Dispositif détecteur d'oxygène
La présente Invention concerne, de manière générale, un dispositif pour détecter la teneur en oxygène d'un gaz de composition inconnue et, de manière plus spécifique, un détecteur de pression partielle d'oxygène.
Il existe un besoin sans cesse croissant de dispositifs de surveillance de la teneur en oxygène d'un gaz. Au surplus, l'intensité de l'intérêt que l'on porte à ce genre d'applications croit rapidement également. A titre d'exemples des applications possibles, on peut citer la réduction de la pollution des gaz d'échappement des véhicules automobiles en déterminant la teneur en oxygène des gaz d'échappement et en régulant et en maintenant un rapport aircarburant à une valeur optimale, le sondage et le réglage de l'efficience de la combustion de brûleurs de tous types et le sondage et le réglage de la pureté de divers gaz, tels que l'hélium, en s'assurant que la proportion d'oxygène ne dépasse pas une limite tolérable.
Un dispositif que l'on a trouvé très approprié à la détection de la teneur en oxygène est constitué par une cellule galvanique destinée à mesurer les pressions partielles d'oxygène . La cellule comprend, de manière typique,
un électrolyte céramique solide sous la forme d'une paroi possédant des électrodes sur ses côtés opposés. Au moins l'une des électrodes est formée d'une matière perméable aux ions oxygène et possédant des propriétés catalytiques.
Lorsqu'un côté de la cellule est exposé à un gaz de référence et que l'autre coté est exposé à un gaz dont la teneur en oxygène n'est pas connue, il se produit entre les électrodes une tension qui est proportionnelle au loga-rithme de la pression partielle d'oxygène dans le gaz de composition inconnue. La structure et les principes de fonctionnement de ces dispositifs se trouvent décrits avec d'amples détails dans divers ouvrages, y compris Weissbart et
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L'électrolyte est formé, de manière typique, d'une solution solide d'oxydes d'éléments choisis dans le groupe formé par le zirconium, le thorium et l'hafnium, lesquels oxydes conduisent des ions d'oxygène. De telles matières sont typiquement stabilisées par une substance comme l'oxyde de calcium. On a également constaté que l'oxyde d'yttrium assurait une stabilisation satisfaisante. Les électrodes doivent être constituées d'une matière perméable aux ions oxygène , de façon à permettre à ces ions d'atteindre l'électrolyte. On utilise typiquement une forme poreuse de platine à titre de matière pour électrode, étant donné que ce produit constitue un catalyseur approprié et ne s'oxyde pas lorsqu'il est exposé à l'action de températures élevées et d'environnements oxydants dans lesquels les détecteurs de
ce type doivent opérer.
Il est courant de donner à l'électrolyte solide la forme d'un tube à travers lequel ou autour duquel passe le gaz de composition inconnue. Des dispositifs de ce type sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No.
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surface interne entière du tube et s'étend par-dessus une extrémité de celui-ci, de sorte qu'une partie de l'électrode est disposée sur la surface externe du tube. La fixation de fils conducteurs est réalisée 'en enroulant les fils autour de la surface externe du tube dans les zones couvertes par les électrodes. Un autre agencement de réalisation de connexions électriques avec une configuration d'électrode interne similaire est décrite dans le brevet des Etats-Unis
<EMI ID=3.1> l'élément céramique s'adapte dans une pince ou griffe qui fait contact avec l'électrode interne prolongée.
Plusieurs désavantages sont inhérents à ces procédés connus comme à d'autres procédés encore de réalisation de connexions électriques avec les électrodes. Ces désavantages sont, en partie, dus aux faits que les détecteurs d'oxygène de ce type doivent opérer et opèrent à des températures élevées et dans des environnements par ailleurs inhospitaliers. Bien que ce ne soit seulement que la partie constituant la cellule galvanique du détecteur qui doit être exposée aux températures élevées, il n'est pas invraisemblable que l'endroit où se situent les connexions avec les fils conducteurs au détecteur soit également soumis à des températures variables et quelque peu élevées.
Par conséquent, il est normalement souhaitable ou nécessaire que les fils conducteurs soient constitués de la même matière que les électrodes pour éviter l'apparition d'effets de thermocouple qui pourraient engendrer des tensions étrangères. Inversement, si les connexions électriques sont réalisées avec une matière qui diffère de la matière constituant l'électrode, la jonction doit être maintenue à l'abri de toutes températures élevées et/ou variables.
Si l'on utilise des fils conducteurs en platine dans l'agencement de connexion décrit dans le brevet des Etats-
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sont nécessaires pour les connexions à un tube même de petit diamètre. Pour les connexions de ce type, on a constaté que le diamètre de fil acceptable minimal était de l'ordre de 0,425 mm. Au prix actuel, le fil conducteur de platine pour réaliser les connexions augmente considérablement le coût du détecteur. L'emploi d'un fil conducteur de plus faible diamètre apporte sa contribution à une rupture aisée et ne permet pas de réaliser un dispositif suffisamment durable.
En outre, une quantité importante de platine non exigée pour la fonction de l'électrode est nécessaire pour amener l'électrode interne par-dessus l'extrémité de la paroi du tube et à l'extérieur du tube. Comme dans le cas du fil conducteur, la pâte ou peinture au platine que l'on utilise typiquement pour former l'électrode est très coûteuse et augmente considérablement le coût du détecteur.
Le but de la demanderesse est d'offrir un détecteur d'oxygène qui pallie ou minimise les problèmes de durabilité et qui minimise la quantité de métaux précieux nécessaires pour la confection des électrodes, des fils conducteurs et des connexions des fils conducteurs.
La présente invention a donc plus particulièrement pour objet un détecteur de pression partielle d'oxygène caractérisé en ce qu'il comprend une paroi d'électrolyte solide , une première et une seconde électrodes appliquées sur les surfaces opposées de ladite paroi, une première et une seconde bandelettes conductrices de l'électricité, qui s'étendent depuis lesdites électrodes respectivement le long desdites surfaces, et un premier et un second fils conducteurs passant à travers la paroi et électriquement connectés aux bandelettes respectives.
On décrira à présent une forme de réalisation de l'invention à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue en élévation latérale d'un détecteur de pression partielle d'oxygène, suivant la présente invention ;
- la figure 2 représente une vue en coupe du détecteur de la figure 1 , prise le long de la ligne 2-2 ; et en
- la figure 3 est une vue partielle agrandie du détecteur représenté sur les figures 1 et 2, montrant des détails de l'agencement pour réaliser les connexions électrode-fil conducteur.
En se référant à présent plus particulièrement aux figures 1 et 2, on voit que le détecteur de pression partielle d'oxygène 10 comprend un élément d'électrolyte céramique ou solide, tubulaire, 11, qui peut être constitué d'oxyde de zirconium stabilisé..On a constaté que l'on obtenait une stabilisation très satisfaisante en dopant l'oxyde de zirconium d'oxyde d'yttrium.
Ainsi que la figure 2 le représente, l'élément tubu-
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re et une seconde extrémités 12 et 13. L'élément tubulaire
11 se présente sous la forme d'une paroi circulaire 14 comportant des surfaces interne et externe 15 et 16 respectivement. L'extrémité 12 est représentée fermée, les parois et la fermeture formant une structure unitaire. Comme décrit dans diverses des références précédemment indiquées, la paroi 14 a la propriété de conduire les ions oxygène. Lorsqu'on l'utilise pour la détection des pressions partielles d'oxygène, une surface de la paroi 14 est exposée à un gaz de référence. L'autre surface est exposée à un gaz dont on doit mesurer la teneur en oxygène.
On applique les électrodes 17 et 18 sur l'élément tubulaire 11, sur ses surfaces interne et externe respectivement, sur des zones proches de l'extrémité 12 de l'élément tubulaire. Les électrodes sont en forme de bandelettes couvrant des zones coextensives sur les surfaces interne et externe. Bien que les zones pourvues d'électrodes ne doivent pas être totalement coextensives, la seule surface avantageusement active de l'électrolyte est celle prise en sandwich entre les électrodes. Au moins l'électrode qui se trouve sur la surface exposée au gaz de composition inconnue est perméable aux ions oxygène et sert également de catalyseur. Le platine constitue une matière appropriée à cette fin. On a constaté que le palladium était également une matière convenant à l'emploi comme électrode.
On présume que la surface externe de l'élément tubulaire 11 est exposée au gaz de composition inconnue et que les électrodes 17 et 18 sont formées en appliquant une pâte ou peinture au platine sur les zones souhaitées des surfaces interne et externe 15 et 16. L'ensemble est ensuite soumis
à un traitement thermique pour chasser le véhicule de la pâte ou de la peinture , de manière à laisser subsister un dépôt de platine poreux. En raison du coût de platine ou des autres matières qui sont appropriées, telles que le palladium, il est souhaitable que la surface sur laquelle on applique la matière constituant l'électrode soit maintenue aussi faible que possible, tout en demeurant compatible avec un rendement adéquat du détecteur.
Une bandelette électriquement conductrice 19 s'étend depuis l'électrode interne 17 le long de la surface interne
15 vers la seconde extrémité 13 de l'élément tubulaire 11. De manière similaire, une bandelette conductrice de l'électricité 20 s'étend depuis l'électrode externe 18 le long
de la surface externe 16 vers la seconde extrémité de l'élément tubulaire. Ces bandelettes sont formées de la même matière que les électrodes, de manière à éliminer tout effet de thermocouple qui pourrait gêner le signal indicateur de la teneur en oxygène. Ainsi que les figures 2 et 3 le représentent et comme on le décrira dans la suite du présent mémoire, il n'est pas nécessaire que les bandelettes 19 et
20 s'étendent totalement jusqu'à l'extrémité 13 de l'élément tubulaire 11, minimisant ainsi la quantité de matière utilisée dans les bandelettes.
Aux fins d'obtention d'un signal qui peut être interprété de manière précise, il est souhaitable de confiner l'action galvanique à une surface limitée dans laquelle on peut maintenir des conditions uniformes. Par conséquent, les bandelettes 19 et 20 sont situées sur des bords opposés d'un plan contenant l'axe 13, de façon qu'il n'y ait pas d'électrolyte pris en sandwich entre elles et qu'elles ne contribuent pas à l'action galvanique. A titre de précaution supplémentaire contre un effet galvanique falsifié ou erroné, on peut recouvrir la bandelette 20 d'un revêtement isolant (non représenté) , comme un verre fortement diélectrique.Un tel revêtement empêche des gaz contenant de l'oxygène d'atteindre la bandelette et élimine par conséquent la possibilité d'une détection accidentelle autre que par l'électrode.
Le revêtement empêche également le courtcircuitage de la bandelette par des pièces ou organes métalliques proches.
Il a été constaté qu'un élément faible des détecteurs d'oxygène antérieurs était la fixation de fils conducteurs aux autres parties du détecteur. Le présent agencement de fixation à décrire dans la suite du présent mémoire assure une fixation des fils conducteurs exceptionnellement résistante et ceci pour un plus faible diamètre de fil et une plus courte longueur de fil , ce qui minimise les dépenses attribuables aux métaux précieux. L'agencement de fixation est le mieux représenté sur la figure 3 qui représente une partie de la paroi 14 et de l'électrode interne 19. Sur l'extrémité d'un fil conducteur 21 à connecter électriquement à la bandelette 19, on a formé une perle 21a . Le fil
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diamètre légèrement supérieur à celui du trou 24 de façon à empêcher de le tirer à travers le trou. Ainsi que la figure
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filée vers l'intérieur à travers le trou 24 et vers l'exté-
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formée après la mise en place du fil conducteur 21 dans les
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ducteur 21 peut faire partie du fil conducteur lors de sa fabrication, ou bien elle peut être glissée en place après la fixation du fil conducteur.
Une dépression est formée dans la paroi 14 à l'extrémité externe du trou 24 pour loger la perle 21a. Un manchon
26 constitué d'un tube électriquement isolant , thermiquement contractile, est placé autour de l'élément tubulaire 11 et des fils conducteurs 21 et 22 et est contracté en place pour davantage assurer les fils conducteurs vis-à-vis des autres organes ou pièces du détecteur. On peut appliquer les bandelettes 19 et 20 avant ou après l'installation des fils conducteurs.Si les bandelettes sont appliquées avant l'installation des fils conducteurs, une seconde application de platine ou de toute autre matière pour électrode est réalisée au-dessus des fils conducteurs aux points de connexion avec les bandelettes
Etant donné que la surface de fixation entre les fils conducteurs et les autres organes ou pièces du détecteur peut être soumise à des températures variables et élevées, il est généralement nécessaire qu'un fil conducteur soit formé de la même matière que l'électrode et la bandelette interconnectées. Les métaux précieux appropriés à la confection d'électrodes et de conducteurs apportent une contribution sensible au coût du détecteur. Par conséquent,
il est souhaitable de minimiser la quantité nécessaire de ces métaux. Avec l'agencement représenté sur les dessins, la demanderesse a constaté que des fils conducteurs d'un diamètre de 0,25 mm formaient un ensemble d'une résistance adéquate, tandis que des fils conducteurs de 4,25 mm de diamètre étaient nécessaires avec des agencements de la technique antérieure. Au surplus, l'agencement de la demanderesse utilise une longueur de fil sensiblement plus courte pour réaliser la fixation. Par conséquent, un agencement qui réduit la longueur et le diamètre de fil nécessaires, réduit sensiblement le coût du détecteur.
REVENDICATIONS
1.- Détecteur de pression partielle d'oxygène, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi d'électrolyte solide, une première et une seconde électrodes appliquées sur les surfaces opposées de ladite paroi, une première et une seconde bandelettes conductrices de l'électricité, qui s'étendent depuis lesdites électrodes respectivement le long desdites surfaces, et un premier et un second fils conducteurs passant à travers la paroi et électriquement connectés aux bandelettes respectives.
Oxygen detector device
The present invention relates, in general, to a device for detecting the oxygen content of a gas of unknown composition and, more specifically, to a partial pressure detector for oxygen.
There is an ever-increasing need for devices to monitor the oxygen content of a gas. In addition, the intensity of interest in this kind of application is also growing rapidly. By way of examples of the possible applications, mention may be made of reducing pollution of exhaust gases from motor vehicles by determining the oxygen content of the exhaust gases and by regulating and maintaining an air-fuel ratio at an optimal value, probing and adjusting the combustion efficiency of burners of all types and probing and adjusting the purity of various gases, such as helium, ensuring that the proportion of oxygen does not exceed one tolerable limit.
A device which has been found to be very suitable for detecting the oxygen content consists of a galvanic cell intended to measure the partial pressures of oxygen. The cell typically includes
a solid ceramic electrolyte in the form of a wall having electrodes on its opposite sides. At least one of the electrodes is formed of a material permeable to oxygen ions and having catalytic properties.
When one side of the cell is exposed to a reference gas and the other side is exposed to a gas whose oxygen content is not known, a voltage occurs between the electrodes which is proportional to the loga- rithm of the partial pressure of oxygen in the gas of unknown composition. The structure and operating principles of these devices are described in great detail in various works, including Weissbart and
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The electrolyte is typically formed from a solid solution of oxides of elements selected from the group consisting of zirconium, thorium and hafnium, which oxides conduct oxygen ions. Such materials are typically stabilized by a substance such as calcium oxide. It was also found that the yttrium oxide provided satisfactory stabilization. The electrodes must be made of a material permeable to oxygen ions, so as to allow these ions to reach the electrolyte. Typically a porous form of platinum is used as the electrode material, since this product is a suitable catalyst and does not oxidize when exposed to the action of high temperatures and oxidizing environments in which the detectors
this guy have to operate.
It is common to give the solid electrolyte the form of a tube through which or around which the gas of unknown composition passes. Devices of this type are described in U.S. Patents No.
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entire inner surface of the tube and extends over one end thereof, so that part of the electrode is disposed on the outer surface of the tube. The conductive wires are fixed by winding the wires around the external surface of the tube in the areas covered by the electrodes. Another arrangement for making electrical connections with a similar internal electrode configuration is described in the United States patent
<EMI ID = 3.1> the ceramic element fits in a clamp or claw which makes contact with the extended internal electrode.
Several disadvantages are inherent in these known methods as in other methods of making electrical connections with the electrodes. These disadvantages are, in part, due to the fact that oxygen detectors of this type have to operate and operate at high temperatures and in otherwise inhospitable environments. Although it is only the part constituting the galvanic cell of the detector which must be exposed to high temperatures, it is not unlikely that the place where the connections with the conductor wires to the detector are located is also subjected to temperatures. variable and somewhat high.
Consequently, it is normally desirable or necessary for the conductor wires to be made of the same material as the electrodes to avoid the appearance of thermocouple effects which could generate foreign voltages. Conversely, if the electrical connections are made with a material which differs from the material constituting the electrode, the junction must be kept away from all high and / or variable temperatures.
If platinum conductor wires are used in the connection arrangement described in the United States patent
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are required for connections to even small diameter tubing. For connections of this type, it has been found that the minimum acceptable wire diameter is of the order of 0.425 mm. At the current price, the platinum conductor wire for making the connections considerably increases the cost of the detector. The use of a conductor wire of smaller diameter makes its contribution to easy breaking and does not allow a sufficiently durable device to be produced.
In addition, a large amount of platinum not required for the function of the electrode is required to bring the internal electrode over the end of the wall of the tube and outside the tube. As in the case of the conductive wire, the platinum paste or paint that is typically used to form the electrode is very expensive and considerably increases the cost of the detector.
The aim of the applicant is to offer an oxygen detector which overcomes or minimizes the problems of durability and which minimizes the quantity of precious metals necessary for the manufacture of the electrodes, of the conducting wires and of the connections of the conducting wires.
The present invention therefore more particularly relates to a partial pressure detector of oxygen characterized in that it comprises a solid electrolyte wall, a first and a second electrode applied to the opposite surfaces of said wall, a first and a second electrically conductive strips, which extend from said electrodes respectively along said surfaces, and first and second conductive wires passing through the wall and electrically connected to the respective strips.
An embodiment of the invention will now be described by way of example only and with reference to the accompanying drawings in which:
- Figure 1 shows a side elevational view of a partial oxygen pressure detector, according to the present invention;
- Figure 2 shows a sectional view of the detector of Figure 1, taken along line 2-2; and in
- Figure 3 is an enlarged partial view of the detector shown in Figures 1 and 2, showing details of the arrangement for making the electrode-conductor wire connections.
Referring now more particularly to FIGS. 1 and 2, it can be seen that the partial oxygen pressure detector 10 comprises a ceramic or solid, tubular electrolyte element, 11, which can be made of stabilized zirconium oxide. It has been found that a very satisfactory stabilization is obtained by doping the zirconium oxide with yttrium oxide.
As shown in Figure 2, the tubular element
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re and a second ends 12 and 13. The tubular element
11 is in the form of a circular wall 14 comprising internal and external surfaces 15 and 16 respectively. The end 12 is shown closed, the walls and the closure forming a unitary structure. As described in various of the references previously indicated, the wall 14 has the property of conducting oxygen ions. When used for the detection of partial oxygen pressures, a surface of the wall 14 is exposed to a reference gas. The other surface is exposed to a gas, the oxygen content of which must be measured.
The electrodes 17 and 18 are applied to the tubular element 11, on its internal and external surfaces respectively, on areas close to the end 12 of the tubular element. The electrodes are in the form of strips covering coextensive zones on the internal and external surfaces. Although the zones provided with electrodes need not be completely coextensive, the only advantageously active surface of the electrolyte is that sandwiched between the electrodes. At least the electrode on the surface exposed to gas of unknown composition is permeable to oxygen ions and also serves as a catalyst. Platinum is a suitable material for this purpose. Palladium has also been found to be a suitable material for use as an electrode.
It is assumed that the external surface of the tubular element 11 is exposed to gas of unknown composition and that the electrodes 17 and 18 are formed by applying a paste or paint with platinum on the desired areas of the internal and external surfaces 15 and 16. L is then submitted
heat treatment to remove the vehicle from the paste or paint, so as to leave a deposit of porous platinum. Due to the cost of platinum or other suitable materials, such as palladium, it is desirable that the surface to which the material constituting the electrode is applied is kept as small as possible, while remaining compatible with adequate performance of the detector.
An electrically conductive strip 19 extends from the internal electrode 17 along the internal surface
15 toward the second end 13 of the tubular member 11. Similarly, an electrically conductive strip 20 extends from the external electrode 18 along
from the external surface 16 towards the second end of the tubular element. These strips are made of the same material as the electrodes, so as to eliminate any thermocouple effect which could interfere with the signal indicating the oxygen content. As FIGS. 2 and 3 show it and as will be described hereinafter, it is not necessary for the strips 19 and
20 extend completely to the end 13 of the tubular element 11, thus minimizing the amount of material used in the strips.
For the purpose of obtaining a signal which can be interpreted precisely, it is desirable to confine the galvanic action to a limited surface in which uniform conditions can be maintained. Consequently, the strips 19 and 20 are situated on opposite edges of a plane containing the axis 13, so that there is no electrolyte sandwiched between them and that they do not contribute to galvanic action. As an additional precaution against a falsified or erroneous galvanic effect, the strip 20 can be covered with an insulating coating (not shown), such as a highly dielectric glass. Such a coating prevents gases containing oxygen from reaching the strip and therefore eliminates the possibility of accidental detection other than by the electrode.
The coating also prevents short-circuiting of the strip by nearby metal parts or organs.
It has been found that a weak element of prior oxygen detectors was the attachment of lead wires to the other parts of the detector. The present fixing arrangement to be described hereinafter provides an exceptionally resistant fixing of the conductive wires and this for a smaller wire diameter and a shorter wire length, which minimizes the expenses attributable to the precious metals. The fixing arrangement is best represented in FIG. 3 which represents a part of the wall 14 and of the internal electrode 19. On the end of a conductive wire 21 to be electrically connected to the strip 19, the formation a pearl 21a. Thread
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diameter slightly greater than that of hole 24 so as to prevent it from being pulled through the hole. As well as the figure
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spun inward through hole 24 and outward
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formed after the introduction of the conductive wire 21 in the
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conductor 21 can be part of the conductive wire during its manufacture, or it can be slid into place after the fixing of the conductive wire.
A depression is formed in the wall 14 at the outer end of the hole 24 to accommodate the bead 21a. A sleeve
26 consisting of an electrically insulating, thermally contractile tube, is placed around the tubular element 11 and the conductive wires 21 and 22 and is contracted in place to further secure the conductive wires vis-à-vis other organs or parts of the detector. The strips 19 and 20 can be applied before or after the installation of the conductive wires. If the strips are applied before the installation of the conductive wires, a second application of platinum or any other material for the electrode is made above the wires. conductors at the connection points with the strips
Since the fixing surface between the conductive wires and the other organs or parts of the detector can be subjected to variable and high temperatures, it is generally necessary that a conductive wire is formed from the same material as the electrode and the interconnected strip. Precious metals suitable for making electrodes and conductors make a significant contribution to the cost of the detector. Therefore,
it is desirable to minimize the amount of these metals required. With the arrangement shown in the drawings, the Applicant has found that conductive wires with a diameter of 0.25 mm formed an assembly of adequate strength, while conductive wires with 4.25 mm in diameter were necessary with prior art arrangements. In addition, the arrangement of the applicant uses a significantly shorter length of wire to achieve the attachment. Therefore, an arrangement which reduces the length and diameter of wire required, significantly reduces the cost of the detector.
CLAIMS
1.- Partial oxygen pressure detector, characterized in that it comprises a solid electrolyte wall, first and second electrodes applied to the opposite surfaces of said wall, first and second conductive strips of the electricity, which extend from said electrodes respectively along said surfaces, and first and second conductive wires passing through the wall and electrically connected to the respective strips.