DE2000949A1 - Vorrichtung zum Messen des Druckes eines Gases - Google Patents
Vorrichtung zum Messen des Druckes eines GasesInfo
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Description
Dr. Herbert Schol? PHN. 3769.
Akte Να PHN- 3769
Anmeldung von» 8· Jan. 1970
Anmeldung von» 8· Jan. 1970
Vorrichtung zum Messen des Druckes eines Gases.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Partialdruckes eines gasförmigen Bestandteiles
in einem Gasgemisch oder des Absolutdruckes eines reinen Gases, welche eine Trennwand enthält, die aus einem
Feststoff besteht, der eine reversibele Reaktion tnxi 'Molekülen
des betreffenden Gases und dabei Ionenleitung aufweist, welche Trennwand zu beiden Seiten mit einer dünnen
metallischen und/oder halbleitenden Elektrodenschicht versehen ist.
Eine derartige Vorrichtung ist z.B. aus J.
Electrochem. 3oc, 10°-, 723-726 (1962) bekannt. Ein derartiger
Feststoff ist z.B. Thoriumoxyd oder stabilisiertes Zir konoxyd, weiche Oxyde Leitung durch Sauerstoffionen aufwei
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BAD
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sen, während die Elektroden aus Edelmetall, wie Platin, bestehen können. Das Gasgemisch, bei dem der Teildruck eines
der Bestandteile gemessen werden muss, befindet sich auf einer Seite der Trennwand. Auf der anderen Seite befindet
sich ein Referenzgas mit einem bekannten konstanten Partialdruck. Wenn Sauerstoffdrücke gemessen werden, wird für dieses
Referenzgas vorzugsweise Luft gewählt. Bei einer anderen k Ausführungsform besteht die Trennwand aus Silberhalogenid,
mit dem Partialdrücke'der betreffenden Halogene gemessen
werden können. Der konstante Referenzdruck kann dadurch erhalten werden, dass auf der Referenzseite eine Silberelektrode
angebracht wird. Eine derartige Wand aus Silberhalogenid, namentlich Silberjodid, KAg. J6., Ag„SJ oder RbAg. J^r*—
kann zum Messen von Schwefeldrücken dadurch geeignet gemacht werden, dass auf der erwähnten Wand eine Silbersulfidschicht
angebracht wird. Bei erhöhter Temperatur und bei gewissen Stoffen bereits bei Zimmertemperatur ergibt sich durch die
Bewegung der Ionen zwischen den beiden Elektroden *>
Ine Spannungsdifferenz E, die für ein zweiatomiges Gas nach dem
RT
Nernstschen Gesetz E = s-« In P1Zp2 von dem Verhältnis der Partialdrücke P1 und p„ abhängig ist. In dieser Gleichung 1st K u.^ e Gaskonstante in Joules/°C, T die Absoluttemperatur, ζ die Wertigkeit des betreffenden Ions und F die Konstante von Faraday in Coulombs. Daraus lässt sich der unbekannte Druck direkt ableiten«
Nernstschen Gesetz E = s-« In P1Zp2 von dem Verhältnis der Partialdrücke P1 und p„ abhängig ist. In dieser Gleichung 1st K u.^ e Gaskonstante in Joules/°C, T die Absoluttemperatur, ζ die Wertigkeit des betreffenden Ions und F die Konstante von Faraday in Coulombs. Daraus lässt sich der unbekannte Druck direkt ableiten«
Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass, weil die EMK der Absoluttemperatur proportional ist, bei Messung
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und Eichung die Temperatur genau konstant gehalten werden
muss, um den Druck aus der gefundenen EMK ableiten zu können
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit Hilfe des elektrischen
Stromes erfolgt, der infolge der zwischen den Elektrodenschichten auftretenden EMK durch ein zwischen diesen
Schichten angebrachtes Widerstandselement fliesst, dessen Widerstandsvert der Absoluttemperatur proportional ist und
das sich in demselben Raum gleichmässiger Temperatur und erforderlichenfalls erhöhter Temperatur wie die Trennwand
befindet.
Durch diese Massnahme wird eine Temperaturstabilisierung überflüssig, wodurch die Vorrichtung erheblich
vereinfacht wird.
Die meisten Reinmetalle, wie Kupfer, Wolfram, Molybdän und Platin, haben einen Temperaturkoeffizienten
von etwa +0,35$ / °C bei Zimmertemperatur und entsprechen
also der obenerwähnten Bedingung, dass der Widerst ancfswert
der Absoluttemperatur proportional ist:
r = k.jT.
E Für den Strom i gilt, dass i = - ist, und wenn
man die vorerwähnte Gleichung für den Widerstand und die Nernst-Gleichung für E darin substituiert, gilt, dass:
1 = 25EJF ln ρ" ist·
wenn dafür gesorgt wird, dass die Innenwiderstände der galvanischen
Zelle und des Strommessers in bezug auf den Widerstand r vernnohlässlßbar sind. In dor letzteren Gleichung
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k -
ist die Terrioeratur nicht anwesend; ausser dem Strom und dem
Druckverhältnis der betreffenden Gasbestandteile zu beiden Seiten der Trennwand enthält sie nur bekannte Konstanten.
Statt des erwähnten Metallwiderstandes kann auch ein Halbleiter verwendet werden, für den vorzugsweise ein
Störstellenhalbleiter mit untiefen Akzeptoren oder Donatoren gewählt wird, so dass die Ladungsträgerkonzentration von der
Temperatur unabhängig ist. Die Beweglichkeit der Ladungs-
Ψ träger wird im betreffenden Temperaturbereich durch thermische
Streuung bestimmt, so dass der Widerstand annähernd mit T /2 proportional ist. Ein Beispiel ist n-leitendes
Siliciumcarbid (siehe van Daal, Phil. Res. Repts., Suppl.
1965» Nr. 3, S. 25). Die etwas zu grosse Temperaturabhängigkeit
des Widerstandes kann für einen beschränkten Temperaturbereich dadurch ausgeglichen werden, dass in Reihe
mit dem in den Raum gleichmässiger Temperatur angeordneten Widerstand r ein ausserhalb dieses Raumes liegender fester
k Widerstand geschaltet wird.
Auch kann ein Widerstand mit negativem Tc -aratu
koeffizienten angewandt werden. Dieser Widerstand muss dann
aber zu dem Strommesser parallel geschaltet werden, während mit der Messvorrichtung ein ausserhalb des Raumes gleichmassiger
Temperatur liegender konstanter Widerstand in Reihe geschaltet sein muss. In gewissen Ausführungen der
Messvorrichtung, bei denen die erwähnte Trennwand aus einem Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
besteht, kann die Trennwand selber als ein derartiger Wider-
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stand benutzt werden. Ein Beispiel ist ZrO„ mit 15
CaO. Der Widerstand dieses Materials ist von T.Y. Tien und E.C, Subbarao (J. Chem. Plays. £2>
10^1 (19°3)) gemessen.
Es ist aber erforderlich, dass die Kontakte, die den verlangten
und als Widerstand wirkenden Teil der Trennwand begrenzen, sich auf derselben Seite der Wand befinden; sonst
würde auch zwischen diesen Kontakten eine EMK aufgebaut werden und würde der Teil des Rohres sich dann nicht wie ein
reiner Widerstand verhalten.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in
der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
In Fig. 1 bezeichnet 1 im Längsschnitt ein Rohr, das aus stabilisiertem Zirkonoxyd, z.B. Zirkonoxyd mit 15
Mol.$ CaO, besteht. In dieses Rohr wird das zu analysierende Gas, z.B. sauerstoffhaltiger Stickstoff, von der rechten
Seite her eingeführt. Auf der Innenseite de Polares befindet
sich eine aus einer porösen Platinschicht be rfcolifrade
Elektrode 2, während auf der Aussenseite ©ine solche i -Ictrode
3 angebracht ist« Diese Schichten können s0Bs durch .
Kathodenzerstäubung aufgebracht wordeia« Das Ganze bsiiudoisicxx
in eine«» Ofen k, l/iderstäiide 6 und 7 «ad ein Lm^-iTO"
messer 3 s.lnd Kwiscliöa d©s>. Bietefcrodaa 2 u&iil 3 oinr^oä%u^i%v^ ο
Der Metallv/J.dorsftasid ö HiIs ©iaea lfairt v7 d<cn* SoB0 ans Ei?μ-fer
hsalchc, hoiiijAec 3l.ch izn Οϊ'θη ±ιι do«ä M
Wi'äui'nfeaji-l '/ aiii, oisiowä Uoz'-i; ϊ1^ a d®
·■■·. ' : v / rmj
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Halbleiter der obeiibeschriebenen Art besteht. Der Wert dieses
Widerstandes ist derart gewählt, dass der zu grosse Temperaturkoeffizient des Halbleiters auf den für den verwendeten
Tempera türboreich richtigen Wert korrigiert wird»
Bei einer praktischen Ausführungsform hatte
die PLatinschicht eine Dicke von 0,1 ,um und betrug die
Temperatur des Ofens etwa 700° C, welche Temperatur aber nicht stabilisiert zu werden brauchte.
In Fig. 2 wird bei einer ähnlichen Vorrichtung die Wand des aus Zirkonoxyd mit 15 Mol.$ CaO bestehenden
Rohres, welches Material einen Widerstand mit negativem
Temperaturkoeffizienten aufweist, als Widerstand benutzt.
Zu dieSfMn Zweck ist ein Teil des Rohres mittels der Kontak
te 9 und IO zu dem Messkreis parallel geschaltet. Im Messkreis nusserhalb des Ofens befindet sich ein weiterer Wider
stand 7) warnend der Innenwiderstand des Strommessers 5 mit
8 bezeichnet um rd.
Ii,-, 1 /,««igt eine ähnliche Vorrich km, , bei der
ein Wiilftt -. i.,: :id skontak t 1 1 vorgesehen ist, während mw f^sskontakt
'i .·;;!■"'i i"!. .ti,-: der andere tfiderst.andskontak;. benutzt
π·... ι ■ i :( dl., .',i-H ,'.WU-U ίί-( der Messkontakt 3 in bezug
auf '. . ι :-.;i ■'. ■■■' r . .; f-t.V'.i:i ν .■flär.^r-fi ,
;' ■ i ■ ■ - . κ ι i >;« i ,'':n An s ftJhrungJif orni hatte
dtM- ;';, : . .'.- , i .; . .. ■ ■..■ \ ,ι, ι '■■■■·■■ :■' · ■;■ Iu-Tj, In einem BeiT.
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*- 7 —·
Der Wert des InnenwiderStandes 8 des Strommes-.
sers 5 war 1000 Sl und der des festen Widerstandes 7
Der Abstand zwischen den Elektroden 11 und 3 betrug etwa
2 cm. Dabei wird ein Widerstand von 1^.000 Sl abgegrenzt.
Der spezifische Widerstand des verwendeten mit
15 Mol.$ CaO stabilisierten Zirkonoxyds beträgt 500 .TL .cm.
—A/kT
Dieser Wert ist von der Temperatur nach R = R-.e abhängig,
wobei A einen Wert von 1,2 eV hat. Daraus folgt ein Temperaturkoeffizient mit einem Wert ä.-tä = -
R dT
Eine geringe Temperaturänderung von einigen 0C führte bei
der erwähnten Bemessung nahezu keinen Messfehler herbei; bei einer grösseren Temperatürabweichung von 50° C trat ein
Messfehler auf, der aber etwa dreimal kleiner als der Fehler war, der auftrat, wenn der erwähnte Ausgleichskreis
nicht verwendet wurde.
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Claims (5)
1.J Vorrichtung zum Messen des Partialdruckes eines
\.
gasförmigen Bestandteiles in einem Gasgemisch, oder des Absolutdrückes eines reinen Gases, welche Vorrichtung eine Trennwand enthält, die sich in einem Raum gleichmässiger, erforderlichenfalls erhöhte* Temperatur befindet und aus mindestens einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mit Molekülen des betreffenden Gases und dabei Ionenleitung aufweist, welche Trennwand zu beiden Seiten mit einer Elektrodenschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit Hilfe des elektrischen Stromes erfolgt, der infolge der zwischen den Elektrodenschichten (2,3) auftretenden EMK durch ein zwischen diesen Schichten angebrachtes Widerstandselement flieset, dessen Widerstandswert der Absolut temperatur proportional ist und das sich in demselben Raum gleichmässiger Temperatur und erforderlichenfalls erhöhter Temperatur wie die Trennwar;-" befindet· P
gasförmigen Bestandteiles in einem Gasgemisch, oder des Absolutdrückes eines reinen Gases, welche Vorrichtung eine Trennwand enthält, die sich in einem Raum gleichmässiger, erforderlichenfalls erhöhte* Temperatur befindet und aus mindestens einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mit Molekülen des betreffenden Gases und dabei Ionenleitung aufweist, welche Trennwand zu beiden Seiten mit einer Elektrodenschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit Hilfe des elektrischen Stromes erfolgt, der infolge der zwischen den Elektrodenschichten (2,3) auftretenden EMK durch ein zwischen diesen Schichten angebrachtes Widerstandselement flieset, dessen Widerstandswert der Absolut temperatur proportional ist und das sich in demselben Raum gleichmässiger Temperatur und erforderlichenfalls erhöhter Temperatur wie die Trennwar;-" befindet· P
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekrnnzeichnet,
dass das Widerstandselement aus einer Kombiii tion
eines innerhalb des Raumes befindlichen Halbleiters (6) und eines ausserhalb dieses Raumes liegenden festen Widerstandes
(7) besteht.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Wideretandseleraent aus einer Kombination eines
in dem Raum erhöhter Temperatur befindlichen Wideretande· mit negativem Temperaturkoeffizienten, der zu dem Strotnmeeekreis
parallel geschaltet ist, und eines ausserhalb diesee Raumes liegenden und in Reihe mit dem Messkreie geschal-
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PHN. 3769.
- 9 -
teten festen Widerstandes besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand aus einem Material mit einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht und zu
dem Strommesskreis parallel geschaltet wird, und dass Kontakte
(9» 1O), die den gewünschten Teil der Trennwand begrenzen,
auf derselben Seite dieser Wand vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k, dadurch
gekennzeichnet, dass die Trennwand auf einer Seite einen Kontakt (2) und auf der anderen Seite zwei Kontakte (3,11) trägt,
wobei die letzteren Kontakte (3»11) zu dem Strommesskreis
parallel geschaltet sind und der erstere Kontakt (2) über einen festen Widerstand (7) mit dem Strommesskreis verbunden
ist.
>¥■
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- 10 AUSZUG.
Vorrichtung zum Messen des Partialdruckes oder des Absolutdruckes eines Gases, die eine Trennwand enthält,
die aus einem Werkstoff besteht, der eine reversible Reaktion mit den Gasmolekülen und dabei Ionenleitung aufweist,
wobei die Messung mit Hilfe des Stromes erfolgt, der zwischen Elektroden zu beiden Seiten der Vand über einen Widerstand
fliesst, dessen Wert der Absoluttemperatur proportional ist.
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