BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonde zur Messung des Sauerstoff-Partialdruckes in heissen Gasatmosphären gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1.
Derartige, ständig unter extremen Bedingungen arbeitende Sonden sind bekanntlich im Bereich des Messkopfes ausserordentlich hohen Beanspruchungen unterworfen.
Sowohl die Temperaturdifferenzen, welche normalerweise bis zu 1150 "C betragen, als auch die chemischen Einflüsse der zu messenden Gase, die Russbildung und die unterschiedlichen physikalischen und chemischen Reaktionen der den Messkopf bildenden Bestandteile und der wechselnden, die zu messende Atmosphäre bildende Gase tragen dazu bei, dass die Messgenauigkeit dieser sensiblen Geräte ständig bedroht ist und daher periodisch überprüft werden muss.
Die beim Auftreten von Messfehlern vorzunehmende Eichung des Geräts konnte mit den bisher bekannten Mitteln nur so vorgenommen werden, dass die Sonde ausgebaut und im Labor in einer relativ komplizierten Prozedur geeicht wurde. Um hierzu ein Mass für den Kohlenstoffgehalt der zu messenden Gasatmosphäre zu erhalten, musste eine Stahlfolie gewogen werden, bevor und nachdem diese während einer bestimmten Verweilzeit in der heissen Gasatmosphäre belassen wurde. Gemäss einem anderen Verfahren wird eine Stahlfolie in einem Spezialapparat verbrannt, wobei die entstehenden Verbrennungsgase in einer 1 nfrarotkammer analysiert werden.
Diese bekannten Verfahren sind nicht nur teuer und zeitaufwendig, sondern führen im allgemeinen zu relativ ungenauen Resultaten und können ausserdem nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sonde der eingangs definierten Art vorzuschlagen, welche eine unkomplizierte und äusserst genaue Eichung gestattet, ohne dass die Sonde ausgebaut und im Labor getestet werden muss.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemässe Sonde gelöst, welche im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungen dieser Sonde ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Nachstehend wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Sonde beschrieben.
Fig. list eine vereinfachte Schnittdarstellung des Messkopfbereichs einer Sonde der eingangs definierten Art,
Fig. 2 zeigt im Schnitt die Anordnung des Messkopfes an der Wandung eines Wärmebehandlungsofens und
Fig. 3 bis 5 veranschaulichen konstruktive Varianten.
Der in Fig. 1 dargestellte, in seiner Gesamtheit mit M bezeichneten Messkopf, dessen prinzipielle Funktion im europäischen Patent Nr. 246429 beschrieben ist, weist eine zylindrische Stahlhülse 1 auf, die in ihrem oberen Abschnitt zwei diametral einander gegenüberliegenden Durchgangsöffnungen 2 und 3 besitzt. Die Durchgangsöffnungen 2 und 3 bilden den Einlass bzw. Auslass der zu messenden Gase, welche somit das Innere des Messkopfes M in Pfeilrichtung durchströmen.
Innerhalb der Stahlhülse 1 befindet sich ein Keramikrohr 4, dessen oberer Innenrand einen sphärischen Sitz 5 aufweist, auf den sich das kugelförmige Reaktionselement 6 abstützt.
Zwischen dem Reaktionselement 6 und der oberen Wandung lader Stahlhülse 1 befindet sich eine Aussenelektrode 7.
welche als Rotationskörper von U-förmigem Querschnitt ausgebildet ist; die Aussenelektrode 7 greift einerseits in eine Ausnehmung der Hülsenwand 1 a und stützt sich andererseits mit der ihre Öffnung umgrenzenden Innenkante Kauf die Kugelfläche des Reaktionselementes 6. Durch eine nicht gezeigte Feder wird das Keramikrohr 1 nach oben gepresst, so dass das Reaktionselement 6 unter Gewährleistung einer gasdichten Verbindung zwischen der Aussenelektrode 7 und dem Sitz 5 eingespannt ist.
Innerhalb des Keramikrohres 4 befindet sich eine rohrförmige Innenelektrode 8 und innerhalb der letzteren ein zur Temperaturmessung dienendes Thermoelement 9.
Gemäss Fig. 2 ist der Messkopf M von einem Abdeckrohr 10 umgeben, das mit seinem unteren Endabschnitt an der ringförmigen Montageschulter 11 eines Montageflansches 12 befestigt ist. Der Montageflansch 12 ist im Betrieb der Sonde mit der Montageschulter 11 in einer entsprechenden Öffnung des Wärmebehandlungsofens W verankert.
Der Messkopf M ist mittels einer Mutter 14 fest am Sondenfuss 13 verschraubt, der seinerseits die üblichen Anschlüsse 15 und 16 für Strom, Referenzgas und Reinigungsluft aufweist. Mit dem Sondenfuss 13 ist ferner ein hydraulischer Zylinder 17 fest verbunden, in welchem ein Kolben 18 gelagert ist. Über hydraulische Zuleitungen 19 und 20 lässt sich der Kolben 18 nach Bedarf einseitig mit einem Hydraulikmedium beaufschlagen. Da der Kolben 18 über seine Kolbenstange 21 an einer seitlichen Auskragung 22 des Montageflansches 12 verschraubt ist, bleibt er bei der hydraulischen Beaufschlagung stationär, während sich der Zylinder 17 entsprechend verschiebt und dabei den Sondenfuss 13 mit dem Messkopf M mitnimmt.
Dadurch ist es möglich, die Durchgangsöffnungen 2 und 3 des Messkopfes M in das Abdeckrohr 10 zurück zu verlagern, so dass die Durchgangsöffnungen 2 und 3 nicht mehr von der Gasatmosphäre des Wärmebehandlungsofens beaufschlagt werden können. Der Messkopf M nimmt dann innerhalb des Abdeckrohres 10 die in Fig. 1 strichpunktierte Lage ein.
In dieser, der strichpunktierten Relativlage zwischen Abdeckrohr 10 und Messkopf M entsprechenden Eichstellung kann nun durch Öffnen eines Ventils 23 Eichgas über eine Leitung 24, einen Durchflussmesser 37, ein Absperrventil 36 und Manometer 35 aus einem Eichgasreservoir 25 in den Messkopf M eingeleitet werden. Das Eichgas strömt dabei im Ringkanal R zwischen Keramikrohr 4 und Stahldüse 1 in Pfeilrichtung nach oben, beaufschlagt dort das Reaktionselement 6 und entweicht über die Öffnung 2 und 3 sowie den Ringspalt zwischen Messkopf M und Abdeckrohr
10. Durch gleichzeitige Zufuhr des Referenzgases innerhalb der rohrförmigen Innenelektrode 8 hat man somit die Möglichkeit, das Gerät während des Betriebes zu eichen.
Eine im Montageflansch 12 angeordnete Dichtung D verhindert das Austreten der Ofengase in den Messbereich des Gerätes.
Eine Variante der beschriebenen Ausführungsform zeigt schematisch Fig. 3, wobei die bereits eingeführten Bezugszeichen für unveränderlich gebliebenen Teile beibehalten wurden. Der Montageflansch 12 weist innerhalb einer rohrförmigen, den unteren Teil der Stahlhülse 1 umgebenden Verlängerung 26 eine Schraubenfeder 27 auf, welche sich gegen eine Schulter 28 der Stahlhülse 1 abstützt und die Stahlhülse mit dem gesamten Messkopf somit nach oben in die normale Betriebslage zu drücken trachtet. Ein pneumatisch beaufschlagbarer Balg 29 ist einerseits am Montageflansch 12, andererseits am Sondenfuss 13 verankert.
Durch Öffnen des in der Eichgaszuleitung 24 angeordneten Ventils 23 gelangt das Eichgas einerseits durch die Leitung 30 ins Innere des Balges 29, womit der Messkopf M in das Abdeckrohr 10 eingezogen wird; andererseits wird das Eichgas durch die Leitung 31, wie bereits beschrieben, dem Messkopf M zugeleitet. Der Eichgaszustrom zum Messkopf ist mittels eines weiteren Ventiles 32 steuerbar. Zwischen den beiden Ventilen 23 und 32 ist ein Rückschlagventil 33 eingebaut.
Für die Eichung des Gerätes wird das Ventil 23 geöffnet, womit der Sondenfuss 13 von der Wandung W des Wärmebehandlungsofens so weit wegverlagert wird, bis er die in Fig. 3 strichpunktiert angedeutete Endlage erreicht hat, in welcher der Messkopf M ganz in das Abdeckrohr 10 hineingezogen ist. Es versteht sich, dass die in Fig. 3 gezeichneten Eichgaszuleitungen, insofern sie ausserhalb des Sondenfusses 13 liegen, mindestens teilweise durch einen biegsamen Schlauch gebildet sind, so dass sie den Bewegungen des Sondenfusses 13 folgen können.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 und 5 dargestellt, wobei Fig. 4 eine schematische Darstellung der Gesamtanordnung ist, während Fig. 5 die gegenüber den bereits beschriebenen Beispielen abgeänderten Teile in etwas vergrösserter Schnittdarstellung zeigt. Die bereits eingeführten Bezugszahlen wurden auch hier beibehalten.
Während der grundsätzliche Aufbau der Sonde gegenüber den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 3 unverändert geblieben ist, wurde das Abdeckrohr 5, das in Fig. 5 mit 34 bezeichnet ist, ins Innere der Stahlhülse 1 verlegt. Für die Durchführung des Eichvorganges lässt sich das Abdeckrohr 34 von der in Fig. 5 voll ausgezeichneten Lage nach oben in die strichpunktierte Stellung verschieben, wo es dann ebenfalls den Durchstrom des Betriebsgases in dem zwischen den beiden Öffnungen 2 und 3 liegenden Strömungskanal versperrt.
Wie Fig. 5 ferner zeigt, ist zwischen dem hohlzylindrischen Abdeckrohr 34 und den angrenzenden Wandungen des Keramikrohrs 4, der Aussenelektrode 7 und des Oberteils der Stahlhülse 1 so viel Spiel vorgesehen, dass das Eichgas, vom Reservoir 25 (Fig. 4) kommend, über Manometer 35, Absperrventil 36, Durchflussmesser 37 und Ventil 23 durch die Leitung 24 in den in Fig. 5 mit R bezeichneten Ringkanal gelangt. Von hier strömt das Eichgas in Pfeilrichtung zwischen Keramikrohr 4 und Abdeckrohr 34 (Fig. 5) nach oben und entweicht, nach Beaufschlagung des Reaktionselementes 6, durch die Öffnung 2 und 3. Eine Dichtung D1 verhindert das Entweichen des Eichgases nach aussen.
Die Vertikalverschiebung des Abdeckrohres 34 erfolgt mittels einer in Fig. 4 mit 38 bezeichneten Vorrichtung, deren Konstruktion aus Fig. 5 ersichtlich ist.
Das untere Ende des Abdeckrohres 34 stützt sich auf die Innenschulter 39 einer Stützhülse 40, welche am inneren Ende eines Bolzens 41 befestigt, vorzugsweise aufgeschraubt, ist. Der Bolzen 41 ragt durch eine Ausnehmung 42 der Stahlhülse 1 in eine Kammer 43, wo er von einem Lager 44 umfasst wird und durch einen angeformten Bolzenkopf 45 gesichert ist. Das Lager 44 ist fest mit einer Kolbenstange 46 verbunden, an deren oberem Ende sich ein in einem doppelt wirkenden Zylinder 47 angeordneter Kolben 48 befindet.
Durch Beaufschlagung des Zylinders mit einem Druckmedium an den schematisch angedeuteten Ventilen 49 und 50 lässt sich der Kolben 48 verschieben, womit sich auch das Abdeckrohr 34 um ein entsprechendes Mass nach oben oder unten verlegen lässt.
Die Kammer 43 wird von einem Gehäuse 51 umschlossen, in dessen Bohrung 5 der Zylinder 47 mit seinenm unteren Gewindeansatz 47a eingeschraubt ist. Das Gehäuse 51 stützt sich seinerseits auf die Wandung 1 3a des Sondenfusses 13 und ist mittels einer Dichtung D2 gegen die Stahlhülse 1 abgedichtet.
Das für die Eichung verwendbare Eichgas kann für alle beschriebenen Ausführungsbeispiele vom Fachmann den vorliegenden Gegebenheiten entsprechend gewählt werden.
Als Beispiel seien folgende Eichgasgemische genannt:
1. CO-N2 2. CO-CO2-N2 3. H2-H2O-N2 4. H2-CO2-N2
Der prozentuale Anteil der einzelnen Gase am jeweiligen Gemisch sollte ebenfalls von Fall zu Fall vom Fachmann gewählt werden. Bei Verwendung des unter 4) genannten Eichgasgemisches haben sich die folgenden Volumenanteile bewährt: 10% - O, 1% CO2 89,9% N2 was bei einer Betriebstemperatur von 900 C ein Messpotential von 1142 Millivolt ergab.
DESCRIPTION
The present invention relates to a probe for measuring the oxygen partial pressure in hot gas atmospheres according to the preamble of independent claim 1.
Such probes, which always operate under extreme conditions, are known to be subjected to extremely high stresses in the area of the measuring head.
Both the temperature differences, which are normally up to 1150 "C, as well as the chemical influences of the gases to be measured, the soot formation and the different physical and chemical reactions of the components forming the measuring head and the changing gases forming the atmosphere to be contributed to this that the measurement accuracy of these sensitive devices is constantly threatened and must therefore be checked periodically.
The calibration of the device that had to be carried out when measurement errors occurred could only be carried out with the previously known means in such a way that the probe was removed and calibrated in the laboratory in a relatively complicated procedure. In order to obtain a measure of the carbon content of the gas atmosphere to be measured, a steel foil had to be weighed before and after it was left in the hot gas atmosphere for a certain dwell time. According to another method, a steel foil is burned in a special apparatus, the resulting combustion gases being analyzed in an infrared chamber.
These known methods are not only expensive and time-consuming, but generally lead to relatively imprecise results and, moreover, can only be carried out by trained specialist personnel.
It is the object of the present invention to propose a probe of the type defined in the introduction, which permits uncomplicated and extremely precise calibration without the probe having to be removed and tested in the laboratory.
This object is achieved by the probe according to the invention, which is defined in independent claim 1. Preferred designs of this probe result from the dependent claims.
An exemplary embodiment of the probe according to the invention is described below with reference to the accompanying drawing.
1 shows a simplified sectional illustration of the measuring head area of a probe of the type defined at the outset,
Fig. 2 shows in section the arrangement of the measuring head on the wall of a heat treatment furnace and
3 to 5 illustrate constructive variants.
The measuring head shown in FIG. 1, designated in its entirety by M, whose basic function is described in European Patent No. 246429, has a cylindrical steel sleeve 1, which has two diametrically opposed through openings 2 and 3 in its upper section. The passage openings 2 and 3 form the inlet or outlet of the gases to be measured, which thus flow through the interior of the measuring head M in the direction of the arrow.
Within the steel sleeve 1 there is a ceramic tube 4, the upper inner edge of which has a spherical seat 5 on which the spherical reaction element 6 is supported.
An outer electrode 7 is located between the reaction element 6 and the upper wall of the loader steel sleeve 1.
which is designed as a rotating body of U-shaped cross section; the outer electrode 7, on the one hand, engages in a recess in the sleeve wall 1 a and, on the other hand, supports the spherical surface of the reaction element 6 with the inner edge surrounding its opening, by means of a spring (not shown), the ceramic tube 1 is pressed upward, so that the reaction element 6 while ensuring a gas-tight connection between the outer electrode 7 and the seat 5 is clamped.
Inside the ceramic tube 4 there is a tubular inner electrode 8 and within the latter a thermocouple 9 used for temperature measurement.
2, the measuring head M is surrounded by a cover tube 10, which is fastened with its lower end portion to the annular mounting shoulder 11 of a mounting flange 12. The mounting flange 12 is anchored to the mounting shoulder 11 in a corresponding opening of the heat treatment furnace W during operation of the probe.
The measuring head M is firmly screwed to the probe foot 13 by means of a nut 14, which in turn has the usual connections 15 and 16 for current, reference gas and cleaning air. A hydraulic cylinder 17, in which a piston 18 is mounted, is also firmly connected to the probe foot 13. Hydraulic supply lines 19 and 20 allow the piston 18 to be acted upon on one side with a hydraulic medium. Since the piston 18 is screwed via its piston rod 21 to a lateral projection 22 of the mounting flange 12, it remains stationary during the hydraulic application, while the cylinder 17 moves accordingly and thereby takes the probe foot 13 with the measuring head M.
This makes it possible to move the through openings 2 and 3 of the measuring head M back into the cover tube 10, so that the through openings 2 and 3 can no longer be acted upon by the gas atmosphere of the heat treatment furnace. The measuring head M then takes the position shown in broken lines in FIG. 1 within the cover tube 10.
In this calibration position corresponding to the dash-dotted relative position between cover tube 10 and measuring head M, calibration gas can now be introduced into the measuring head M from a calibration gas reservoir 25 by opening a valve 23 via a line 24, a flow meter 37, a shut-off valve 36 and a manometer 35. The calibration gas flows in the annular channel R between the ceramic tube 4 and the steel nozzle 1 in the direction of the arrow upwards, acts on the reaction element 6 and escapes through the openings 2 and 3 and the annular gap between the measuring head M and the cover tube
10. By simultaneously supplying the reference gas within the tubular inner electrode 8, it is thus possible to calibrate the device during operation.
A seal D arranged in the mounting flange 12 prevents the furnace gases from escaping into the measuring range of the device.
A variant of the described embodiment is shown schematically in FIG. 3, the reference symbols already introduced being retained for parts which have remained unchanged. The mounting flange 12 has a helical spring 27 within a tubular extension 26 surrounding the lower part of the steel sleeve 1, which is supported against a shoulder 28 of the steel sleeve 1 and thus tries to press the steel sleeve with the entire measuring head upwards into the normal operating position. A bellows 29 which can be acted upon pneumatically is anchored on the one hand on the mounting flange 12 and on the other hand on the probe foot 13.
By opening the valve 23 arranged in the calibration gas supply line 24, the calibration gas reaches the interior of the bellows 29 through the line 30, whereby the measuring head M is drawn into the cover tube 10; on the other hand, the calibration gas is fed to the measuring head M through the line 31, as already described. The calibration gas inflow to the measuring head can be controlled by means of a further valve 32. A check valve 33 is installed between the two valves 23 and 32.
For the calibration of the device, the valve 23 is opened, with which the probe foot 13 is displaced from the wall W of the heat treatment furnace until it has reached the end position indicated by dash-dotted lines in FIG. 3, in which the measuring head M has been drawn completely into the cover tube 10 is. It goes without saying that the calibration gas supply lines shown in FIG. 3, insofar as they lie outside the probe foot 13, are at least partially formed by a flexible hose so that they can follow the movements of the probe foot 13.
A further embodiment of the invention is shown in FIGS. 4 and 5, FIG. 4 being a schematic illustration of the overall arrangement, while FIG. 5 shows the parts modified from the examples already described in a somewhat enlarged sectional illustration. The reference numbers already introduced have also been retained here.
While the basic structure of the probe has remained unchanged from the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3, the cover tube 5, which is denoted by 34 in FIG. 5, has been moved into the interior of the steel sleeve 1. To carry out the calibration process, the cover tube 34 can be shifted upwards from the position which is fully marked in FIG. 5 into the dot-dash position, where it then also blocks the flow of the operating gas in the flow channel lying between the two openings 2 and 3.
As further shown in FIG. 5, there is so much play between the hollow cylindrical cover tube 34 and the adjacent walls of the ceramic tube 4, the outer electrode 7 and the upper part of the steel sleeve 1 that the calibration gas coming from the reservoir 25 (FIG. 4) is over Manometer 35, shut-off valve 36, flow meter 37 and valve 23 passes through line 24 into the ring channel designated R in FIG. 5. From here, the calibration gas flows in the direction of the arrow between the ceramic tube 4 and the cover tube 34 (FIG. 5) and escapes, after the reaction element 6 has been acted upon, through the openings 2 and 3. A seal D1 prevents the calibration gas from escaping to the outside.
The vertical displacement of the cover tube 34 takes place by means of a device designated 38 in FIG. 4, the construction of which can be seen in FIG. 5.
The lower end of the cover tube 34 is supported on the inner shoulder 39 of a support sleeve 40 which is fastened, preferably screwed, to the inner end of a bolt 41. The bolt 41 protrudes through a recess 42 in the steel sleeve 1 into a chamber 43, where it is surrounded by a bearing 44 and is secured by an integrally formed bolt head 45. The bearing 44 is fixedly connected to a piston rod 46, at the upper end of which there is a piston 48 arranged in a double-acting cylinder 47.
By acting on the cylinder with a pressure medium at the schematically indicated valves 49 and 50, the piston 48 can be displaced, whereby the cover tube 34 can also be moved up or down by a corresponding amount.
The chamber 43 is enclosed by a housing 51, in the bore 5 of which the cylinder 47 is screwed with its lower threaded shoulder 47a. The housing 51 in turn is supported on the wall 1 3a of the probe foot 13 and is sealed against the steel sleeve 1 by means of a seal D2.
The calibration gas that can be used for the calibration can be selected by the person skilled in the art in accordance with the present circumstances for all the exemplary embodiments described.
The following calibration gas mixtures are mentioned as examples:
1.CO-N2 2.CO-CO2-N2 3.H2-H2O-N2 4.H2-CO2-N2
The percentage of the individual gases in the respective mixture should also be chosen by the expert on a case-by-case basis. When using the calibration gas mixture mentioned under 4), the following volume fractions have proven themselves: 10% - 0.1% CO2 89.9% N2, which resulted in a measuring potential of 1142 millivolts at an operating temperature of 900 C.