DE2735789A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen der sauerstoffkonzentration in abgasen und verfahren zum herstellen der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum messen der sauerstoffkonzentration in abgasen und verfahren zum herstellen der vorrichtung

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Description

  • BESCHREIBVNG Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen und auf ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 7 bzw.6.
  • Ein derartiger Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler arbeitet nach folgendem Prinzip: Ist der Teildruck des Sauerstoffs in einer durch eine Trennwand aus sauerstoffleitendem Keramikmaterial abgeteilten Kammer P02(1) und der Teildruck des Sauerstoffs in der anderen Kammer P02(2), so ist die elektromotorische Kraft (E), die sich zwischen den Polen auf beiden OberflMchen der Trennwand ausbildet, bekanntlich durch die folgende Nernstsche C,leichung gegeben: RT ln EPo2(1) / P02(2)] 4F wobei die E elektromotorische Kraft in Volt, R die Gaskonstante, T die absolute Temneratur und F die Faradav-Konstante sind.
  • Durch Messen der elektromotorischen Kraft (E) kann deshalb mit dem Sauerstoffteildruck P02(1) in einer Kammer, welcher auf einen bekannten Wert gebracht wird, unter Verwendung der o.g.
  • Gleichung der unbekannte Sauerstoffteildruck P02(2) in der anderen Kammer bestimmt werden.
  • Dies ist die grundsStzliche Wirkungsweise eines herkömmlichen Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlers. Als bekannte Sauerstoffkonzentration P02(1) wird der Gleichgewichtsteildruck des Sauerstoffs in der AtmosDhere oder in einem Metall-Metalloxid verwendet.
  • Bei einem Sauerstoffkonzentrations-MeFf:lhler, der die Atmosphäre als Bezugspol verwendet, muR vollständig verhindert werden, daR das zu messende Gas an den Bezugspol gelangt, und ferner, da! an den Bezugspol Wasser, usw. gelangt. Verglichen mit einem Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler, der einen sog. festen Bezugssauerstoffpol in Form eines Metall-Metalloxids verwendet, wird der Aufbau der Vorrichtung unvermeidlich komnliziert.
  • Als für ein Sauerstoffkonzentrations-MeFfühler mit einem festen Bezugssauerstoffpol verfügbares Metall-Metalloxid sind tQi/NiO, Cu/CuO, Co/CoO, Fe/FeO usw. bekannt. Diese Metall-Metalloxide haben jedoch beisDielsweise folgende Nachteile: Die Gleichewichtssauerstoffkonzentration reagiert auf eine Temperaturnderune nicht sofort. Solche Verbindungen sind wegen der geringen Sinterfähigkeit und des hohen Innenwiderstandes des MeFfühlers schwierig in ein System einzubauen. Ferner oxidieren diese Verbindungen leicht oder werden durch bloes Aussetzen von geringem Abgas verringert, weil ein feiner Schutzfilm auf der Zwischenfläche zwischen dem Metall-Metalloxid und dem ZrO2 und auf der Oberfläche des Metall-Metalloxids kaum aufzubringen ist, so daß dies verhindert, daß sie über viele Stunden hinweg kontinuierlich verwendet werden können.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen zu schaffen, die bzw. das die o.g. Nachteile vermeidet.
  • Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein geeignetes Verfahren zum Herstellen einer derartigen Vorrichtung zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemaF hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 7 gelöst.
  • Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erlOutert wird. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Sauerstoffkonzentrations -MeRftrh lers gemäß einem Ausfnhrungsbeispiel vorliegender ERfindung, Fig. 2 ein Kennliniendiagramm der elektromotorischen Kraft über der Temperatur bei zwei Arten von Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlern, von denen die eine gemäß dem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung und die andere als KontrollfUhler hergestellt ist, und Fig. 3 ein Kennliniendiagramm des Innenwiderstandes über der absoluten Temperatur bei zwei Arten von Sauerstoffkonzentrations-Mefühlern, don denen die eine gemäß dem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung und die andere als Kontrollfühler hergestellt ist.
  • Nach erheblichen Anstengungen bei der Entwicklung eines Detektors bzw. Meßfühlers hoher Präzision für die Sauerstoffkonzentration in Abgasen, welcher frei von den o.g. Nachteilen ist, haben die vorliegenden Erfinder einen Sauerstoffkonzentrations -Meßfühler erfünden, der selbst bei niedrigen Temperaturen funktioniert, der auf eine TemperaturAnderung sofort reagiert und der miniaturisiert werden kann.
  • Die neue Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem festen Elektrolvtgefä aus ZrO2 und wenigstens einem Bestandteil, der aus der kruppe bestehend aus Y203, CaO und MgO ausgewählt ist, ferner aus in dem Gefäß gebildeten, gesinterten Fe-FeO und aus einer auf der Zwischenfläche zwischen dem gesinterten Fe-FeO und dem Gefäß gebildeten komplexen Oxidschicht aus der Gef!ßmaterialverbindung und dem Fe-FeO besteht. Die Pole sind das gesinterte Fe-FeO und eine auf der RuReren Oberfläche gebildete noröse Metallschicht.
  • Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht des im festen ElektrolvtgefMR gesinterten Fe-FeO oxidiert und passiviert ist.
  • Das Aufheizen bzw. Brennen des Gefäßes und einer eingefüllten Pulvermischung aus Fe-FeO zielt darauf ab, daß eine komplexe Oxidschicht aus Fe-FeO und den Gefäßmaterial an der Zwischenfläche zwischen dem gesinterten Fe-FeO und dem Gefäß gebildet wird. Gleichzeitig wird die Oberflächenschicht des gesinterten Fe-FeO passiviert, so daß sich eine Schutzschicht bildet; durch Bildung der beiden Schichten kann ein Herabsetzen des Innenwiderstandes des Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlers und eine Verschlechterung des gesinterten Fe-FeO verhindert werden; dadurch nimmt die Beständigkeit der Vorrichtung zu. Der geeignete Bereich für die Brenntemperatur liegt bei 600 bis 1400°C.
  • Bei einer Brenntemperatur von nur 6000 braucht das Sintern eine lange Zeit, während bei über 14000C das Gefäß brechen kann. Deshalb erfolgt das Brennen vorzugsweise bei etwa 10000C.
  • Der poröse Metallpol, der auf der Außenseite des Gefäßes in erfindungsgemäßer Weise vorgesehen ist, wird im allgemeinen durch Verwenden einer Platinpaste gebildet, die getrocknet und dann gebrannt wird. Dabei ist die bevorzugte Schichtdicke der Paste 0,5 bis 10/u, am besten bei etwa 1 1,5,u. Der poröse Metallpol wird ferner mit einer porösen Schutzschicht von 10 bis 200/u Dicke aus einem organischen Material, beispielsweise Aluminiumoxid (A1203) - Pulver Uberzogen. Beispielsweise dient eine Aluminiumoxidschicht, die durch Plasmasnrilhen hergestellt ist, von etwa 50,u Dicke diesem Zweck.
  • Im folgenden sei nun der Sauerstoffkonzentrations-MeRfUhler gem4 vorliegender Erfindung anhand der Ze¢9hnung beschrieben.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht der Detektor bzw. MeF-fühler gemäß vorliegender Erfindung aus einem rohrförmigen festen Elektrolytgefäß 1, das an einem Ende geschlossen ist, aus einer porösen Metallelektrode 2, die an der AuRenseite des Gefäßes gebildet ist, und aus einer porösen Schutzschicht 3, die die poröse Metallelektrode 2 schützen soll. In das Gefc'!ß 1 ist Fe-FeO 4 zusammen mit einer Elektrode 5 eingefüllt bzw. eingesetzt; durch Brennen wird an der Zwischenfläche zwischen dem Gefäß 1 und dem Fe-FeO 4 ein komplexes Oxid gebildet. Die Bezugsziffer 6 in Fig. 1 hezeichnet die Zuleitung am Ausgang.
  • Beim Sauerstoffkonzentrations-MePfühler gemäß vorliegender Erfindung wird ein komplexes Oxid aus Fe-FeO und dem Material, aus dem das Gefäß hergestellt ist, ie nach den Brennbedingungen an der Zwischenfläche zwischen dem Gefäß und dem Fe-FeO gebildet, wodruch die enge Passung zwischen den beiden gesteigert wird, während an der Oberfläche des Fe-FeO ein feiner passiver Schutzfilm aus Oxid gebildet wird. Dies hemmt die Diffusion des Atmosphärengases, wodruch eine stabile Anzeige des Bezugssauerstoff-Teildruckes durch die Fe-FeO-Bezugsleketrode im Gefäß sichergestellt ist, selbst wenn etwas Abgas in das Gefäß eindringt. Aus diesem Grunde besitzt der MeBfUhler gemäß vorliegender Erfindung anders als diejenigen Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler, die die Atmosphäre als Bezugspol verwenden, eine gute Leistungsfähigkeit bei niedriger Temperatur und behält einen niedrigen Innenwiderstand, auch wenn die Abdichtung vollkommen ist. Der Meßfühler gemäß vorliegender Erfindung ist einfacher und kann leicht miniaturisiert werden.
  • Die Oberfläche des gesinterten Fe-FeO kann auch durch andere Methoden als durch Brennen passiviert werden.
  • Bei Verwendung des Sauerstoffkonzentrations-Mefühlers gemäß der Erfindung kann die Sauerstoffkonzentration in Abgasen bei 400 bis 1000°C in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration im gesinterten Fe-FeO kontinuierlich gemessen werden.
  • Einige besondere Ausf:lhrungsheispiele der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.
  • Beispiel 1: Ein rohrförmiges festes Elektrolytgefäß, das gemaß Fig. 1 ein abgeschlossenes Ende besitzt, wurde aus gesintertem ZrO2 hergestellt, das unter Verwendung von 10 mol % Y2O3 stabilisiert wurde. Auf der Außenseite des Gefäßes wurde eine handelsübliche Platinpaste angewendet. Nach dem Trocknen wurde es in Luft bei 8000C 30 Minuten lang gebrannt, wodurch eine Elektrode an der Außenseite gebildet wurde.
  • Darauf wurde innerhalb des Gefäßes eine Bezugselektrode aus Fe-FeO in folgender Weise gebildet: 40 Gramm AMoniumeisen (II) - sulfat - 6 - Wasser (Mohrsches Salz) und 50 g Cisen (III) - ammoniumsulfat-12 - Wasser (Amoniumeisenalaun) wurden in 1 Liter reinem Wasser gelöst und es wurde, um eine vollständige Lösung sicherzustellen, 2 ml N/10 H2S04 hinzugefügt.Die so erhaltene Lösung wurde dadurch neutralisiert, daß unter starkem Umkehren eine Lõsung aus einem Gewichtsteil konzentriertem Ammonjakwasser das mit 5 Gewichtsteilen reinem Wasser verdünnt wurde, hinzugefügt wurde, wodurch man einen schwarzen Niederschlag (Fe304.nH20) erhalt, der gefiltert, gewässert und dann bei 200°C 2 Stunden lang geröstet wurde, was ein kubisches Pulver aus Fe304 liefert, das eine Partikelgröße von 0,05 bis O,S/u besitzt. Ein Teil dieses Pulvers wurde dann in Kohlenmonoxid bei 700°C 3 Stunden lang reduziert, wodurch ein Fe-Pulver geliefert wurde, das eine Teilchengröße von 0,05 bis 2,0/u besitzt. Das Fe und das Fe304 wurden dann gründlich miteinander vermischt, und zwar in einem Gewichtsverhältnis von 1:2. In das feste Elektrolvtgefäß wurde dann diese Pulvermischung zusammen mit einer Platinelektrode, die an einer Drahtzufflhrung befestigt ist, eingefüllt. Durch ein 2-stündiges Brennen bei 10000C in Luft wurde die Pulvermischung aus Fe-FeO gesintert, wobei ein komplexes Oxid an der Zwischenfläche zwischen der Pulvermischung und dem Gefäß und eine Schutzschicht an der Außenseite des gesinterten Fe-FeO gebildet wurden.
  • Auf diese Weise entstand der Sauerstoffkonzentrations-Meßfilhler gemäß vorliegender Erfindung.
  • Beispiel 2: Ein Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler wurde in derselben WEise wie beim Beispiel 1 hergestellt, auPer, daß das ZrO2 mit 15 mol 8 CaO anstatt mit 10 mol z u207 stabilisiert wurde.
  • Beispiel t: Ein Sauerstoffkonzentrations-MeFfilhler wurde in derselben Weise wie beim Beispiel 1 hergestellt, außer, daß das ZrO2 statt mit 10 mol % Y203 mit 8 mol % MgO stabilisiert wurde.
  • Beispiel 4: Nach dem Aufbau eines festen Elektrolvtgefäßesund einer Elektrode an der äußeren abgedichteten Seite in derselben Weise wie beim Ausffjhrungsbeispiel 1, wurde innerhalb des Gefäßes in folgender Weise eine Bezugselektrode aus Fe-FeO gebildet: Das Kristallisationswasser wurde aus einem handelsüblichen Eisen (III) - axalat (Reagens spezieller Qualität) durch 2-stündiges Heizen bei 2500C unter Vakuum entfernt. Diesem folgte ein Resten in einer StickstoffAtmosnhäre bei fiSOoC 70 Minuten lang, wodurch eine Pulvermischung aus Fe und FeO mit einer Teilchengröße von 0,05 bis 1,0/u geliefert wurde. Dann wurde das feste Elektrolvtgefäß mit diesem Pulver gefüllt, wobei gleichzeitig eine Platinelektrode mit einer Drahtzuführugen eingesetzt wurde. Danach wurde der Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler in derselben Weise wie beim Beispiel 1 weiter hergestellt.
  • Beispiel 5: Nach dem Aufbau des festen Elektrolytgefäß.es und einer Elektrode an der abgedichteten Seite in derselben Weise wie beim Ausfhrungsbeispiel 1, wurde innerhalb des GefMFes eine Bezugselektrode aus Fe-FeO in folgender Weise gebildet: Eine gleiche Anzahl von mol eines handelsblichen Fe-Pulvers und Fe203 - Pulvers, die eine Teilchengröße von 15 bis 1501u besitzen, wurde vermischt und dann in das feste Elektrolytgefäß zusammen mit einer Platinelektrode mit einem daran befestigten Zuführungsdraht eingegeben, worauf ein 10 Stunden langes Brennen bei 10000C in einer Stickstoffatmosphäre folgte. Diese Pulvermischung aus Fe und Fe203 wurde gesintert, wobei gleichzeitig an der Zwischenfläche zwischen dem gesinterten Fe und Fe203 und dem Gefäß ein komplexes Oxid und auf der Oberfläche des gesinterten Fe und Fe2O3 eine SChutzschicht gebildet wurde.
  • Kontrollbeispiel 1: Nach dem Aufbau eines festen Elektrolvtgefäßes und einer Elektrode an der abgedichteten Seite in derselben Weise wie beim Beispiel 1 wurde innerhalb des Gefäßes in folgender Weise eine Bezugselektrode aus Fe-FeO gebildet: Die gleiche Anzahl von mol eines handelsüblichen Fe- und Fe203-Pulvers mit einer Teilchengröße von 15 bis 150Zu wurde vermischt und in einen Aluminiumoxid-Tiegel eingefüllt, worauf sich ein 4 Stunden langes Rösten bei 8000C in einer Stickstoffatmosphäre anschluß. Der Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler wurde dadurch hergestellt, daß das sich daraus erhebende Pulver gemahlen und zusammen mit einer Platinelektrode mit einem daran befestigten Zuführungsdraht in das Elektrolytgefä eingefüllt wurde.
  • Kontrollbeispiel 2: Statt der handelsüblichen Pulvermischung aus Fe und Fe203 mit einer Teilchengröße von 15 bis 150/u, wie sie beim Kontrollfühler 1 verwendet wurde, wurde eine Pulvermischung aus einer gleichen Anzahl von mol aus Cu und CuO mit einer Teilchengröße von 15 bis 150/u verwendet. Im weiteren erfolgte zur Herstellung eines Sauerstoffkonzentrations-Metfflhlers derselbe Vorgang wie beim Kontrollbeispiel 1.
  • Versuch 1: Die Sauerstoffkonzentrations-MeßfEhler, die nach den o.g. erfindungsgemMßen und den Kontrollbeispielen hergestellt wurden, wurden unter einer Steigerungsrate von 200C/min in Luft getrocknet.
  • Die in diesen Meßfühlern entwickelte Spannung wurde mit einem Millivoltmeter mit einer Eingangsimpedanz von 1000 Mflgemessen.
  • Die Elektromotorische Kraft jedes Meßfühlers ist in Fig. 2 dargestellt, wobei a bis e die Beispiele 1 bis 5 und x, y die Kontrollbeispiele 1, 2 darstellen.
  • Fig. 2 zeigt, daß alle Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler gemäß vorliegender Erfindung senden der Kontrollfühler hinsichtlich des Verhaltens bei niedriger Temperatur übertreffen.
  • Versuch 2: Die Sauerstoffkonzentrations-Meßfühler, die nach erfindungsgemäßen und den Kontrollbeispielen hergestellt wurden, wurden in Luft erhitzt, und es wurde die Spannung, die bei jeder Temperatur auftrat, dazu verwendet, den Innenwiderstand des Meßfühlers in Form eines Spannungsabfalls an einem veränderlichen Widerstand zu messen, der in Reihe mit dem Meßf:lhler angeordnet war. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigt, wo die Linien a bis e die Beispiele 1 bis 5 und die Linie y das Kontrollbeispiel 2 darstellen.
  • Die vorliegende Erfidnung kann den Gehalt an schädlichen Elementen verringern und sie besitzt eine sehr große kommerzielle Bedeutung.
  • - ENDE DER BESCHREIBUNG -

Claims (7)

  1. Titel: Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen und Verfahren zum Xlerstellen der Vorrichtung Patentansprüche 1. Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen mit einem festen Elektrolvtgefäß aus ZrO2 und wenigstens einen. aus der aus V2O3, CaO und MgO bestehenden Gruppe ausgewählten Bestandteil und mit einer gesinterten Masse aus Fe-FeO innerhalb des Gef!Pes, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daA eine komplexe Oxidschicht aus dem Gefäßmaterial und aus Fe-FeO an der Zwischenfläche zwischen der gesinterten Masse (4) und dem Gefäß (1) gebildet ist und daF eine an der AuRenseite des Gefäßes (1) angeordnete pornse Metallschicht (2) und die gesinterte Masse (4) die Pole der Vorrichtung bilden.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e fl n z e i c h -n e t , daF die Oberfläche des gesinterten Fe-FeO (4) im festen Elektrolytgefflß (1) passiviert ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Sintern des Fe-FeO (4) im festen Elektrolytgefäß (1) und die Bildung der komplexen Oxid -schicht an der ZwischenflXche zwischen dem gesinterten Fe-FeO (4) und dem Gefäß (1) durch Brennen bei 600 bis 14000C erreicht ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die pordse Metallschicht (2) dadurch gebildet ist, daß eine Platinpaste aufgebracht, getrocknet und dann gebrannt wird.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprilche 1 bis 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die poröse Metallschicht (2) mit einer porösen Schutzschicht (3) aus (Al203) - Pulver mit einer Dicke von 10 bis 200/u überzogen und geschützt ist.
  6. 6. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Abgasen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Schritte: a) Füllen eines festen Elektrolytgefäßes (1) aus ZrO2 und wenigstens einem aus der aus Y203, CaO und MgO bestehenden Gruppe ausgewählten Bestandteil mit einer feinen Pulvermischung aus Fe und FeO; b) Brennen dieses Pulvers bei 600 bis 14000C zum Sintern des Fe-FeO und zum Bilden einer komplexen Oxidschicht aus dem Material, aus dem das Gefäß hergestellt ist, und aus Fe-FeO auf der Zwischenfläche zwischen dem gesinterten Fe-FeO (4) und dem Gefäß (1); und c) Bilden einer porösen Metallschicht (2) auf der Außenseite des Gefäßes (1).
  7. 7. Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration von Abgasen unter Verwendung eines Sauerstoffkonzentrations-Meßfühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daf an den durch das gesinterte Fe-FeO (4) und eine poröse Metallschicht (2) auf der AuPenseite des Gefußes (1) gebildeten elektrischen Polen die Sauerstoffkonzentration im Abgas bei 400 bis 10000C im Vergleich zur Sauerstoffkonzentration des gesinterten Fe-FeO (4) kontinuierlich gemessen wird.
    - ENDE DER ANSPROCHE -
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