DE3028665A1 - DEVICE WITH AN OXYGEN PROBE - Google Patents
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Description
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BROW N , BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFTBROW N, BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT
Mannheim 14- Juli 1980Mannheim July 14, 1980
Mp.-Nr. 5 78/80 ZFE/P2-Du/BrMp.no. 5 78/80 ZFE / P2-Du / Br
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem Sauerstoff-Meßfühler zur Regelung der Verbrennung in einem Industrieofen.The invention relates to a device with a Oxygen sensor for controlling combustion in an industrial furnace.
In Industrieöfen, deren Wärme durch Verbrennung erzeugt wird, ist aus Gründen der Brennnstoffeinsparung sowie der Uraweltschonung eine möglichst gute Ausnutzung des Brennstoffes anzustreben, wobei das Brennstoff-Luftverhältniss (Luftzahl Λ ) von entscheidendem Einfluß auf den Wirkungsgrad und die Schadstoffemission ist. Veränderungen des Heizwertes bsw., können das Mischungsverhältnis stark beeinflussen. Um einen Betrieb im luftarmen Bereich zu vermeiden, wird die Verbrennung mit einem relativ großen Luftüberschuß betrieben, was aber wegen der erhöhten Wärmeverluste durch den Stickstoff- und Sauerstoffballast im Abgas, einen ver-In industrial furnaces, the heat of which is generated by combustion, the best possible utilization of the fuel should be aimed for in order to save fuel and protect the environment, whereby the fuel-air ratio (air number Λ) has a decisive influence on the degree of efficiency and pollutant emissions. Changes in the calorific value, for example, can strongly influence the mixing ratio. In order to avoid operation in the air-poor area, the combustion is operated with a relatively large excess of air, which, however, due to the increased heat losses due to the nitrogen and oxygen ballast in the exhaust gas, a
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ringerten Wirkungsgrad zur Folge hat. Bei Luftunterschuß wiederum, sinkt der Wirkungsgrad ebenfalls, da die Verbrennung unvollständig verläuft und es u.a. zur Bildung von Ruß und Kohlenmonoxid kommt.results in reduced efficiency. With insufficient air on the other hand, the efficiency also drops, since the combustion is incomplete and, among other things, it leads to formation comes from soot and carbon monoxide.
Der höchste Wirkungsgrad und die geringste Schadstoffemission sind erreichbar mit einer leicht überstochiometrischen Verbrennung, d.h. mit einem sehr geringen Luftüberschuß.The highest degree of efficiency and the lowest pollutant emissions can be achieved with a slightly overstoichiometric combustion, i.e. with a very small excess of air.
Sine genaue Regelung des Brennstoff-Luftverhältnisses ist über die Messunci des Sauerstoffgehalts im Abgas mit Hilfe von entsprechenden Sauerstoff-Meßfühlern möglich.Precise regulation of the fuel-air ratio is possible by measuring the oxygen content in the exhaust gas with the aid of appropriate oxygen sensors.
Es kommen Sauerstoff-Meßfühler in zwei unterschiedlichen Ausführungen zur Anwendung. Bei einem Meßfühler mit einer poteritiometrischen Zelle wirkt sich die hohe Temperaturempfindlichkeit sowie die abnehmende Empfindlichkeit bei steigender Sauerstoffkonzentration nachteilig auf das Meßverfahren aus. Vorteilhafter erweist sich hingegen ein Sauerstoff- Meßfühler mit einer galvanometrischen Zelle. Seine Meßgenauigkeit ist von der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration weitgehend unabhängig. Der für die Messung erforderliche kontinuierliche Probegasstrom läßt sich mit einfachen konstruktiven Mitteln realisieren, während zur Stabilisierung der Temperatur des erstgenannten Sauerstoff- ι Meßfühlers ein relativ hoher Aufwand an Regelelektronik erforderlich ist.Two different versions of oxygen sensors are used. In the case of a sensor with a potentiometric cell, the high temperature sensitivity and the decreasing sensitivity with increasing oxygen concentration have a disadvantageous effect on the measuring process. On the other hand, an oxygen sensor with a galvanometric cell has proven to be more advantageous. Its measuring accuracy is largely independent of the temperature and the oxygen concentration. The continuous sample gas flow required for the measurement can be implemented with simple structural means, while a relatively high level of control electronics is required to stabilize the temperature of the first-mentioned oxygen sensor.
In der DE-OS 29 22 218 wird ein Sauerstoff/Brennstoff-Überwachungsgerät beschrieben, mit einem Sauerstoff-Meßfühler, der auf der Basis einer potentiometrischen Zelle arbeitet, und die damit verbundenen obengenannten Nachteile aufweist.In DE-OS 29 22 218 an oxygen / fuel monitoring device described, with an oxygen sensor, which works on the basis of a potentiometric cell and has the disadvantages mentioned above.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauestoff-Meßfühler mit einer galvanometrischen Meßzelle auf einfache Art und Weise in eine Einrichtung zur Regelung der Verbrennung in Industrieöfen zu integrieren.The invention is based on the object of an oxygen sensor with a galvanometric measuring cell in a simple manner in a device for controlling the combustion to be integrated in industrial furnaces.
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ο ."ι ι η λο . "ι ι η λ
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Diese Aufgabe wird erfindtingsgemäß dadurch gelöst, daß der mit einer galvanischen Festelektrolytzelle versehene Sauerstoff-Meßfühler in einem seiner Betriebstemperatur entsprechenden Temperaturbereich im Abgasstrom eines Mantel-Strahlrohres angeordnet ist, und daß Mittel vorgesehen sind^ zur Beaufschlagung des Sauerstoff-Meßfühlers mit einem Probegasstrom. This object is achieved according to the invention in that the oxygen sensor provided with a galvanic solid electrolyte cell is arranged in a temperature range corresponding to its operating temperature in the exhaust gas flow of a jacketed jet pipe, and that means are provided for applying a sample gas flow to the oxygen sensor.
Eine zweckmäßige Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß der Sauerstoff-Meßfühler von einer Schicht definierter Porösität umgeben ist, durch die eine bestimmte Gasmenge pro Zeiteinheit als kontinuierlicher Probegasstrom diffundiert.An expedient embodiment of the invention consists in that the oxygen sensor is surrounded by a layer of defined porosity through which a certain amount of gas diffused per unit of time as a continuous stream of sample gas.
Desweitern ist es vorteilhaft die Erfindung so auszubilden, daß der Sauerstoff-Meßfühler über eine Düse mit kritischem Druckverhältnis, mit einem kontinuierlichen Probegasstrom beaufschlagt wird.Furthermore, it is advantageous to design the invention so that the oxygen sensor via a nozzle with critical Pressure ratio, is applied with a continuous flow of sample gas.
Als kritisches Druckverhältnis wird das bei Schallgeschwindig keit herrschende Verhältnis von Gegendruck ρ zu Enddruck P1 /P-i ' bezeichnet. Bei einer weiteren Absenkung des Gegendrucks ρ (hinter der Düse) nimmt die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt nicht mehr zu, so daß die Durchsatzmenge konstant bleibt.The critical pressure ratio is the ratio of back pressure ρ to final pressure P 1 / Pi 'at the speed of sound. If the counterpressure ρ is further reduced (behind the nozzle), the speed in the narrowest cross-section no longer increases, so that the throughput rate remains constant.
Ferner besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, daß der lichte Querschnitt des Mantelstrahlrohres so aufgeteilt ist, daß der Sauerstoff-Meßfühler mit einem Probegasstrom beaufschlagt wird, der dem Gesamtgasstrom direkt proportional ist.Furthermore, a further development of the invention consists in that the clear cross section of the jacketed jet pipe is so divided is that the oxygen sensor is subjected to a sample gas flow which is directly proportional to the total gas flow is.
Da der Sauerstoff-Meßfühler nur eine begrenzte Sauerstoffmenge verarbeitet, und der anteilige Abgasstrom in innig·..· Berührung mit der Meßfühleroberflache kommen muß, wird nur ein Teil des Abgasstromes über den Sauerstoff-Meßfühler geleitet.Because the oxygen sensor only has a limited amount of oxygen processed, and the proportionate exhaust gas flow must come into intimate · .. · contact with the sensor surface, is only a part of the exhaust gas flow passed through the oxygen sensor.
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O j : ΰ O bO j: ΰ O b
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Bei einem bestimmten Verhältnis der Durchlaßquerschnitte von Meßfühler und Abgaskanal, ist der Meßfühlergasstrom direkt proportional dem Gesamtgasstrom. Um ein dem prozentualen Sauerstoffanteil entsprechendes Signal zu erhalten, ist es erforderlich, das entsprechende Signal "Meßfühlergasstrom" zum Gesai- gasstrom ins Verhältnis zu setzen, d.h. durch ein diesem Gesamtgasstrom proportionales Signal zu dividieren, bsw. mit Hilfe eines Mikroprozessors.At a certain ratio of the passage cross-sections of the measuring sensor and the exhaust gas duct, the measuring sensor gas flow is directly proportional to the total gas flow. To get a signal corresponding to the percentage of oxygen, it is necessary to set the corresponding signal "sensor gas flow" in relation to the total gas flow, i.e. by a signal proportional to this total gas flow divide, bsw. with the help of a microprocessor.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die für die Bereitstellung der Betriebstemperatur des Sauerstoff-Meßfühlers bisher erforderliche separate elektrische Heizung, wie auch die zur Erzeugung eines kontinuierlichen Probegasstromes benötigte Pumpe, entfallen können. Dadurch wird die Einrichtung in ihrem Aufbau vereinfacht und weniger störanfällig.The advantages achieved by the invention are, in particular, that for the provision of the operating temperature of the oxygen sensor previously required separate electrical heating, as well as the pump required to generate a continuous sample gas flow, can be omitted. This simplifies the structure of the device and makes it less prone to failure.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der :■ Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Some embodiments of the invention are shown in: ■ Drawing shown and are described in more detail below.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 im Längsschnitt ein Mantelstrahlheizrohr mit einemFig. 1 in longitudinal section a jacket radiant tube with a
darin angeordneten Sauerstoff-Meßfühler;oxygen sensor disposed therein;
Fig. 2 im Detail einen Sauerstoff-Meßfühler mit einem Körper von definierter Porosität; Fig. 3 in schematischer Darstellung die Anordnung der beidenFig. 2 shows in detail an oxygen sensor with a Body of defined porosity; 3 shows the arrangement of the two in a schematic representation
lichten Querschnitte von Sauerstoff-Meßfühler undclear cross-sections of oxygen sensor and
Mantelstrahlrohr;Jacketed jet pipe;
Fig. 4 im Detail eine Düse für kritisches Druckverhältnis; Fig. 5 eine zu der in Fig. 4 dargestellten Düse gehörige4 shows in detail a nozzle for a critical pressure ratio; FIG. 5 shows a nozzle belonging to the nozzle shown in FIG
Drosselklappe.Throttle.
Das Mantelstrahlheizrohr weist ein Manteistrahlrohr 1 aus hitzebeständigem Stahl auf, in dem an einem Ende ein Gasbrenner 2 koaxial angeordnet ist, der mit seinem flammenseitigen Ende in ein ebenfalls koaxial im Strahlrohr 1 an-The jacketed radiant tube has a jacketed radiant tube 1 heat-resistant steel with a gas burner at one end 2 is arranged coaxially, which with its flame-side end in a also coaxially in the jet pipe 1
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geordnetes Flammrohr 3 hineinragt. Die Flamme brennt im Flammrohr 3, während die Abgase am Ende des Flammrohres austreten und über einen Ringspalt 4 zwischen Strahlrohr 1 und Flammrohr 3 sowie einen Ringspalt 5 zwischen Brenner 2 und Strahlrohr 1 zurückströmen und über einen Abgasstutzen abgeleitet werden. Das Mantelstrahlhexzrohr ragt durch eine Öffnung in der Ofenwand 7 mit einer Länge bis zu etwa zwei Metern in den Ofeninnenraum hinein, und ist über eine Flanschverbindung 8 mit dem Ofengehäuse 9 gasdicht verbunden. Am Kopfende des Brenners 2 befindet sich die Armatur 10 für die Gaszuführung und die Armatur 11 für die Luftzuführung.ordered flame tube 3 protrudes. The flame burns in the flame tube 3, while the exhaust gases at the end of the flame tube exit and through an annular gap 4 between jet pipe 1 and flame tube 3 and an annular gap 5 between burner 2 and jet pipe 1 flow back and are discharged via an exhaust pipe. The jacketed jet hex tube protrudes through a Opening in the furnace wall 7 with a length of up to about two meters into the furnace interior, and is via a flange connection 8 connected to the furnace housing 9 in a gas-tight manner. At the head end of the burner 2 is the valve 10 for the gas supply and the fitting 11 for the air supply.
Im Bereich der Durchführung des Mantelstrahlheizrohres durch die Ofenwand 7 ist der Ringspalt 5 zwischen dem Brenner 2 und dem Mantelstrahlrohr i etwas erweitert und zum größten Teil mit einem Isolierbelag 13 ausgefüllt, der an der nach außen gewandten Innenseite 14 des Strahlrohres anliegt, so daß das zurückströmende Abgas in dem verbleibenden Ringspalt 12 an dem Isolierbelag 13 vorbei strömt und somit keinen direkten Wärmekontakt mehr mit dem Strahlrohr aufweist.The annular gap 5 is between the burner 2 in the area where the jacket radiant heating tube passes through the furnace wall 7 and the jacketed jet pipe i somewhat expanded and for the most part filled with an insulating coating 13, which is attached to the after outside facing inside 14 of the jet pipe rests, so that the back-flowing exhaust gas in the remaining annular gap 12 flows past the insulating covering 13 and thus no longer has any direct thermal contact with the radiant tube.
Der in dem Mantelstrahlheizrohr angeordnete Sauerstoff-Meßfühler 15 kann zur Beaufschlagung mit einem kontinuierlichen Probegasstrom mit einer Schicht definierter Porösität umgeben sein. Es ist-aber auch möglich den Sauerstoff-Meßfühler zur Beaufschlagung mit einem kontinuierlichen Probegasstrom in einen Isolierbelag 13 mit einer definierten Porosität einzubetten, wie es die Figur 1 zeigt.The oxygen sensor located in the jacketed radiant tube 15 can be surrounded by a layer of defined porosity for exposure to a continuous sample gas stream be. But it is also possible to use the oxygen sensor for application with a continuous sample gas flow embedded in an insulating covering 13 with a defined porosity, as shown in FIG.
Die Schicht mit definierter Porosität kann auch nach Fig. 2 als zylindrischer poröser Körper 16 ausgebildet sein, der dem Schutzrohr 17 des Sauerstoff-Meßfühlers 15 im Bereich des Festelektrolytrohres 18 zwischengefügt ist.The layer with defined porosity can also according to FIG. 2 be designed as a cylindrical porous body 16, the Protective tube 17 of the oxygen sensor 15 in the area of Solid electrolyte tube 18 is inserted.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Probegasstromes sei an Hand der Figuren 4 und 5 erläutert. Die im Abgasstutzen 6 angeordnete Drosselkappe 19 ist so einzustellen, daß der Druck vor der Drosselklappe > 2 bar ist, so daß sich gegen Atmosphäre ein kritisches DruckverhältnisAnother embodiment for generating a sample gas flow is explained with reference to FIGS. 4 and 5. The throttle cap 19 arranged in the exhaust gas nozzle 6 is to be adjusted so that that the pressure upstream of the throttle valve is> 2 bar, so that there is a critical pressure ratio against the atmosphere
für die in Strömungsrichtung eine Querschnittserweiterung aufweisende Düse 20 ergibt. Die Strömung hat Schallgeschwindigkeit. Bei einer Absenkung des Druckes hinter der Düse nimmt die Geschwindigkeit im engsten Querschnitt nicht "Ό mehr zu, so daß die Durchsatzmenge konstant bleibt.for the nozzle 20 having a cross-sectional enlargement in the direction of flow. The current has the speed of sound. If the pressure behind the nozzle is reduced, the speed does not decrease in the narrowest cross-section "Ό more so that the throughput remains constant.
Desweiteren ist ist es auch möglich, den Sauerstoff-Meßfühler 15 nach Fig. 3 im Ringspalt 12 des Mantelstrahlrohres anzuordnen, so daß der lichte Querschnitt A, des Ringspaltes 12 und der lichte Querschnitt A_ des Sauerstoff-It is also possible to use the oxygen sensor 15 to be arranged according to FIG. 3 in the annular gap 12 of the jacketed jet pipe, so that the clear cross section A, of the annular gap 12 and the clear cross-section A_ of the oxygen
/ 1 ^ Meßfühlers 14 sich so zueinander verhalten /-— = const! ,/ 1 ^ measuring sensor 14 behave in this way to one another / -— = const! ,
I 2 ' daß der Sauerstoff-Meßfühler 15 mit einem Proöegasstrom beaufschlagt wird, der dem Gesamtgasstrom direkt proportional ist. In diesem Fall ist für die Regelung ein für den Gesamtdurchsatz proportionales Signal erforderlich, das mit dem Signal des Sauerstoff-Meßfühlers nach Verhältnisbildung ein dem prozentualen Sauerstoffanteil proportionales Signal ergibt.I 2 'that the oxygen sensor 15 with a Proöegasstrom is applied, which is directly proportional to the total gas flow. In this case there is one for the regulation for the total throughput proportional signal required, the one with the signal of the oxygen sensor after the ratio formation a signal proportional to the percentage of oxygen results.
Die nicht erfindungswesentliche und daher nicht näher dargestellte Regelung funktioniert so, daß nach dem Einschalten des Gerätes, z.B. durch Schließen eines Signalkontaktes "Gasventil auf" zunächst ein Zeitglied anläuft, das den Meß- und Regelvorgang sperrt, bis die Flamme stabil brennt und das Rauchgas den Sauerstoff-Meßfühler erreicht hat (Totzeit). Nach Ablauf der Totzeit wird das in diesem Moment vom Sauerstoff-Meßfühler gelieferte Signal (Sauerstoffanteil proportionaler Strom) während einer zweiten Zeit (Meßzeit) mit einem Referenzwert verglichen nach Richtung der Abweichung (fett oder mager) und Größe (innerhalb desThe not essential to the invention and therefore not shown in detail Control works in such a way that after switching on the device, e.g. by closing a signal contact "Gas valve open" starts a timer that blocks the measurement and control process until the flame burns steadily and the flue gas has reached the oxygen sensor (dead time). After the dead time has expired, it will be at this moment signal supplied by the oxygen sensor (oxygen percentage proportional current) during a second time (measuring time) compared with a reference value according to the direction of the deviation (fat or lean) and size (within the
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Ί p ') P ,Q R κ 5 78/80 -Jf- 14. 07. 19 8Ό Ί p ') P, QR κ 5 78/80 -Jf- 07/14/19 8
Toleranzbereichs, fein oder grob). Ebenfalls während der Meßzeit wird ein der Abweichungsrichtunf entsprechendes Relais für eine der Abweichungsgröße entsprechende Zeit aktiviert. Nach Ablauf der Meßzeit wijrd das Totglied aktiviert 5 und der gesamte Meßvorgang wiederholt sich.Tolerance range, fine or coarse). A direction of deviation corresponding to the deviation direction is also generated during the measurement period Relay activated for a time corresponding to the deviation size. After the measuring time has elapsed, the dead link is activated 5 and the entire measuring process is repeated.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: RUHRGAS AG, 4300 ESSEN, DE |
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| 8141 | Disposal/no request for examination |