DE19621433A1 - Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken - Google Patents
Sensor zum Messen von SauerstoffpartialdrückenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken
basierend auf dem "Limiting Current"-Prinzip, bestehend aus einer Sauerstoffpumpzelle,
welche mit einer Gasdiffusionsbarriere gasdicht verbunden ist.
Bei Sauerstoffsensoren basierend auf dem "Limiting Current"-Prinzip werden an ein
Zirkoniumoxidelement an zwei gegenüberliegenden Seiten Elektroden angeordnet und an die
somit entstandene Zirkoniumoxid-Zelle Spannung angelegt, wodurch Sauerstoff von der
Kathode zur Anode der Zelle "gepumpt" wird, da der Ladungstransport im Inneren der Zelle
von Sauerstoffionen durchgeführt wird. Bei Erhöhung der angelegten Spannung erreicht der
Strom einen vom Sauerstoffgehalt der die Zelle umgebenen Atmosphäre abhängigen
Sättigungswert.
Bei dieser einfachen Ausführungsform des Sensors ist der Sättigungsstrom nicht stabil, da er
direkt von der Zersetzung der Kathode abhängt. Daher wird die Kathode von einer
Diffusionsbarriere umgeben. Diese ist gasdicht ausgeführt und mit einer kleinen Bohrung
versehen, durch die die Atmosphäre zur Kathode gelangen kann. Die Bohrung ist so klein
ausgeführt, daß der erreichte Sättigungsstrom von der Gasdiffusion durch diese Bohrung
allein abhängt. Eine leichte Zersetzung der Kathode beeinflußt dabei den Wert des
Sättigungsstromes nicht.
Da die Sauerstoffionenleitfähigkeit der Zelle stark von der Temperatur abhangt, ist bei fast
allen Sauerstoffsensoren aus Zirkonoxid eine Heizung für den Sensor vorgesehen.
Bei bisher bekannten Ausführungsformen solcher Sauerstoffsensoren besteht die
Gasdiffusionsbarriere ebenso wie die Sauerstoffpumpzelle aus Zirkoniumoxid. Dieser
Werkstoff hat jedoch einen hohen Preis und ist schwierig zu bearbeiten, insbesondere ist es
schwierig, eine Bohrung mit genügend kleinem Durchmesser anzufertigen.
Aus diesen Gründen wird durch die Diffusionsbarriere, die wesentlich großvolumiger als die
Sauerstoffpumpzelle ausgeführt werden muß, der Sensor relativ teuer.
Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem die
Gasdiffusionsbarriere leicht zu bearbeiten, insbesondere auf einfache Weise mit einer
Bohrung mit kleinem Durchmesser versehbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Gasdiffusionsbarriere aus einem
Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe Glas, Metall bzw. Glaskeramik, besteht.
Diese Materialien haben einen wesentlich niedrigeren Preis als Zirkoniumoxid und sind
leichter zu bearbeiten, im besonderen können kleinere Bohrungen als in Zirkoniumoxid
angefertigt werden. Dadurch kann die Betriebstemperatur des erfindungsgemäßen Sensors
niedriger gehalten werden als bei einem Sensor mit Zirkoniumoxid-Diffusionsbarriere und
somit eine geringere Leistungsaufnahme sowie eine Erhöhung der Zuverlässigkeit erreicht
werden.
Die aufgezählten Materialien weisen aber dennoch alle, zur Ausbildung als
Gasdiffusionsbarriere notwendigen Eigenschaften auf.
In diesem Zusammenhang kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß die
Sauerstoffpumpzelle mit der Diffusionsbarriere mittels Glas gasdicht verbunden ist.
Damit kann auf einfache Weise eine absolut gasdichte Verbindung zwischen
Sauerstoffpumpzelle und Diffusionsbarriere geschaffen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß als
Heizung für den Sensor an der Außenseite der Diffusionsbarriere mit Platin-Anschlußdrähten
versehene Platin-Bahnen angeordnet sind.
Auf diese Weise ist die Heizung einfach herstellbar und erlaubt aufgrund der direkten
Anordnung auf der Diffusionsbarriere eine effektive Aufheizung des Sensors.
Vorteilhaft kann es in weiterer Ausbildung der Erfindung sein, daß als Zugentlastung für die
Platin-Anschlußdrähte an der Oberfläche der Diffusionsbarriere bzw. an der Oberfläche der
Sauerstoffpumpzelle die Platin-Anschlußdrähte jeweils umschließende Elemente aus
Glaspaste angeordnet sind.
Diese Zugentlastung ist einfach herzustellen und bietet einen effektiven Schutz vor unzulässig
hohen Zugbelastungen.
In diesem Zusammenhang kann eine weitere Ausführungsform der Erfindung darin bestehen,
daß zur gegenseitigen Anpassung der Materialeigenschaften des Glases und der Glaspaste
selbige aus einer Mischung verschiedener Glaspulver und organischer Binder gebildet sind.
Durch diese Maßnahme können beide Materialien gemeinsam verarbeitet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß das Glas und die
Glaspaste aus Werkstoffen, ausgewählt aus der Gruppe SiO₂, Na₂O3, BaO, K₂O, Al₂O₃ und
B₂O₃ bestehen.
Durch diese Zusammensetzung ergibt sich ein Glas mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der an den der aus Zirkoniumoxid gebildeten
Sauerstoffpumpzelle angepaßt ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in der Zeichnung im Schnitt dargestellten
bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors beschrieben.
Die Sauerstoffpumpzelle 1 weist eine vorzugsweise zylinderformige, aus einem
sauerstoffionenleitenden Material, z. B. mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkoniumoxid
gebildete Platte 20 auf. An der Ober- und Unterseite dieser Platte 20 sind Platin-Elektroden 4,
5 angeordnet, die über Platin-Drähte 6, 12 mit einer Spannungsquelle 11 verbunden sind.
Eine Aussage über die Größe des zu messenden Sauerstoffpartialdruckes erhält man durch
Auswertung des Stromes, den die Spannungsquelle 11 an den Sensor liefert. Bei der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung erfolgt diese Auswertung mit Hilfe
eines Amperemeters 13.
Die Sauerstoffpumpzelle 1 ist mittels eines Glases 3 gasdicht mit einer Diffusionsbarriere 2
verbunden.
Die Diffusionsbarriere 2 besteht aus einem gasdichten mit einer Bohrung 7 ausgebildeten
Werkstoff. Bevorzugt handelt es sich bei diesem Werkstoff um Glaskeramik. Prinzipiell
können als Werkstoffe im Sinne der Erfindung solche verwendet werden, die aufweisen:
- 1.) annähernd denselben Wärme-Ausdehnungskoeffizienten wie die Sauerstoffpumpzelle 1;
- 2.) eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 700°C;
- 3.) eine vollkommene Gasdichtheit;
- 4.) eine leichte Bearbeitbarkeit;
- 5.) Möglichkeit der Fertigung von Bohrungen mit kleinstem Durchmesser und
- 6.) einen niedriger Preis.
Glaskeramik erfüllt diese Anforderungen in besonders guter Weise, insbesondere können bei
diesem Material Bohrungen mit kleineren Durchmessern als bei Zirkoniumoxid angefertigt
werden; alternativ erfüllen aber auch Glas und Metall die gestellten Anforderungen.
Glaskeramik weist zusätzlich eine besonders gute Benetzbarkeit mit dem Glas 3 auf, wodurch
mögliche Undichtheiten zwischen dem Glas 3 und der Diffusionsbarriere 2 vermieden
werden.
Die Heizung für den Sensor ist an der Außenseite der Diffusionsbarriere 2 angeordnet. Sie
besteht wie die Elektroden der Sauerstoffpumpzelle 1 aus Platin-Bahnen 8, die über Platin-
Drähte 9 an eine Spannungsquelle angeschlossen sind.
Als Zugentlastung für die Platin-Anschlußdrähte 9, 6 sind an der Oberfläche der
Diffusionsbarriere 2 bzw. an der Oberfläche der Sauerstoffpumpzelle 1 die Platin-
Anschlußdrähte 6, 9 jeweils umschließende Elemente aus Glaspaste 10 angeordnet.
Die Zusammensetzungen des Glases 3 und der die Zugentlastungen bildenden Glaspaste 10
werden so gewählt, daß ahnliche, an die Glaskeramik angepaßte thermische Eigenschaften
dieser Materialien vorliegen. Damit wird erreicht, daß beide Werkstoffe, Glaspaste 10 und
Glas 3, in einem Herstellungsschritt gemeinsam verarbeitet, d. h. verschmolzen, werden
können.
Das Glas 3 und die Glaspaste 10 werden aus einer Mischung verschiedener Glaspulver und
organischer Binder gebildet.
Als günstig hat sich erwiesen, daß das Glas 3 und die Glaspaste 5 aus Werkstoffen,
ausgewählt aus der Gruppe SiO₂, Na₂O₃, BaO, K₂O, Al₂O₃ und B₂O₃ bestehen, wobei ein
Mischungsverhältnis von 55% SiO₂, 5% Na₂O3, 17% BaO, 6% K₂O, 3% Al₂O₃, 14%
B₂O₃ ein Glas, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient besonders gut an den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Sauerstoffpumpzelle angepaßt ist, ergibt. Um
dieses Pulver verpreßbar zu machen, wird als Bindemittel ca. 5% Plextol beigemengt.
Claims (6)
1. Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken basierend auf dem "Limiting
Current"-Prinzip, bestehend aus einer elektrochemischen Sauerstoffpumpzelle (1),
welche mit einer Gasdiffusionsbarriere (2) gasdicht verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionsbarriere (2) aus einem Werkstoff, ausgewählt
aus der Gruppe Glas, Metall bzw. Glaskeramik, besteht.
2. Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sauerstoffpumpzelle (1) mit der Diffusionsbarriere (2) mittels
Glas (3) gasdicht verschmolzen ist.
3. Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß als Heizung für den Sensor an der Außenseite der
Diffusionsbarriere (2) mit Platin-Anschlußdrähten (9) versehe Platin-Bahnen (8)
angeordnet sind.
4. Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß als Zugentlastung für die Platin-Anschlußdrähte (9, 6)
an der Oberfläche der Diffusionsbarriere (2) bzw. an der Oberfläche der
Sauerstoffpumpzelle (1) die Platin-Anschlußdrähte (6, 9) jeweils umschließende
Elemente aus Glaspaste (10) angeordnet sind.
5. Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zur gegenseitigen Anpassung der Materialeigenschaften
des Glases (3) und der Glaspaste (10) selbige aus einer Mischung verschiedener
Glaspulver und organischer Binder gebildet sind.
6. Sensor zum Messen von Sauerstoffpartialdrücken nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Glas (3) und die Glaspaste (5) aus Werkstoffen, ausgewählt
aus der Gruppe SiO₂, Na₂O₃, BaO, K₂O, Al₂O₃ und B₂O₃ bestehen.
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