relativ hohe Temperatur auf, so ist es unter Umständen nur dann relevant, wenn diese Temperatur über einen vorgebba- ren Zeitraum auftritt. Werden somit beide Grenzwerte gleichzeitig überschritten, kann ein Alarm ausgelöst bzw. eine entsprechende Wartung veranlasst werden.It is further proposed that the at least one parameter is time. For example, it is advantageous to record both the temperature and the time. If, as already explained above, a relatively high temperature occurs, it may only be relevant if this temperature occurs over a predefinable period. If both limit values are exceeded at the same time, an alarm can be triggered or appropriate maintenance can be initiated.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Parameter die bestimmte Konzentration des Minderbestandteils selbst ist. Insofern wird vorgeschlagen, dass eine Art Plausibilitäts-Kontrolle der erfassten Messdaten durchgeführt wird, wobei beispielsweise ein Toleranzfeld betreffend der zu bestimmenden Konzentration vorgegeben wird. Wird dieses Toleranzfeld deutlich überschritten oder tritt eine besonders hohe Variation der gemessenen Konzentration auf, kann dies ebenfalls als Indiz dafür verwendet werden, dass Alarm auszulösen und ggf. ein Wech- sei des Sensors erforderlich ist.It is further proposed that the at least one parameter is the specific concentration of the minor component itself. In this respect, it is proposed that a kind of plausibility check of the acquired measurement data be carried out, for example a tolerance field relating to the concentration to be determined being specified. If this tolerance field is significantly exceeded or if there is a particularly high variation in the measured concentration, this can also be used as an indication that an alarm is triggered and that the sensor may need to be changed.
Besonders vorteilhaft ist es, dass mehrere Parameter zu einem Kennwert zusam- mengefasst und mit einem Grenzwert verglichen werden. Dies bedeutet, dass eine Vielzahl verschiedener Parameter bewertet bzw. gewichtet werden und zu einem Kennwert zusammengeführt eine signifikante Aussagekraft bezüglich der Funktionalität der Sensoreinheit gestattet. Hierzu bieten sich neben den obengenannten Parametern auch weitere Parameter aus dem Produktionsprozess an.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei die dargestellten Ausführungsformen besonders bevorzugt sind. Dabei sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele begrenzt ist.It is particularly advantageous that several parameters are combined to form a characteristic value and compared with a limit value. This means that a large number of different parameters are evaluated or weighted and, when combined to form a characteristic value, allows significant significance with regard to the functionality of the sensor unit. In addition to the parameters mentioned above, other parameters from the production process are also available. The invention is explained in more detail below with reference to the drawings, the embodiments shown being particularly preferred. However, it should be noted that the invention is not limited to the examples shown.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Messeinheit,1 is a sectional view of an embodiment of a measuring unit,
Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung einer Messeinheit im Schnitt,2 shows a further embodiment of a measuring unit in section,
Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der Messeinheit im auseinandergebauten Zustand,3 shows a further embodiment of the measuring unit in the disassembled state,
Fig. 4 ein Detail einer Ausgestaltung einer Sensoreinheit,4 shows a detail of an embodiment of a sensor unit,
Fig. 5 ein Flussdiagramm für den Ablauf des Messverfahrens mit einem erfindungsgemäßen Sensor und der Sensorüberwachung hinsichtlich seiner Einsatzdauer und Temperaturwechsel,5 shows a flowchart for the sequence of the measuring method with a sensor according to the invention and the sensor monitoring with regard to its duration of use and temperature changes,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Sensoreinheit, und6 shows a further embodiment of the sensor unit, and
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinheit.Fig. 7 shows an embodiment of an evaluation unit.
Fig. 1 zeigt schematisch und in einem Schnitt eine modular aufgebaute Messeinheit 23, wobei eine Sensoreinheit 1 zum Eintauchen in eine Metallschmelze 2 an einer Lanze 24 befestigt ist. Die Schmelze 2 umfasst dabei ein Hauptmetall 25 sowie mindestens einen Minderbestandteil 26, dessen Konzentration mittels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 1 bestimmt wird. Die Sensoreinheit 1 bzw. die
Messeinheit 23 wird dabei bis zu dem angedeuteten Schmelzspiegel 34 eingetaucht, wobei sichergestellt ist, dass ein Gehäuse 3 der Sensoreinheit 1 mit der Schmelze 2 in Kontakt steht. Zur Bestimmung der Konzentration wird ein elektrisches Potential zwischen dem Gehäuse 3 und mindestens einem Sensor 8 be- stimmt, wobei der Sensor 8 gegenüber dem Gehäuse 3 bzw. der Sensorhalterung 4 elektrisch isoliert angeordnet ist.1 shows schematically and in section a modular measuring unit 23, a sensor unit 1 for immersion in a molten metal 2 being attached to a lance 24. The melt 2 comprises a main metal 25 and at least one minor component 26, the concentration of which is determined by means of the sensor unit 1 according to the invention. The sensor unit 1 or the The measuring unit 23 is immersed up to the indicated melting level 34, it being ensured that a housing 3 of the sensor unit 1 is in contact with the melt 2. To determine the concentration, an electrical potential is determined between the housing 3 and at least one sensor 8, the sensor 8 being arranged in an electrically insulated manner from the housing 3 or the sensor holder 4.
Die dargestellte Sensoreinheit 1 weist eine Achse 12 auf, wobei die Anordnung der Komponenten der Sensoreinheit 1 bevorzugt symmetrisch zu dieser Achse 12 ausgeführt ist. Die Sensoreinheit 1 umfasst eine mit dem Gehäuse 3 verbundene Sensorhalterung 4, die einen Innenraum 5, eine Messöffhung 6 und einen Verbindungsbereich 7 hat. Der Verbindungsbereich 7 ist hier als ein Gewindeabschnitt dargestellt, wobei das Gehäuse 3 und die Sensorhalterung 4 zusammen gegenüber der Achse 12 eine schräge Anschlagfläche 19 bilden. Dieser Verbindungsbereich 7 ist im wesentlichen dicht ausgeführt, so dass zumindest keine flüssigen oder festen Bestandteile der Schmelze 2 in den Innenraum 5 eindringen können. Zur Aufnahme des Sensors 8 in der Sensorhalterung 4 weist diese einen Kragen 30 auf, welcher einerseits die Messöffhung 6 begrenzt, andererseits aber eine Anlagefläche zur Aufnahme des Sensors 8 zur Verfügung stellt.The sensor unit 1 shown has an axis 12, the arrangement of the components of the sensor unit 1 preferably being symmetrical about this axis 12. The sensor unit 1 comprises a sensor holder 4 connected to the housing 3, which has an interior 5, a measurement opening 6 and a connection area 7. The connection area 7 is shown here as a threaded section, the housing 3 and the sensor holder 4 together forming an oblique stop surface 19 with respect to the axis 12. This connection area 7 is essentially sealed so that at least no liquid or solid components of the melt 2 can penetrate into the interior 5. To receive the sensor 8 in the sensor holder 4, the latter has a collar 30 which on the one hand delimits the measuring opening 6, but on the other hand provides a contact surface for receiving the sensor 8.
Der Sensor 8 umfasst zwei bzw. vier Ionenleiteφhasen 10, die in einer Tragstruktur 21 angeordnet sind, wobei die Ionenleiteφhasen 10 aus dem gleichen oder ggf. auch jeweils aus einem unterschiedlichen Material sein können. Die Tragstruktur 21 besteht hier aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, so dass die Io- nenleiteφhasen 10 gegenüber der Sensorhalterung 4 isoliert angeordnet sind. Weiter sind die Ionenleiteφhasen 10 in der Tragstruktur 21 so positioniert, dass diese eine Überstand 22 aufweisen, der einen sicheren Kontakt mit den entsprechenden Referenzelektroden 9 sicherstellt. Auf der den Referenzelektroden 9 gegenüberliegenden Seite wird den Ionenleiteφhasen 10 aufgrund der Durchbrü-
ehe 31 ein direkter Kontakt mit der Schmelze 2 ermöglicht. Um zu verhindern, dass eine Schmelzbadbewegung bzw. ein relativ hoher Druck auf die Ionenleiteφhasen 10 ausgeübt wird, ist die Sensoreinheit 1 mit einer Blende 28 ausgerüstet, welche eine Art Beruhigungsvolumen bereitstellt. Die Blende 28 ist über ihren Umfang mit einer Vielzahl von Auslässen 29 versehen, die verteilt angeordnet sind, um einem in dem Beruhigungsvolumen befindlichen Gas das Ausströmen zu ermöglichen, so dass auch auf diese Weise der Kontakt mit dem Messmedium hergestellt/sichergestellt wird.The sensor 8 comprises two or four ion lead phases 10, which are arranged in a support structure 21, wherein the ion lead phases 10 can be made of the same or, if appropriate, also of a different material. The support structure 21 here consists of an electrically non-conductive material, so that the ion conductor phases 10 are arranged insulated from the sensor holder 4. Furthermore, the ion conductor phases 10 are positioned in the support structure 21 in such a way that they have a protrusion 22 which ensures reliable contact with the corresponding reference electrodes 9. On the side opposite the reference electrodes 9, the ion conductor phases 10 are before 31 allows direct contact with the melt 2. In order to prevent a melt bath movement or a relatively high pressure from being exerted on the ion conductor phases 10, the sensor unit 1 is equipped with an orifice 28 which provides a kind of calming volume. The diaphragm 28 is provided over its circumference with a plurality of outlets 29 which are arranged in a distributed manner in order to allow a gas in the calming volume to flow out, so that contact with the measurement medium is also established / ensured in this way.
Weiterhin weist die Sensoreinheit 1 ein Fußteil 15 auf, das zwei bzw. vier Referenzelektroden 9 fixiert. Die auf der Stirnseite des Fußteils 15 angeordneten Referenzelektroden 9 sind jeweils über Federelemente 11 mit dem entsprechenden Sensorleiter 27 verbunden. Die Federelemente 11 sind dabei bevorzugt Teile der Kontaktierung des Sensorleiters 27 mit den Referenzelektroden 9, so dass eine Relativbewegung der Referenzelektroden 9 gegenüber dem Fußteil in Richtung der Achse 12 gewährleistet ist.Furthermore, the sensor unit 1 has a base part 15, which fixes two or four reference electrodes 9. The reference electrodes 9 arranged on the end face of the foot part 15 are each connected to the corresponding sensor conductor 27 via spring elements 11. The spring elements 11 are preferably parts of the contact between the sensor conductor 27 and the reference electrodes 9, so that a relative movement of the reference electrodes 9 with respect to the foot part in the direction of the axis 12 is ensured.
Das Gehäuse 3 ist zudem mit mindestens einem (Schleif-) Kontakt 33 versehen, der wiederum über einen Gehäuseleiter 32 mit einer Auswerteeinheit 35 verbun- den ist. Eine solche Auswerteeinheit umfasst beispielsweise ein Potentiometer, welches die Spannung zwischen dem mit der Schmelze 2 in Kontakt stehenden Gehäuse 3 und der Referenzelektrode 9 bestimmt. Die Auswerteeinheit 35 kann dabei zusätzliche Komponenten beispielsweise zur Datenerfassung, Datenaufzeichnung bzw. einem Datenvergleich umfassen. Auch akustische, visuelle oder sonstige Anzeigen können hiermit beinhaltet sein.The housing 3 is also provided with at least one (sliding) contact 33, which in turn is connected to an evaluation unit 35 via a housing conductor 32. Such an evaluation unit comprises, for example, a potentiometer which determines the voltage between the housing 3 in contact with the melt 2 and the reference electrode 9. The evaluation unit 35 can include additional components, for example for data acquisition, data recording or a data comparison. Acoustic, visual or other displays can also be included.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Messeinheit 23. Dabei ist die Auswerteeinheit 35 wieder über Gehäuseleiter 32 mit den Kontakten 33 verbunden, die über das Gehäuse 3 mit der Schmelze 2 bei der Bestimmung der Kon-
zentration in Verbindung stehen. Das Gehäuse 3 ist über eine Anschlagfläche 19, die in einem Winkel 20 zur Achse 12 der Sensoreinheit 1 angeordnet ist, mit der Sensorhalterung 4 verbunden. Die Sensorhalterung 4 dient wiederum zur Aufnahme eines Sensors 8, der aufgrund einer Isolation 36, welche den Sensor 8 am Umfang umgibt, elektrisch isoliert angeordnet ist. Die Sensorhalterung 4 bildet dabei in Verbindung mit dem Sensor 8 und der Lanze 24 einen abgeschlossenen Innenraum 5, in dem auch das Fußteil 15 mit der Referenzelektrode 9 angeordnet ist. Dabei ist die Referenzelektrode 9 über einen Sensorleiter 27 wiederum mit der Auswerteeinheit 35 verbunden.FIG. 2 shows a further embodiment of a measuring unit 23. The evaluation unit 35 is again connected via the housing conductor 32 to the contacts 33, which via the housing 3 are connected to the melt 2 when determining the contact. center related. The housing 3 is connected to the sensor holder 4 via a stop surface 19, which is arranged at an angle 20 to the axis 12 of the sensor unit 1. The sensor holder 4 in turn serves to receive a sensor 8 which is arranged in an electrically insulated manner due to an insulation 36 which surrounds the sensor 8 on the circumference. In connection with the sensor 8 and the lance 24, the sensor holder 4 forms a closed interior 5 in which the foot part 15 with the reference electrode 9 is also arranged. The reference electrode 9 is in turn connected to the evaluation unit 35 via a sensor conductor 27.
Die Referenzelektrode 9 ist hier in dem Fußteil 15 so gelagert, dass diese einen Hub 13 ausführen kann. Dieser Hub 13 erlaubt das Anpressen des Sensors 8, wobei ein inniger elektrischer Kontakt der Referenzelektrode 9 mit der Ionenleiteφhase 10 durch das Federelement 11 sichergestellt ist, welches bei der darge- stellten Ausführungsform im Lanzenkopf bzw. im Bereich außerhalb der Schmelze 2 angeordnet ist.The reference electrode 9 is supported here in the foot part 15 so that it can execute a stroke 13. This stroke 13 allows the sensor 8 to be pressed against it, an intimate electrical contact of the reference electrode 9 with the ion conductor phase 10 being ensured by the spring element 11, which in the embodiment shown is arranged in the lance head or in the region outside the melt 2.
In der dargestellten Ausführungsform dient der Sensor 8 beispielsweise zur Bestimmung einer gasförmigen Komponente der Schmelze 2, insbesondere der Was- serstoffkonzentration. Da die Wasserstoffkonzentration nicht direkt bestimmbar ist, ist hier der Sensor 8 mit einer Hilfselektrode 38 ausgeführt, die infolge einer bestimmten Wasserstoffkonzentration Ionen produziert, die eine entsprechende Aktivität bzw. Funktionalität der Ionenleiteφhase 10 zur Folge hat. Insofern dient die Hilfselektrode 38 als Vermittler bzw. Wandler. Zur Bildung eines Zwischen- raumes 37, in dem sich gasförmige Bestandteile der Schmelze 2 befinden, weist die Sensoreinheit 1 eine Membran 39 auf, welche die Messöffhung 6 für feste und flüssige Bestandteile der Schmelze 2 verschließt. Ein hierfür erforderliches gas- permeables Medium ist dem Fachmann bekannt und in Abhängigkeit des zu bestimmenden Minderbestandteils auszuwählen.
Fig. 3 zeigt schematisch und im Schnitt eine auseinandergebaute Ausführungsform der Sensoreinheit 1. Die Lanze 24 ist dabei zumindest teilweise von dem Gehäuse 3 umgeben, welches einen Verbindungsabschnitt 18 (hier als Gewinde dargestellt) aufweist, der zur lösbaren Verbindung mit der Sensorhalterung 4 dient. Im Inneren der Lanze 24 ist das Fußteil 15 angeordnet, welcher die Kontakte 33, die Referenzelektrode 9 sowie die dazugehörigen Gehäuseleiter 32 bzw. den Sensorleiter 27 aufnimmt (sehr vereinfachte Darstellung der Aufnahme der Referenzelektrode). Zusätzlich ist das Fußteil 15 mit einem Aufnehmer 40 (beispiels- weise zur Erfassung der Temperatur) sowie einer entsprechenden Leitung 41 zur Weiterleitung des Messsignals versehen.In the embodiment shown, the sensor 8 is used, for example, to determine a gaseous component of the melt 2, in particular the hydrogen concentration. Since the hydrogen concentration cannot be determined directly, here the sensor 8 is designed with an auxiliary electrode 38 which produces ions as a result of a specific hydrogen concentration, which results in a corresponding activity or functionality of the ion conductor phase 10. In this respect, the auxiliary electrode 38 serves as an intermediary or converter. To form an intermediate space 37 in which there are gaseous components of the melt 2, the sensor unit 1 has a membrane 39 which closes the measuring opening 6 for solid and liquid components of the melt 2. A gas-permeable medium required for this is known to the person skilled in the art and must be selected depending on the minor constituent to be determined. 3 shows schematically and in section a disassembled embodiment of the sensor unit 1. The lance 24 is at least partially surrounded by the housing 3, which has a connecting section 18 (shown here as a thread), which is used for detachable connection to the sensor holder 4. In the interior of the lance 24, the base part 15 is arranged, which receives the contacts 33, the reference electrode 9 and the associated housing conductor 32 or the sensor conductor 27 (very simplified representation of the reception of the reference electrode). In addition, the foot part 15 is provided with a sensor 40 (for example for recording the temperature) and a corresponding line 41 for forwarding the measurement signal.
Durch einfaches Lösen der Sensorhalterung 4 von dem Gehäuse 3 wird gleichzeitig eine Trennung der Referenzelektrode 9 von dem eine Ionenleiteφhase 10 auf- weisenden Sensor 8 bewirkt. Dieser bleibt beispielsweise infolge einer Einfassung oder einer Arretierung auf dem die Messöffnung 6 begrenzenden Kragen liegen, wobei bevorzugt eine Klemmkraft auch durch den Isolator 36, welcher sich auf der Innenwandung der Sensorhalterung 4 befindet, das gleichzeitige Mitführen des Sensors 8 beim Lösen der Sensorhalterung 4 unterstützt.By simply detaching the sensor holder 4 from the housing 3, a separation of the reference electrode 9 from the sensor 8 having an ion conductor phase 10 is effected at the same time. This remains, for example as a result of an enclosure or a lock on the collar delimiting the measuring opening 6, a clamping force preferably also supported by the insulator 36, which is located on the inner wall of the sensor holder 4, to simultaneously carry the sensor 8 when the sensor holder 4 is released ,
Fig. 4 zeigt schematisch und im Schnitt eine Teilansicht einer Kontaktierung der Referenzelektrode 9. Die Kontaktierung des Sensorleiters 27 hin zur Referenzelektrode 9 ist dabei mit einem Federelement 11 und einer Aufnahme 14 verwirklicht. Das Federelement 11 bzw. die Aufnahme 14 bewirkt, dass die Referenz- elektrode 9 einen Hub 13 ausführen kann, wobei die Referenzelektrode 9 im Fußteil 15 geführt gelagert ist. Dabei zeigt das dargestellte Detail die Referenzelektrode 9 in einem eingedrückten Zustand, wobei die als Kontaktfläche dienende Seite der Referenzelektrode 9 sogar im Inneren des Fußteils 15 verschwindet bzw. eintaucht. Eine Stellung der Referenzelektrode 9 unter Vorspannung wird bevor-
zugt nur dann eingenommen, wenn die Ionenleiteφhase 10 bzw. der Sensor 8 (nicht dargestellt) in seiner montierten, einsatzbereiten Position angeordnet ist. Zumindest ist dabei der Hub 13 nur teilweise ausgeführt.4 shows schematically and in section a partial view of a contacting of the reference electrode 9. The contacting of the sensor conductor 27 to the reference electrode 9 is realized with a spring element 11 and a receptacle 14. The spring element 11 or the receptacle 14 has the effect that the reference electrode 9 can execute a stroke 13, the reference electrode 9 being mounted in a guided manner in the foot part 15. The detail shown here shows the reference electrode 9 in a pressed-in state, the side of the reference electrode 9 serving as the contact surface even disappearing or immersing in the interior of the foot part 15. A position of the reference electrode 9 under pre-tension is imminent moves only when the ion conductor phase 10 or the sensor 8 (not shown) is arranged in its assembled, ready-to-use position. At least the stroke 13 is only partially executed.
In Fig. 5 wird ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Betrieb bzw. der Funktionsüberwachung einer Sensoreinheit oder Messeinheit dargestellt. Dabei wird zunächst abgefragt, ob ein neuer Sensor eingesetzt wird, der dem Zustand „Neu" entspricht. Ist dieses der Fall, wird der Zeitzähler für die Messdauer und der Temperaturwechselzähler auf null gesetzt. Bei einem verbrauchten bzw. älteren, Sen- sor wird der Sensor gesperrt bzw. der Zeitzähler und der Temperaturwechselzähler auf die Werte gesetzt, die dem Zustand des Sensors entsprechen. Dieses kann beispielsweise durch eine Datenverarbeitungseinheit geschehen, in der die Kennung des Sensors beispielsweise über einen Bar-Code eingelesen wird. Anschließend wird der Zustand „Heiss" abgefragt, der sich einstellt, wenn der Sensor in die Schmelze eingetaucht wird. Wenn „Heiss" erreicht wird, wird der Zeitzähler ein- oder weitergeschaltet. Hat der Zeitzähler einen Wert „TMAX" für die maximal zulässige Nutzungsdauer eines bestimmten Sensors erreicht, so wird dieses beispielsweise durch einen Alarm dem Nutzer angezeigt und der Sensor für weitere Messungen gesperrt. Ist „TMAX" nicht erreicht, wird geprüft, ob der Sensor defekt ist und sich damit im Zustand „Defekt" befindet. Ist dieses der Fall, wird - gegebenenfalls über einen Alarm - der Sensor für weitere Messungen gesperrt. Wenn der Sensor nicht defekt ist, kann die Messung erfolgen. Wenn der Sensor nach Beendigung der Messung aus der Schmelze genommen wir, kühlt sich der Sensor ab, so dass der Zustand „Kalt" erreicht wird. Nach Erreichen des Zustands „Kalt" wir der Zeitzähler gestoppt und der Temperaturwechselzähler um eine Einheit, die der Zahl der Messungen entspricht, weitergezählt. Wird nun festgestellt, dass entweder die vorgesehene maximal zulässige Zahl der Messungen gemäß des Temperaturwechselzählers und/oder die vorgesehene maximal zulässige Messzeit gemäß des Zeitzählers und somit die maximal zulässige Nutzungsdauer
„TMAX" erreicht, so wird ggf. über einen Alarm der Sensor gesperrt. Andernfalls können weitere Messungen mit diesem Sensor erfolgen, indem mit der Abfrage des Zustands „Heiss" für eine weitere Messung fortgefahren wird. In der Datenverarbeitungseinheit werden die für die Zustände des jeweiligen Sensors notwen- digen Daten gespeichert.5 shows a particularly preferred method for operating or monitoring the function of a sensor unit or measuring unit. It is first queried whether a new sensor is used which corresponds to the "new" state. If this is the case, the time counter for the measurement duration and the temperature change counter are set to zero. If the sensor is used or older, the sensor is The sensor is blocked or the time counter and the temperature change counter are set to the values that correspond to the state of the sensor. This can be done, for example, by a data processing unit in which the sensor identification is read in, for example, via a bar code. The status "hot ", which is set when the sensor is immersed in the melt. When "hot" is reached, the time counter is switched on or on. If the time counter has reached a value "TMAX" for the maximum permissible period of use of a particular sensor, this is indicated to the user, for example by an alarm, and the sensor is blocked for further measurements , If "TMAX" is not reached, it is checked whether the sensor is defective and is therefore in the "Defective" state. If this is the case, the sensor is blocked for further measurements - if necessary via an alarm. If the sensor is not defective, the measurement can take place. If the sensor is removed from the melt after the measurement has ended, the sensor cools down, so that the "cold" state is reached. After reaching the "cold" state, the time counter is stopped and the temperature change counter is increased by one unit that corresponds to the number corresponds to the measurements, counted further. It is now determined that either the intended maximum permissible number of measurements according to the temperature change counter and / or the intended maximum permissible measurement time according to the time counter and thus the maximum permissible service life If "TMAX" is reached, the sensor may be blocked via an alarm. Otherwise, further measurements can be carried out with this sensor by continuing to query the "hot" state for a further measurement. The data necessary for the states of the respective sensor are stored in the data processing unit.
Die Fig. 6 und 7 zeigen ein System zur Messung der Natrium- Aktivität in Aluminiumschmelzen bei Temperaturen zwischen 660 und 800°C mit einer Sensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses System kann in diesem Bereich auch zur Temperaturüberwachung der Schmelze eingesetzt werden. Bei richtiger Einstellung und Anwendung stimmen seine Messungen weitgehend mit den durch Thermo- oder Spektralanalyse ermittelten Werten überein.6 and 7 show a system for measuring the sodium activity in aluminum melts at temperatures between 660 and 800 ° C. with a sensor unit according to the present invention. This system can also be used to monitor the temperature of the melt in this area. With the correct setting and application, its measurements largely agree with the values determined by thermal or spectral analysis.
Das in Fig. 6 dargestellte System umfasst eine Lanze 24 mit einer Haltevorrich- tung 17 und einen austauschbaren Sensor 8 sowie eine Auswerteeinheit 35. Die Haltevorrichtung 17 dient der Fixierung der Lanze 24, wobei diese veränderbar mittels eines Klemmhebels 16 befestigt werden kann. Die Haltevorrichtung 17 ist bevorzugt mit einem Gelenk ausgeführt, so dass die Lanze 24 mit dem Sensor 8 durch eine Drehung einfach in das Schmelzbad eingetaucht werden kann.The system shown in FIG. 6 comprises a lance 24 with a holding device 17 and an exchangeable sensor 8 as well as an evaluation unit 35. The holding device 17 serves to fix the lance 24, which can be fixed in a changeable manner by means of a clamping lever 16. The holding device 17 is preferably designed with a joint, so that the lance 24 with the sensor 8 can simply be immersed in the weld pool by rotation.
Die Lanze 24 und die Auswerteeinheit 35 sind durch Übertragungskabel (nur angedeutet) miteinander verbunden. Das Gehäuse 3 mit dem Sensor 8 taucht in das Schmelzbad ein und liefert Daten, deren Veränderung beispielsweise auf einem Display 42 der Auswerteeinheit 35 erscheinen. Darüber hinaus signalisiert eine weithin sichtbare Ampel 48 auf der Auswerteeinheit 35, ob der Natriumgehalt im „grünen Bereich liegt" oder dessen voreingestellte Grenzen unter- bzw. überschritten sind. Die Lebensdauer des Sensors 8 hängt von seiner Beanspruchung ab. Auf dem Display 42 der Auswerteeinheit 35 erscheint eine Fehlermeldung, wenn der installierte Sensor 8 unbrauchbar ist und ausgetauscht werden muss.
Die in Fig. 7 dargestellte Auswerteeinheit 35 ist staubdicht und spritzwasserge- schützt. Die dargestellte Ausführungsform der Auswerteeinheit 35 umfasst eine Betriebsfläche mit einem Display 42, einem Schloss 43, einer Kontrollleuchte 44 und einer Auslösetaste 45. Das Schloss 43 hat dabei die Aufgabe, die Auswerteeinheit 35 bezüglich eines unerwünschten Benutzens zu sichern. Die Kontrollleuchte 44 signalisiert, ob die Auswerteeinheit 35 betriebsbereit ist bzw. Energie über den Netzanschluss 46 bereitgestellt ist.The lance 24 and the evaluation unit 35 are connected to one another by transmission cables (only indicated). The housing 3 with the sensor 8 dips into the molten bath and supplies data, the changes of which appear, for example, on a display 42 of the evaluation unit 35. In addition, a widely visible traffic light 48 on the evaluation unit 35 signals whether the sodium content is in the “green range” or whether its preset limits have been exceeded or fallen short. The life of the sensor 8 depends on its stress. On the display 42 of the evaluation unit 35 an error message appears if the installed sensor 8 is unusable and needs to be replaced. The evaluation unit 35 shown in FIG. 7 is dust-tight and protected against splash water. The embodiment of the evaluation unit 35 shown comprises an operating area with a display 42, a lock 43, a control lamp 44 and a release button 45. The lock 43 has the task of securing the evaluation unit 35 against undesired use. The control lamp 44 signals whether the evaluation unit 35 is ready for operation or whether energy is provided via the mains connection 46.
Die von der Lanze 24 ermittelten Daten gelangen über den Sensorleiter 27 und den Gehäuseleiter 32 zur Auswerteeinheit 35. Die Bewertung der Daten bzw. die optische und/oder EDV- technische Umsetzung dieser Daten erfolgt im Inneren der Auswerteeinheit 35. Zur Ausgabe bzw. Signalisierung der Daten bietet die Auswerteeinheit 35 zwei Möglichkeiten, die einzeln oder in Kombination zuein- ander eingesetzt werden können.The data determined by the lance 24 reach the evaluation unit 35 via the sensor conductor 27 and the housing conductor 32. The evaluation of the data or the optical and / or EDP implementation of this data takes place inside the evaluation unit 35. For outputting or signaling the The evaluation unit 35 offers two options for data, which can be used individually or in combination with one another.
Einerseits erlaubt die Datenschnittstelle 47 eine unverzügliche Weiterleitung der von der Lanze 24 generierten Daten, um beispielsweise eine ausführlichere Analyse in einem externen Rechner vorzunehmen. Weiterhin hat die Auswerteein- heit 35 eine Ampel 48 zur optischen Signal gebung auf. Die Ampel weist weithin sichtbare, farbige Lichtern auf, so dass jederzeit erkennbar ist, ob der Natriumgehalt stimmt bzw. ob eine Störung vorliegt. Zum Auslösen einer solchen Messung wird die Auslösetaste 45 betätigt, wobei in Abhängigkeit der erfassten Messdaten jeweils ein entsprechendes Licht der Ampel 48 aufleuchtet.
BezugszeichenlisteOn the one hand, the data interface 47 allows the data generated by the lance 24 to be forwarded immediately, for example in order to carry out a more detailed analysis in an external computer. Furthermore, the evaluation unit 35 has a traffic light 48 for optical signaling. The traffic light has colored lights that can be seen from far away, so that it can be recognized at any time whether the sodium content is correct or whether there is a fault. To initiate such a measurement, the trigger button 45 is actuated, a corresponding light from the traffic light 48 lighting up in each case as a function of the acquired measurement data. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Sensoreinheitsensor unit
Schmelzemelt
Gehäusecasing
Sensorhalterungsensor mount
Innenrauminner space
MessöffhungMessöffhung
Verbindungsbereichconnecting area
Sensorsensor
Referenzelektrodereference electrode
IonenleiteφhaseIonenleiteφhase
Federelementspring element
Achseaxis
Hubstroke
Aufnahmeadmission
Fußteilfootboard
Klemmhebelclamping lever
Haltevorrichtungholder
Verbindungsabschnittconnecting portion
Anschlagflächestop surface
Winkelangle
Tragstruktursupporting structure
ÜberstandGot over
Messeinheitmeasuring unit
Lanzelance
Hauptmetallmain metal
MinderbestandteilLess component
Sensorleiter
Blendesensor Head cover
Auslassoutlet
Kragencollar
Durchbruchbreakthrough
Gehäuseleiterhousing ladder
KontaktContact
Schmelzspiegelmelting mirror
Auswerteeinheitevaluation
Isolationisolation
Zwischenraumgap
Hilfselektrodeauxiliary electrode
Membranmembrane
Aufnehmerpickup
Leitungmanagement
Displaydisplay
Schlosslock
Kontrollleuchteindicator light
Auslösetasterelease button
Netzanschlussmains connection
DatenschnittstelleData Interface
Ampel
traffic light