DE2000949C3 - Vorrichtung zum Messen des Druckes eines Gases - Google Patents
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Description
is
Die Erfindung beziehl sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Partialdruckes eines gasförmigen Bestandteiles
in einem Gasgemisch oder des Absolutdruckes eines reinen Gases, welche Vorrichtung eine Trennwand
enthält, die sich in einem Raum gleichmäßiger, erhöhter Temperatur befindet und aus mindestens
einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mil Molekülen des betreffenden Gases und dabei
loncnleitung aufweist, welche Trennwand /u beiden
Seilen mil einer Elcktrodcnschichl versehen ist, und
wobei sich in dem l.citcrkrcis ein Widcrstandsclement
und außerhalb des Raumes ein Strommesser befinden.
Mine derartige Vorrichtung ist /.H. aus der IIS-PS
Für den Strom / gilt, daß /'= — ist. und wenn man die
vorerwähnte Gleichung für den Widerstand und die Nernst-Gleichunß für Edarin substituiert, gilt, daß:
'= 2J1F1"
ist, wenn dafür gesorgt wird, dal.) die Innenwiclcrsiändc
der galvanischen Zelle und des Strommessers in bezug auf den Widerstand r vernachliissigbar sind. In der
let/.tercn Gleichung kommt die Temperatur nicht vor;
außer dem Strom und dem Druckverhällnis der
betreffenden Gasbestandteile zu beiden Seiten der Trennwand enthält sie nur bekannte Konstanten,
Statt eines solchen Metallwiderstandes mit einer
linearen Widerstands-Temperatur-Abhängigkeit 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 Ladungsträger wird
im betreffenden Temperaturbereich durch thermische Streuung bestimmt, so daß der Widerstand annähernd
mit Tm proportional ist. Ein Beispiel ist n-leitendes
Siliciumcarbid (siehe van D a a I, Phil. Res. Repts.,
Suppl. 1965, Nr. 3, S. 25). Die etwas zu große Temperaturabhängigkeil des>
Widerstandes kann für einen beschränkten Temperaturbereich dadurch ausgeglichen werden, daß in Reihe mit dem in den Raum
gleichmäßiger Temperatur angeordneten Widerstand ein außerhalb dieses Raumes liegender fester Widerstand
geschaltet wird.
Auch kann ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten angewandt werden. Dieser Widerstand
muß dann aber zu dem Strommesser parallel gef.-haltei
werden, während mit der Meßvorrichtung ein außerhalb des Raumes gleichmäßiger Temperatur liegender
konstanter Widerstand in Reihe geschaltet sein muß. In gewissen Ausführungen der Meßvorrichtungen, bei
denen die erwähnte Trennwand aus einem Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten besteht, kann
die Trennwand selber als ein derartiger Widerstand benutzt werden. Ein Beispiel ist ZrOi mit 15 Mol-%
CaO. Der Widerstand dieses Materials ist von T. Y. Tien und E. C. Subbarao (J. Chem. Phys. 39, 1041
[1963]) 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 Ausfi'hrungsformen der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
In Fig. I 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. sauerstoffhai'iger Stickstoff, von der rechten Seite her eingeführt. Auf der Innenseite
des Rohres befindet sich eine aus einer porösen Platinschicht bestehende Elektrode 2, während auf der
Außenseite eine solche Elektrode 3 angebracht ist. Diese Schichten können z. B. durch Kathodenzerstäubung
aufgebncht werden. Das Ganze befindet sich in einem Ofen 4, Widerstände 6 und 7 und sin
Amperemesser 5 sind zwischen den Elektroden 2 und 3 eingeschaltet. Der Metallwiderstand 6 mit einem Wert r,
der z, B, aus Kupfer besteht, befindet sieh im Ofen in dem Meßkreis. Ein fester Widerstand 7 mit einem Wert
Π, der außerhalb des Ofens liegt, wird benutzt, wenn der Widerstand 6 aus einem Halbleiter der oben beschriebenen
Art besteht. Der Wert dieses Widerstandes ist derart gewählt, daß der zu große Temperaturkoeffizient
K) des Halbleiters auf den für den verwendeten Temperaturbereich richtigen Wert korrigiert wird.
Bei einer praktischen Ausführungsform hatte die Platinschicht eine Dicke von 0,1 μπι und betrug die
Temperatur des Ofens etwa 700°C, welche Temperatur
ι ί aber nicht stabilisiert zu werden brauchte.
In F i g. 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 diesem Zweck ist ein Teil des Rohres mittels der Kontakte 9 und 10 zu dem Meßkreis
parallel geschaltet. Im Meßkreis außerhalb des Ofens befindet sich ein weiterer Widerstand 7, wahrend der
Innenwiderstand des Strommessers 5 mit 8 bezeichnet
μ wird.
F i g. 3 zeigt eine ähnliche Vorrichtung, bei der ein WiderstanJskontakt 11 vorgesehen ist, während der
Meßkontakt 3 zugleich als der andere Widerstandskontakt benutzt wird. Zu diesem Zweck ist der Meßkontakt
in 3 in bezug auf den Innenkontakt 2 etwas verlängert.
Bei einer praktischen Ausführungsform hatte der Ofen eine Temperatur von 10000K (7300C). In einem
Bereich von 0,2-2 · 10~7 Atm. O2 betrug der EMK-Bereich
300 mV. Das Amperemesser wirkte mit einer
r> Empfindlichkeit von 10 μΑ.
Der Wert des Innenwiderstandes 8 des Strommessers 5 war 1000 Ω und der des festen Widerstandes 7
27 000 Ω. Der Abstand zwischen den Elektroden 11 und
3 betrug etwa 2 cm. Dabei wird ein Widerstand von 14 000 Ω abgegrenzt.
Der spezifische Widerstand des verwendeten mit 15 Mol-% CaO stabilisierten Zirkonoxyds beträgt
500 Ω · cm. Dieser Wert ist von der Temperatur nach R=Ri ■ c-A/kr abhängig, wobei A einen Wert von
4-, 1,2 eV hat. Daraus folgt ein Temperaturkoeffizient mit
einem Wert
1,4%/°C. Eine gertnge
Temperaturänderung von einigen 0C führte bei der
erwähnten Bemessung nahezu keinen Meßfehler herbei; bei einer größeren Temperaturabweichung von 500C
trat ein Meßfehler auf, der etwa dreimal kleiner als der Fehler war, der auftrat, wenn der erwähnte Ausgleichskreis nicht verwendet wurde.
Hierzu I Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Messung des Partialdruckes
eines gasförmigen Bestandteiles in einem Gasge- ·-, misch oder des Absolutdruckes eines reinen Gases,
welche Vorrichtung eine Trennwand enthält, die sich in einem Raum gleichmäßiger, erhöhter Temperatur
befindet und aus mindestens einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mit Molekülen des m
betreffenden Gases und dabei Ionenleitung aufweist, welche Trennwand zu beiden Seiten mit einer
Elektrodenschicht versehen ist, und wobei sich in dem Leiterkreis ein Widerstandselement und außerhalb
des Raumes ein Strommesser befinden, ι·ί dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres
Widerstandselement (6) in dem Raum gleichmäßiger, erhöhter Temperatur angeordnet ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das weitere Widerstandselement (6) in eine lineare Temperatur-Widerstands-Charakteristik
aufweist
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Widerstandselement (6)
eine Temperaturabhängigkeit von annähernd TV2 2>
aufweist, und zur Linearisierung der Widerstands-Temperatur-Abhängigkeit
außerhalb des Raumes ein weiterer, fester Widerstand (7) in Reihe geschaltet ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- so zeichnet, daß das weitere Widerstandselement (6)
einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und zum Stromueßkreis parallel geschaltet ist und
daß in Reihe zu dieser Parallels* \altung außerhalb
des Raumes ein weiterer, fester Widerstand r, geschaltet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand aus einem Material mit
einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht und zu dem Strommeßkreis parallel -tn
geschaltet ist und daß Kontakte (9, 10), die den gewünschten Teil der Trennwand begrenzen, auf
derselben Seite dieser Wand vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand auf einer Seite -r>
einen Kontakt (2) und auf der anderen Seite zwei Kontakte (3, 11) trägt und daß die letzteren
Kontakte (3, 11) zu dem Strommeßkreis parallel geschaltet sind und der erstere Kontakt (2) über
einen festen Widerstand (7) mit dem Strommeßkreis v> verbunden ist.
33 47 767 bekannt, Ein für die genannte Trennwand
verwendbarer Feststoff ist z, B, Thoriumoxyd oder stabilisiertes Zirkonoxyd, welche Oxyde Leitung durch
Sauerstoffionen aufweisen, 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, vird für dieses Referenzgas vorzugsweise Luft gewählt Bei
einer anderen 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^s, Ag3S] oder
RbAg4js, 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 eine Spannungsdifferenz E, die für ein zweiatomiges
RT
Gas nach dem Nernstschen Gesetz E=J-^-Ir. p\lp>
von dem Verhältnis der Partialdrücke p\ und pi abhängig ist.
In dieser Gleichung ist /?die 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.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art hat den Nachteil, daß, weil die EMK der Absoluttemperatur
proportional ist, bei Messung und Eichung die Temperatur genau konstant gehalten werden muß, um
den Druck aus der gefundenen EMK ableiten zu können. *
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Ari dahingehend
zu verbessern, daß eine Temperaturstabilisierung nicht erforderlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein weiteres Widerstandselement in dem Raum
gleichmäßiger, erhöhter Temperatur angeordnet ist.
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 Widerstandswert r der Absoluttemperatur proportional ist:
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