DE2632250C2

DE2632250C2 - Fühlerelement für einen elektrochemischen Sauerstoff-Meßaufnehmer

Info

Publication number: DE2632250C2
Application number: DE2632250A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Holick; Franz-Josef Dr. 6941 Abtsteinach Rohr
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1976-07-17
Filing date: 1976-07-17
Publication date: 1982-05-06
Also published as: BR7704691A; FR2358657A1; JPS5337093A; ES460823A1; US4127463A; CA1098586A; DE2632250A1; GB1540047A; SE7707753L; IT1079328B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fühlerelement für einen elektrochemischen Sauerstoff-Meßaufnehmer mit einem Elektroden aufweisenden sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten sowie mit endseitigen mit Elektroden elektronenleitend verbundenen elektrischen Anschlußstellen, wobei das Fühlerelement wenigstens einen, die Elektroden umfassenden elektrochemisch aktiven Bereich sowie wenigestens einen, mindestens die Anschlußstellen umfassenden elektrochemisch passiven Bereich aufweist und die elektrischen Verbindungen im elektrochemisch passiven Bereich mit großem gegenseitigem Abstand angeordnet sind.

Aus der DE-OS 23 50 253 ist ein elektrochemischer Meßfühler bekannt, dessen Fühlerelement in einem Gehäuse angeordnet ist. Der untere Teil des Festelektrolytrohres ist hierbei für die Beaufschlagung mit dem Meßgäs vorgesehen. Er ragt aus dem Gehäuse und bildet den elektrochemisch aktiven Bereich. Der obere Teil des Festelektrolytrohres ist mit Hilfe einer Dichtung innerhalb des Gehäuses fest installiert, und bildet im vorliegenden Fall den elektrochemisch passiven Bereich. Durch die Dichtung wird dem Meßgas der Zutritt zu diesem passiven Bereich verwehrt, so daß von ihm kein Signal abgegeben werden kann. Die Aufteilung in einen aktiven und einen passiven Bereich erfolgt bei dem hier beschriebenen Meßfühler auf mechanische Weise unter Zuhilfenahme einer Dichtung, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fühlerelement zu schaffen, bei dem für die Trennung in einen aktiven und einen passiven Bereich auf mechanische Bauteile verzichtet werden kann. Der hierfür erforderliche Aufwand soll gering und die Herstellung des Fühlerelementes billig sein.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch aktive Bereich durch eine Ionen und Elektronen nichtleitende Isolierschicht vom elektrochemisch passiven oder zumindest weitgehend passiven Bereich getrennt ist, oder daß der elektroche misch passive Bereich mit einem Elektronen und Ionen nichtleitenden Isolierteil, vorzugsweise aus Keramik, gebildet ist.

Die einfachste Herstellung wird dann erreicht, wenn beide Bereiche des Fühlerelementes einen Festelektro lyten aufweisen, auf den zur Bildung des passiven Bereiches die Anschlußstellen sowie die Verbindungen in einen großen gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Obwohl bei dieser Ausführungsform die Anschlußstellen sowie die Verbindungen auf dem Festelektrolyten angeordnet sind, ist ihre Wirkung als aktive Elektroden sehr gering. Die Ursache hierfür liegt darin, daß der im Verhältnis zum aktiven Bereich sehr lange Weg für die Ionen im Festelektrolyten des passiven Bereichs einen hohen Innenwiderstand ergibt und somit eine geringe, kaum störende Stromabgabe.

Um den Einfluß des passiven Teils zu verringern, besteht die Erfindung darin, daß zwischen beide Bereiche eine Isolierschicht eingefügt ist, die Ionen und Elektronen nichtleitet. Hierdurch werden insbesondere die Einflüsse der Übergangsstellen von den Elektroden zu den Verbindungen ausgeschaltet. Um den Einfluß des passiven Teils auf das Meßergebnis praktisch vollständig auszuschalten, wird der passive Bereich mit einem Elektronen und Ionen nichtleitenden Isolierteil, vor zugsweise aus Keramik, gebildet ist. In vorteilhafter Weise bestehen die Verbindungen aus Leiterbahnen. Ist das Fühlerelement hierbei rohrförmig ausgebildet, so ist es empfehlenswert, die Leiterbahnen etwa diametral zueinander anzuordnen. Um einen guten Kompromiß zu schließen zwischen der Forderung nach einem möglichst großen aktiven Bereich und der Forderung nach weitgehend unverfälschter Messung ist es empfehlenswert, daß der passive Bereich sich zumindest über jenen Teil des Fühlerelementes erstreckt, der für

so den Verlauf im Bereich eines Fühlergehäuses vorgesehen ist.

Weitere Vorteile und Vorzüge der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung hervor. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch ein rohrförmiges, einseitig verschlossenes Fühlerelement gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie II-II,

Fig.3 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. I gemäß der Schnittlinie HI-HI,

Fig.4 eine Ausführungsvariante des Gegenstandes der F i g. 1 im axialen Längsschnitt und

F i g. 5 den Gegenstand der F i g. 4 mit einer anderen Ausführungsform des Isolierkörpers.

Gleiche Bauteile haben in den einzelnen Figuren gleiche Bezugszeichen.

Das in Fig. 1 gezeigte Fühlerelement weist ein Festelektrolytrohr 10 mit einem verschlossenen linken und einem offenen rechten Ende auf. Als sauerstoffjonenleitender Festelektrolyt dient dotiertes Zirkondioxid. Im aktiven, für die Abgabe des Meßsignals s vorgesehenen Bereich 11 des Fühlerelements, der sich von der Spitze des Festelektrolytrohres 10 in axialer Richtung erstreckt, ist vorzugsweise die gesamte Außenfläche mit einer äußeren Elektrode 13 und die gesamte Innenfläche mit einer inneren Elektrode 14 ι ο versehen. Gegebenenfalls kann es auch ausreichen, eine oder beide Elektroden als einander gegenüberliegende Streifen auszubilden. Der aktive Bereich 11 ist bezüglich seiner Elektrodenflächen und Elektrolytdichte so bemessen, daß bei der Arbeitstemperatur ein ausreichend geringer elektrischer Innenwiderstand erreicht wird, z. B. zwischen 10 und 10 000 ΚΩ vorzugsweise 10 bis 100 ΚΩ.

Der Festelektrolyt des aktiven Bereichs 11 ist vom Festelektrolyt des passiven Bereichs 12 durch eine eingefügte kreisringförmige Isolierschicht 11 getrennt Die Isolierschicht besteht vorzugsweise aus gasdichter Ionen und Elektronen nichtleitender Sinter-Glaskeramik entsprechend der Zusammensetzung SiO₂ 35 bis 50%, MgO 30 bis 50% und Ai₂O₃15 bis 20%. Hierbei ist die Isolierschicht durch einen Sinter- oder Schmelzvorgang mit den beiden Rohrteilen verbunden, die im übrigen auch verschiedene Außendurchmesser aufweisen können, etwa wie bei F i g. 5.

Der mit den gleichen Festelektrolyten gebildete jo passive Bereich 12 trägt eine äußere, an die Elektrode 13 angeschlossene Verbindung 15 und eine innere, an die Elektrode 14 angeschlossene Verbindung 16, deren Enden die Anschlußstellen 17 und 18 bilden. Die Verbindungen sind elektronenleitend. Wie anhand von Fig.3 zu erkennen ist, bestehen sie aus Leiterbahnen, deren Breite je nach Fühierdurchmesser zwischen 1 und 10 mm liegt, vorzugsweise jedoch zwischen 2 und 4 mm. Wesentlich ist hierbei, daß der Weg für die Ionen von der einen zur anderen Verbindung durch das Festelektrolytrohr sehr lang ist. Denn hierbei ist der elektrische Innenwiderstand sehr stark erhöht, der passive Bereich 12 kann damit keinen nennenswerten störenden Strom abgeben und somit die Meßspannung praktisch nicht verfälschen. Die Verbindungen 15 und 16 können aus beliebigem elektronenleitendem, korrosionsfestem Material hergestellt sein, üblicherweise bestehen sie jedoch aus Verlängerungen der jeweiligen Elektroden. Um einen guten Kontakt zu den weiterführenden Potenzialableitern zu gewährleisten, können die Leiterbahnen im Bereich der Anschlußstellen verbreitert sein.

Das in Fig.4 dargestellte Fühlerelement entspricht weitgehend dem Fühlerelement gemäß Fig. 1. Der Unterschied besteht darin, daß der passive Bereich 12 auf einem am Festelektrolytrohr 10 befestigten, rohrförmigen Isolierteil 20 aufgebaut ist, das im Außen- und Innendurchmesser etwa dem Festelektrolytrohr entspricht. Da dieses Isolierteil 20 aus einem Ionen und Elektronen leitendem Material besteht, ist praktisch keinerlei Beeinflussung des Meßergebnisses durch den passiven Bereich zu befürchten. Dies wäre auch dann nicht der Fall, wenn die Verbindungen 15 und 16 nicht aus schmalen Leiterbahnen bestünden, sondern einfach aus einer die gesamten Innen- bzw, Außenflächen bedeckenden Verlängerung der Elektroden 13 und 14 gebildet wären. Das Isolierteil 20 besteht hier vorzugsweise aus Magnesiumsilikat Mg₂SiO.), Magnesium-Aluminium-Spinell MgO · Al₂O₃ oder aus der weiter oben genannten Sinter-Glaskeramik. Die Befestigung des Elektrolytrohres am Isolierteil erfolgt entweder durch unmittelbares Zusammensintern der beiden Bauteile oder durch Einfügen einer Verbindungsschicht aus Glaslot oder Sinter-Glaskeramik. Das Fühlerelement gemäß Fig.5 entspricht in seinem prinzipiellen Aufbau dem nach Fig.4. Jedoch ist hier das Isolierteil 20 als kreisringförmiger Flansch ausgebildet, dessen Außendurchmesser größer ist als der entsprechende Durchmesser des Festelektrolytrohres 10. Um dieses Rohr gegenüber dem Flansch zu zentrieren, ist es in eine stufenförmige Erweiterung der Flanschöffnung eingesetzt und befestigt Das freie Ende des Flansches weist ebenfalls eine innere Stufe auf, zur Bildung einer Schulter 21, auf welcher die Verbindungen 15 uti! 16 enden und die Anschlußstellen 17 und 18 bilden. Hierzu ist die äußere Verbindung 15, wie aus F i g. 5 ersichtlich is\, außen auf dem Flansch bis zur Schulter 21 geführt, die innere Verbindung 15 verläuft auf der Innenwand des Flansches bis zar Schulter 21.

Es wäre jedoch auch möglich, die Verbindung 15 ebenfalls auf der Innenwand des Flansches etwa diametral zur Verbindung 16 anzuordnen und auf der Schulter 21 enden zu lassen. Hierzu ist es erforderlich, die Verbindung 15 an der Stoßstelle von Rohr und Flansch von außen nach innen zu führen, was insbesondere dann leicht durchzuführen ist, wenn an dieser Stelle eine Verbindungsschicht eingefügt ist. Um Kurzschluß zu vermeiden, darf sich die innere Elektrode 14 an dieser Durchführungsstelle nicht ganz bis zum Ende des Festelektrolytrohres 10 erstrecken. Die lichten Weiten des Festelektrolytrohres und des Flansches sind etwa gleich. Das Verhältnis der Außendurchmesser beträgt etwa 1 :1,5 bis 1 :2. Bezüglich der Materialauswahl für den Flansch gelten insbesondere die zu F i g. 4 gemachten Ausführungen.

Für die Bestimmung der Größen- bzw. Längenverhältnisse von aktivem zum passiven Bereich gilt im allgemeinen die Regel, daß der aktive Bereich nur so groß ausgeführt wird, daß ein ausreichend geringer Innenwiderstand des Fühlerelements gegeben ist, der übrige Teil des Fühierelements wird passiv ausgebildet, er kann je nach der vorgegebenen Meßaufgabe praktisch beliebig groß gewählt werden. Als Mindestmaß sollte jedoch mindestens der Bereich des Fühlerelements, welcher für den Verlauf in einem Fühlergehäuse vorgesehen ist, passiv ausgebildet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fühlerelement für einen elektrochemischen Sauerstoff-Meßaufnehmer mit einem Elektroden aufweisenden sauersi:offionenleitenden Festelektrolyten sowie mit endseitigen mit den Elektroden elektronenleitend verbundenen elektrischen Anschlußstellen, wobei das Fühlerelement wenigstens einen, die Elektroden umfassenden elektrochemisch aktiven Bereich sowie wenigstens einen, mindestens die Anschlußstellen umfassenden elektrochemisch passiven Bereich ausweist, wobei die elektrischen Verbindungen im elektrochemisch passiven Bereich mit großem gegenseitigem Abstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemisch aktive Bereich (11) durch eine Ionen und Elektronen nichtleitende Isolierschicht (19) vom elektrochemisch passiven oder zumindest weitgehend passiven Bereich (12) getrennt ist, oder daß der elektrochemisch passive Bereich (12) mit einem Elektronen und Ionen nichtleitenden Isolierteil (20) vorzugsweise aus Keramik, gebildet ist.

2. Fühlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht bzw. das Isolierteil im wesentlichen aus Magnesiumsilikat Mg2(SiO.t), Magnesium-Aluminium-Spinell MgO · AI2O3 oder Sinterglasxeramik mit etwa der Zusammensetzung SiO₂ 35 bis 50%, MgO 50 bis 30% und AI2O315 bis 20% besteht.

3. Fühlerelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (15,16) aas Leiterbahnen bestehen.

4. Rohrförmiges Fühlerele,--,ent nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne*, daß die Leiterbahnen (15, 16) etwa diametral angeordnet * nd.

5. Fühlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Bereich (12) sich zumindest über jenen Teil des Fühlerelements erstreckt, der für den Verlauf im Bereich eines Fühlergehäuses vorgesehen ist.