DE19610911A1 - Gassensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, mit einem Gassensor, der eine Meßkammer mit mindestens einer von einem Festelektrolyten gebildeten Wandung aufweist und der mindestens eine in der Meßkammer angeordnete erste Elektrode und mindestens eine zweite mit dem Gasgemisch in Kontakt stehende Elektrode aufweist und mit einer Regeleinheit, die dazu vorgesehen ist, im Betrieb eine Pumpspannung an die Elektroden anzulegen, um so einen Pumpstrom zu erzeugen.

Derartige als "Pumpsonden" bezeichnete Gassensoren werden insbesondere zur Messung des Sauerstoff-Partialdruckes in der den Sensor umgebenden Atmosphäre eingesetzt. Sie nutzen den Effekt, daß an zwei mit Katalysatormaterial belegten Elektroden, die an den beiden einem unterschiedlichen Sauerstoff-Partialdruck ausgesetzten Grenzflächen eines aufgeheizten Festelektrolyten (insbesondere Zirkondioxid) anliegen, wegen der Diffusion von Sauerstoffionen eine elektrische Spannung (Nernst′sche Spannung) meßbar ist. Die Höhe dieser Nernst′schen Spannung ist ein Maß für den Unterschied der Konzentrationen des zu messenden Gases auf beiden Seiten des Festelektrolyten und damit ein Maß für den relativen Gehalt des Sauerstoffes.

Es sind Pumpsonden mit einer Meßkammer bekannt, die einen Platinring aufweisen, der auf beiden Seiten von einer scheibenförmigen Schicht Zirkondioxid umgeben ist. Die zwischen den beiden Scheiben dieses Festelektrolyten im Inneren des Platinringes gebildete Meßkammer ist mit einem Gas gefüllt, das einen unbekannten Sauerstoff-Partialdruck hat. Eine der beiden Scheiben ist mit einer Stromquelle verbunden, deren Stromrichtung umkehrbar ist. Wird die Stromquelle eingeschaltet fließt ein Strom, der je nach Polung der Stromquelle aus der Meßkammer heraus oder in die Meßkammer hinein gerichtet ist. Der Strom wird als "Pumpstrom" bezeichnet. Der eine mit der Stromquelle verbundene Festelektrolyt dient somit als Sauerstoffpumpe.

Über der anderen zweiten Scheibe stellt sich aufgrund des durch das Pumpen mitverursachten relativen Unterschiedes zwischen den Sauerstoffkonzentration innerhalb und außerhalb der Meßkammer eine meßbare Nernst′sche Spannung ein. Die Nernst′sche Spannung wird an Elektroden, die auf beiden Seiten der zweiten Scheibe anliegen gemessen. Um die katalytisch angeregte Ionisation des Sauerstoffes und die Diffusion der Ionen durch den Festelektrolyten zu ermöglichen sind Temperaturen von etwa 700°C notwendig. Um diese Temperaturen zu erzeugen ist in direkter Nähe der Meßkammer eine Heizwendel angebracht, die über einen angelegten Strom betreibbar ist.

Nachteilig an den beschriebenen Pumpsonden ist, daß sie sehr aufwendig herzustellen sind. Dazu trägt insbesondere die in der Nähe der Meßkammer anzuordnende Heizwendel bei, die ein empfindliches Bauteil ist und daher besonders sorgsam gehandhabt werden muß. Außerdem muß sie präzise justiert werden, um die gewünschten Heizeigenschaften zu bieten. Mit der extern angeordneten Heizwendel ist der Sensor äußerst empfindlich gegen Beschädigung.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Pumpsonden ist, daß sie wegen ihres aus Zirkondioxid bestehenden Festelektrolyten im Wesentlichen auf die Messung von Sauerstoff beschränkt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases in der umgebenden Atmosphäre mittels eines Gassensors zu schaffen, der bei hoher Genauigkeit robust ist, kleine Abmessungen hat und der fertigungstechnisch einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem besonderen Gassensor ist, daß aufgrund der Verwendung eines unterbrochenen Pumpstromes die Messung der Nernst′schen Spannung und das Pumpen der Ionen an ein und derselben Schicht des Festelektrolyten stattfinden kann. Ein zweiter Festelektrolyt ist somit überflüssig. Auf der freien Wand der Meßkammer kann nun eine Heizung angebracht werden. Mit der direkt an der Wand befindlichen Heizung ist der Gassensor besonders robust und außerdem kostengünstig herstellbar. Der Gassensor zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß seine Kalibrierung an der atmosphärischen Luft erfolgt und keine Referenzgase nötig sind. Der Gassensor ist aufgrund seiner kleinen und robusten Bauart überall einsetzbarer und dabei äußerst zuverlässig und von einer hohen Meßgenauigkeit.

Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die den Pumpstrom erzeugende Pumpspannung an denselben Elektroden angelegt wird, an denen auch die Messung der Nernst′schen Spannung geschieht. Durch das Einsparen weiterer Elektroden entsteht eine besonders kostengünstigen Ausführungsform des Sensors. Die Elektroden, die mit Katalysatormaterial wie Platin bedeckt oder aus Katalysatormaterial geformt sein können, werden günstigerweise direkt auf den Oberflächen des Festelektrolyten angebracht um einen hohen Pumpstrom durch effektive Ionisation des zu messenden Gases zu erzielen. In einer besonderen Ausführungsform ist die gesamte Oberfläche des Festelektrolyten mit einer Katalysatorschicht bedeckt.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Pumpstrom in Pulsen anzulegen. Die Höhe, die Frequenz und die Länge der Pulse ist durch die Regeleinheit einstellbar. Die Pulse haben in einer besonderen Ausführungsform eine Höhe zwischen etwa 20 und 60 Mikroampere. Die Pulsdauer und der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen liegt dabei im Bereich von Millisekunden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen kann eine Meßeinheit die Nernst′sche Spannung an den Elektroden messen. Um die Handhabung der Vorrichtung zu vereinfachen sind die Regeleinheit und die Meßeinheit in einer Baugruppe zusammengefaßt. Das Meßprinzip erlaubt es, die Konzentration des zu messenden Gases ständig zu überwachen.

In einer vorteilhaften Ausführung ist der Gassensors als Sandwich verschiedener plattenförmiger Flächenelemente gefertigt, die insbesondere aufeinandergeklebt sind. Dazu ist auf eine als Grundplatte ausgebildete Trägerschicht aus Keramik eine ebenso große Platte aus Platin aufgebracht, die in der Mitte eine Ausnehmung hat und so die Gestalt eines Rahmens aufweist. Die eine Seite der Ausnehmung ist mit der Grundplatte verschlossen, während die andere Seite mit einer Platte aus Festelektrolyt bedeckt ist, so daß eine geschlossene Meßkammer entsteht.

Es ist vorteilhaft, die Grundplatte mit einer Heizung zu versehen, die beispielsweise als Heizschlange direkt auf die Grundplatte aufgeklebt ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, gleichzeitig einen Temperaturfühler auf die Grundplatte aufzubringen, um damit die Temperatur des Gassensors zu kontrollieren. Der als Sandwich gefertigte Gassensor insbesondere die aus drei Platten aufgebaute Meßkammer wird vorteilhafterweise im Dickschichtverfahren hergestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet es sich an, statt Zirkondioxid einen anderen Festelektrolyten beispielsweise Silberchlorid oder ein Sulfat einzusetzen. Damit wird die Messung von Gasen wie Schwefeldioxid oder Chlor ermöglicht.

Es bietet sich an, die Meßeinheit so auszulegen, daß am Ausgang keine Spannung anliegt solange der Meßwert einem einstellbaren Wert (etwa 21% Sauerstoff in der Umgebungsluft) entspricht. Sobald der Gehalt von Sauerstoff in der Umgebung ab- und damit der Gehalt eines anderen Gases zunimmt steigt der Wert des Ausgangssignales, das damit ein direktes Maß für den Anteil eines Fremdgases ist. Ein ursprünglich als Sauerstoffsensor konzipierter Gassensor dient mit einer derartigen rechnerunterstützten elektronischen Steuerung als Detektor für andere Gase. Die Sensitivität auf besondere Gase kann außerdem durch eine genaue Regelung der Temperatur erhöht werden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassensors ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung mit Gassensor,

Fig. 2 einen in Dickschichttechnik gefertigten Gassensor.

In Fig. 1 ist ein Gassensor 1 dargestellt, der primär für die Messung von Sauerstoff ausgelegt ist. Der Gassensor 1 hat eine Meßkammer 2, in der ein Sauerstoffpartialdruck P2 herrscht. Die Meßkammer 2 ist abgedeckt von einer Schicht Festelektrolyt 3 (Zirkondioxid), die auf der Außenseite mit einer Schicht 4 Platin belegt ist. Auf der anderen Seite ist die Meßkammer 2 von einer Grundplatte 5 begrenzt, die in diesem Ausführungsbeispiel aus Keramik oder Glas besteht. Auf die Grundplatte 5 ist ein Heizelement 4 aufgeklebt, das eine in Keramik eingebettete Heizwendel aufweist. Die über eine Leitung 6 mit Strom versorgt wird.

Zwischen der Grundplatte 5 und dem Festelektrolyten 3 sind Abstandshalter 7 aus Glas, Metall oder Keramik angeordnet. Seitlich ist die Meßkammer 2 von Seitenwänden 8 umgeben. Um den mit Platin bedeckten Festelektrolyten 3 zu schützen, ist zur Außenseite hin eine Schutzschicht 9 aus poröser Keramik angebracht. Um den Gassensor herum herrscht ein Sauerstoffpartialdruck P1. In die Meßkammer 2 ist eine Elektrode 10 eingebracht die mit Platin bedeckt und auf der Innenseite des Festelektrolyten 3 angebracht ist. Entsprechend ist auf der Außenseite des Festelektrolyten 3 eine Elektrode 11 aufgebracht. Die Elektroden sind über Kabel 12 mit einer Meß- und Regeleinheit 13 verbunden, die eine stromgeregelte Spannungsquelle 22 aufweist, deren Ausgangsspannung umkehrbar ist. Die am Festelektrolyten 3 anliegende Spannung (Nernst′sche Spannung) ist an einem Meßgerät 14 meßbar.

Fig. 2 zeigt einen Gassensor 15, der nach demselben Prinzip arbeitet, der jedoch im Dickschichtverfahren gefertigt ist. Auf eine Grundplatte 16 aus Keramik ist ein mit Platin beschichteter Festkörperelektrolyt 17 aufgeklebt. Dieser bedeckt eine Seite eines Rahmens 18 aus Platin. Die andere Seite des Rahmens 18 ist von einer weiteren Keramikplatte 19 bedeckt. Die zwischen dem Festkörperelektrolyten 17 und der Keramikplatte 19 befindliche Ausnehmung des Rahmens 18 bildet eine Meßkammer 20. Auf die Keramikplatte 19 ist eine Heizwendel 21 aufgebracht. Die nicht dargestellten Elektroden sind wiederum auf beiden Seiten des Festkörperelektrolyten 17 angeordnet. Die Stromversorgung entspricht der nach dem vorherigen Ausführungsbeispiel.

Das für beide Gassensoren angewendete Meßprinzip ist im folgenden beschrieben:

Aufgrund der unterschiedlichen Drücke P1 und P2 hat die Nernst′sche Spannung einen Basiswert der in diesem Ausführungsbeispiel bei etwa 40 mV liegt. Sobald die Meß- und Regeleinheit 13 Spannungspulse an die Elektroden anlegt fließt ein entsprechend gepulster Pumpstrom. Dabei regelt die Regeleinheit 13 auf die Stromstärke des Pumpstromes. Nach jedem Strompuls mißt die Meßeinheit 13 die Nernst′sche Spannung zwischen den Elektroden. Da der Pumpstrom die Sauerstoffionen in diesem Ausführungsbeispiel aus der Meßkammer treibt steigt die Nernst′sche Spannung an. Die Meßeinheit kontrolliert das Ansteigen der Nernst′schen Spannung und veranlaßt die Regeleinheit dazu beim Erreichen eines bestimmten Wertes (beispielsweise 90 mV) die Pumpspannung umzupolen und damit den Pumpstrom umzukehren. wiederum kontrolliert die Meßeinheit die Änderung der Nernst′schen Spannung, die sich nun in einem Abfall bemerkbar macht. Sobald die Nernst′sche Spannung auf den ursprünglichen Basiswert abgefallen ist, beginnt der Prozeß von neuem mit einer Umkehr des Pumpstromes.

Die Meßeinheit registriert außerdem die Zeit, die bis zum erneuten Erreichen des Basiswertes vergangen ist. Liegt diese Zeit nicht in einem durch die Normalkonzentration des zu messenden Gases bestimmten vorgebbaren Zeitintervall (Zeitfenster), so hat sich die Konzentration des zu messenden Gases proportional zur Änderung des Zeitintervalls geändert. Diese Änderung wird von der Meßeinheit registriert und in eine Konzentration des zu messenden Gases umgerechnet.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft,

• - mit einem Gassensor (1), der eine Meßkammer (2) mit einer von einem Festelektrolyten (3) gebilden Wandung aufweist und der mindestens ein Elektrodenpaar (10, 11) aufweist, dessen eine innere Elektrode (10) in der Meßkammer (2) angeordnet ist und dessen andere äußere Elektrode (11) mit dem Gasgemisch in Kontakt steht und
• - mit einer Regeleinheit (13), die dazu vorgesehen ist, im Betrieb eine Pumpspannung an ein dem Festelektrolyten (3) zugeordneten Elektrodenpaar (10, 11) anzulegen, um so einen Pumpstrom zu erzeugen,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Regeleinheit (13) den Pumpstrom zeitweise unterbricht und
• - daß eine Meßeinheit (13) vorgesehen ist, die in der stromfreien Zeit die durch eine Nernst′sche Spannung erzeugte Potentialdifferenz zwischen einem dem Festelektrolyten (3) zugeordneten Elektrodenpaar (10, 11) mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 11) eines Elektrodenpaares an den Festelektrolyten (3) angrenzen und ein Katalysatormaterial (4), insbesondere Platin, aufweisen.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Festelektrolyten (3) ein einziges Elektrodenpaar (10, 11) zugeordnet ist über das der Pumpstrom einstellbar ist und über das die Potentialdifferenz meßbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (13) den Pumpstrom zwischen den beiden Elektroden (10, 11) des Elektrodenpaares in Strompulsen einer einstellbaren Stromstärke und einer einstellbaren Frequenz anlegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit und die Meßeinheit in einer Baugruppe (13) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinheit (13) den gepulsten Pumpstrom solange anlegt bis die Nernst′sche Spannung von einem Basiswert ausgehend einen vorgebbaren Grenzwert erreicht und bei Erreichen des Grenzwertes die Stromrichtung umkehrt bis sich der Basiswert wieder eingestellt hat.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen zwei aufeianderfolgenden Basiswerten liegende Zeitintervall von der Meßeinheit (13) meßbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (13) feststellt, wenn sich die Länge des Zeitintervalles im Verhältnis zur letzten Messung ändert.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (20) von einem Rahmenteil (18) mit einer Ausnehmung gebildet ist, das auf der einen Seite mit einer Trägerplatte (19) insbesondere aus Keramik und das auf der anderen Seite mit einem Festkörperelektrolyten (16) bedeckt beispielsweise mit ZrO₂ ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rahmenteil (18) die Trägerplatte (19) und der Festelektrolyt (16) aufeinandergeklebte Flächenelemente sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (20) im Dickschichtverfahren gefertigt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor mit einem Heizelement (4) insbesondere mit einer aufgeklebten Heizwendel (21) beheizbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt ZrO₂ ein anderer Festelektrolyt (3, 16) insbesondere AgCl oder ein Sulfat verwendet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (3, 16) mit einer Katalysatorschicht (4) insbesondere aus Platin bedeckt ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßkammer (2, 20) ein Temperaturfühler angebracht ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit (13) ein Ausgangssignal erzeugt, das bei einem einstellbaren Sauerstoffgehalt gleich Null ist und bei sinkendem Sauerstoffgehalt ansteigt.

17. Verfahren zur Bestimmung des Partialdrucks eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere in Luft, mit einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

• - Anlegen eines gerichteten Pumpstromes zwischen der ersten vom Gasgemisch umgebenen Elektrode und der zweiten in der Meßkammer angeordneten Elektrode zum Einstellen eines Partialdruckunterschiedes,
• - abschalten des angelegten Pumpstromes,
• - messen der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode,
• - vergleichen der gemessenen Spannung mit einer ersten oder mit einer zweiten eingestellten Sollspannung,
• - bei Nichtübereinstimmung von gemessener Spannung mit Sollspannung erneutes Anlegen des Pumpstromes sonst Umrichten des Pumpstromes.

18. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Messung von SO₂ und/oder von Cl₂.