DE2460113A1 - Messzelle zur bestimmung von sauerstoffkonzentrationen in einem gasgemisch - Google Patents

Messzelle zur bestimmung von sauerstoffkonzentrationen in einem gasgemisch

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DE2460113A1
DE2460113A1 DE19742460113 DE2460113A DE2460113A1 DE 2460113 A1 DE2460113 A1 DE 2460113A1 DE 19742460113 DE19742460113 DE 19742460113 DE 2460113 A DE2460113 A DE 2460113A DE 2460113 A1 DE2460113 A1 DE 2460113A1
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DE
Germany
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measuring cell
partition
gas
gas mixture
oxygen concentrations
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Withdrawn
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DE19742460113
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English (en)
Inventor
Nabil Ahmed Abdalla
Arend Harrewijne
Petrus Jacobus Poolman
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Koninklijke Philips NV
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Description

PIIW, 7272
N. Y.Vh: V CU;,-i,,,M^ai-ubnekeo· 2 A 6 0 1 1
o, PHN- 7272
vom; 1S. D6Z.
"Messzelle ziir Bestimnmng von Sauerstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch"
"Die Erfindung bezieht sich auf eine Messzelle zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch
Eine derartige Zelle ist z.B. aus einem Aufsatz in "Journal of the Electrochem. Soc." 109, S. 723-726 (1962) bekannt. Sie enthält eine Trennwand, die aus einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mit Sauerstoff eingeht und dabei Xonenleitung aufweist, welche Trennwand auf beiden Seiten mit einer dünnen tind für Gas durchlässigen metallischen und/oder halbleitenden Elektrodenschicht versehen ist. Ein solcher Feststoff ist nach einer Ausführungsform stabilisiertes Zirkonoxid, das Leitung durch Satierstoffionen aiifweist, während die Elektroden aus Edelmetall, wie porösem Platin, bestehen. Das Gasgemisch,
509828/0557
PHN.7272
dessen pärtialer Sauerstoffdruck oder dessen absoluter Satiers toff druck gemessen werden muss, befindet sich auf einer Seite der Trennwand. Auf der anderen Seite befindet sich ein Referenzgas mit einem bekannten partialen Saiierstpffdruck· Vorzugsweise wird für dieses Gas Luft gewählt. Bei genügend hoher Temperatur (für die Ausführungsfoi~ni mit stabilisiertem Zirkonoxid liegt diese zwischen 450 und 85O0C) wird durch Bewegung der Ionen zwischen den beiden Elektroden ein Spannungsunterschied E erhalten, der nach der Nernstsehen Gleichung
E = 2Zf ln P2
von dem Verhältnis der Partialdrücke P1 und p„ abhängt.
In dieser Gleichung ist R die Gaskonstante in J mol K , T die absolute Temperattir, z. die Wertigkeit des Sauerstoffions und F die Faraday-Konstante in Coulombs.
Die Zelle kann auch ztim Messen der Konzentration an Kohlenmonoxid in einem Gasgemisch verwendet werden, weil dieses Kohlenmonoxid bei niedrigen Konzentrationen nach der Gleichung
CO + i (V<- CO2
mit Sauerstoff im Gleichgewicht ist.
Eine wichtige Anwendung der Messzelle nach der Erfindung ist denn auch eine Vorrichtxmg, bei der die Zelle in einer Auspxiffleitung eines Verbrennungsmotors angeordnet wird, wodurch eine von dem CO-Gehalt abhängige Spannung erzeugt wird. Diese Vorrichtung, die ausführlich in der britischen Patentschrift 1.306.844 beschrieben ist, enthält ein Glied zur Regelung des Luft/Brennstoffverhältnisses y\
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und eine auf dieses Glied einwirkende Rückführung, -wodurch das Verhältnis \ erhöht wird, wenn die von der Zelle er» zeugte Spannung zunimmt.
In der französischen Patentschrift 2.173.564 ist eine Ausführungsform einer derartigen Messzelle beschrieben: bei der die Trennwand aus einer flachen Platte aus ionenleitendem Material besteht, die zwischen zwei metallenen Ringen als Verschluss auf einer Seite einer auf beiden Seiten offenen Metallbuchse angebracht ist, wobei der äussere Metallring mit der Buchse in elektrischer Verbindung steht und der innere Metallring gegen die Buchse isoliert ist, aber elektrisch mit einem Dtirchführungsleiter verbunden ist, der sich in einer mit mindestens einer Gasdur chströmungsöffnung versehenen Isoliermaterialplatte befindet, wobei die Metallringe, die Platte aus ionenleitendem Material und die mit dem Durchführungsleiter versehene Platte, gegebenenfalls zusammen mit einem oder mehreren üistanzgliedern, lösbar in der Buchse festgeklemmt sind.
Es stellte sich heraus, dass dieser übrigens
sehr attraktiven Ausführungsform in der Praxis einige Nachteile anhaften. Ba als Elektrodenmaterial feinverteiltes Platin verwendet wird, lässt die Gasdichtigkeit dieser Konstruktion zu wünschten übrig. Es besteht nämlich eine grosse Möglichkeit des Auftretens von Leckage von der Messzu der Referenzseite der ionenleitenden Platte, wodurch sielt falsche Messwerte ergeben.
In dieser Ausführungsform steht über der. ionenleitenden Platte ein Temperaturgradient, der eine thermo-
SO.9 8 2 Β /OSS 7
-k- PHN.7272
elektrische Spannung herbeiführt, die ebenfalls falsche Messergebnisse veranlasst.
Diese Nachteile werden bei der Ausführungsform nach der Erfindung beseitigt, die dadurch gekennzeichnet ist! dass die Trennwand zwischen Mess- und Referenzgasatmosphäre aus einer flachen Platte besteht, die als Verschluss eines hohlen Körpers angebracht ist, der a\is einem elektrisch isolierenden Material besteht und mit einer der beiden Gasatmosphären in Verbindung steht, welche Platte jedoch grosser als die Abdichtungsoberflache ist, wobei der aus der Abdichtung hervorragende Teil mit der anderen der beider; Gasatmosphären in Verbindung steht, während auf dieser flachen Platte die Messelektrode und die Referenzelektrode auf derselben Seite liegen.
"Die Elektrodenoberflächen bestehen z.B« atis zvei konzentrischen kathodisch zerstäubten Platinoberflächen.
Die Erfindtmg wird nunmehr an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
In der Figur bezeichnet 1 eine Metallbuchse, 2 eine Platte aus stabilisiertem ZrO2, z.B. ZrO2 mit 7,5 Gew.Ve CaO, und bezeichnen 3 und k durch Kathodenzerstäubung auf der Zirkonsoxidplatte angebrachte Platinschichten, während 5 einen Platinring zwischen der Zirkonsoxidplatte und einem Aluminiumoxidrohr 6 mit einem am Rohr 6 festgesinterten AluminiTimflansch 7 bezeichnet. Die Platte 2und das Rohr 6 sind durch ein Thermodruckverfahren über den Platinring 5 miteinander verbunden.
Nach einer Abwandlung werden die Platte 2 und das
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•5- PIIN. 7272
Rohr 6 mittels einer Glaskeramik miteinander verbunden, die axis Glaspulver mit der Zusammensetzung in Gew.^:
BaO 59,0 Si02^ 14'3
B2O3 21,9 ZnO <i— 4,8
erhalten ist, dem 5 Gew.$ ZrO„-Pulver zugesetzt ist-, das zwischen den beiden Teilen angebracht wird, wonach das Ganze bis z\im Schmelzpunkt des Gemisches erhitzt und "dann langsam abgekühlt wird.
Eine mit Gasdurchströmungsöffnungen versehene Isolierplatte aus Aluminiumoxid ist mit 8 bezeichnet; 9 bezeichnet einen starren Leiter, der mittels des biegsamen Leiters 10 mit der Elektrodenschicht h verbunden ist. Ein anderer biegsamer Leiter 11 verbindet die Elektrodenschicht 3 mit der Buchse 1, die mit der Masse verbunden ist. Zwischen den Elektrodenschichten 3 und h wird die Spannung gemessen. 12 bezeichnet eine Ueberwtirfmutter und mit 13 sind Abdichtungen bezeichnet.
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Claims (2)

■6- PHN. 7272 PATENTANSPRUECHE:
1. Messzelle zur Bestimrmmg von Sauerstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch, die eine Trennwandenthält, die aus einem Feststoff besteht, der eine reversible Reaktion mit Sauerstoff eingeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand zwischen Mess- und Referenzgasatmosphäre aus einer flachen Platte (2) besteht, die als Verschluss eines hohlen Körpers (6) angebracht ist, der aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und mit einer der beiden Gasatmosphären in Verbindtmg steht, welche Platte (2) jedoch grosser als die Abdichtungsoberfläche ist, wobei der aus der Abdichttmg hervorragende Teil mit der anderen der beiden Gasatmosphären in Verbindung steht, während auf dieser flachen Platte die Messelektrode ( ) und die Referenzelektrode ( ) axif derselben Seite liegen.
2. Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Trennwand (2) xmd der hohle Körper (6) dtirch ein Thermodruckverfahren miteinander verbunden sind. 3· Messzelle nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) und der hohle Körper (6) mittels eines glaskeramischen Materials miteinander verbunden sind. h. Messzelle nach Anspruch 1, dadiirch gekennzeichnet, dass die Elektrodenoberflächen aus porösem Platin bestehen.
SQ9828V0SS.7
DE19742460113 1974-01-07 1974-12-19 Messzelle zur bestimmung von sauerstoffkonzentrationen in einem gasgemisch Withdrawn DE2460113A1 (de)

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BE824123A (fr) 1975-07-07
US3974054A (en) 1976-08-10
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