DE2908368C2 - Measuring probe for determining the partial pressure of oxygen in hot media - Google Patents

Measuring probe for determining the partial pressure of oxygen in hot media

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Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Meßsonde, mit welcher der Sauerstoff-Partlaldruck in heißen Medien, wie z. B. Glasschmelzen oder Abgasen einfach und zuverlässig bestimmt werden kann.The invention relates to a novel measuring probe, with which the oxygen partial pressure in hot media, such as B. glass melts or exhaust gases can be determined easily and reliably.

Die Kenntnis des Sauerstoff-Partialdruckes (PO2) in heißen Medien, wie ζ. B. Schmelzen oder Abgasen, ist aus vielen Gründen von großer technischer Bedeutung, beispielsweise beim Läutern oder bei der Einstellung der Farbe In Gläsern, oder bei der Schaffung umweltfreundlicher Abgasanlagen.Knowledge of the partial pressure of oxygen (PO 2 ) in hot media, such as ζ. B. Melting or exhaust gases is of great technical importance for many reasons, for example in the lautering or in the setting of the color in glasses, or in the creation of environmentally friendly exhaust systems.

Man hat bereits versucht, zur Durchführung derartiger Messungen Festelektrolytsonden, die nach elektrochemischem Prinzip arbeiten, einzusetzen. Derartige Sonden bestehen Im Prinzip aus einem einseitig verschlossenen Rohr aus einem Festelektroit (Keramlkelektrolyi), wie z. B. Zlrkondicx'.d, In einer Festkörpermeßkette, deren eine Hallzelle die Schmelze darstellt, die zu untersuchen ist (s. z. B. DE-OS 20 01 012).Attempts have already been made to carry out such measurements using solid electrolyte probes based on electrochemical Working principle, using it. Such probes consist in principle of a one-sided closed Tube made of a solid electrolyte (Keramlkelektrolyi), such as. B. Zlrkondicx'.d, In a solid-state electrode, one Hall cell of which represents the melt that is to be examined (see, for example, DE-OS 20 01 012).

Eine Anwendung dieser bekamen, aus einseitig geschlossenen Festelektrolytrohren bestehenden Meßsonden In der aktuellen Glasproduktlon oder zur Messung von sehr heißen Gasen standen bisher folgende Nachteile entgegen:One application of these were measuring probes consisting of solid electrolyte tubes closed on one side The following disadvantages have hitherto existed in current glass production or for measuring very hot gases opposite:

schlechte Temperaturwechselbeständigkeit,
schiechte mechanische Stabilität,poor thermal shock resistance,
poor mechanical stability,

Bildung einer Spülkante an der Dreiphasengrenze «Luft-Glas-Sonde» in Schmelzen,Formation of a rinsing edge at the three-phase boundary «air-glass probe» in melts,

korrosiver Angriff der Glasschmelze oder des Gases und damit verbundene unerwünscht* Korrosionsprodukte,
kurze Standzelt,
hoher Preis.corrosive attack on the glass melt or the gas and associated undesirable * corrosion products,
short stand tent,
high price.

Aus der DE-OS 23 57 117 Ist eine Vorrichtung zur Messung der Sauerstoffaktivität In flüssigem Natrium bekannt, bei welcher an einem Metallrohr unten eine Sandwich-Tablette aus ZrO2 / CaO einerseits und ThO2 / Y3O) andererseits mittels einer Metallkeramikdichtung befestigt Ist. Derartige Metallkeramikdichtungen sind zwar für flüssiges Natrium ausreichend temperaturbeständig, würden jedoch In heißen Glas- oder Metallschmelzen und in sehr heißen Gasen nach kurzer Zelt versagen.A device for measuring the oxygen activity in liquid sodium is known from DE-OS 23 57 117, in which a sandwich tablet made of ZrO 2 / CaO on the one hand and ThO 2 / Y 3 O) on the other hand is attached to a metal tube by means of a metal-ceramic seal . Such metal-ceramic seals are sufficiently temperature-resistant for liquid sodium, but would fail after a short time in hot glass or metal melts and in very hot gases.

Ziel der vorliegenden Erfindung Ist eine Meßsonde, welche die vorstehend geschilderten Nachtelle nicht aufweist.The aim of the present invention is a measuring probe which does not have the disadvantages described above having.

Dieses Ziel wird mit einer Meßsonde gemäß den Patentansprüchen erreicht.This aim is achieved with a measuring probe according to the claims.

Das Meßprlnzlp beruht auf der Fähigkeit einiger keramischer Materlallen (z. B. stabilisiertes ZrO2 oder ThO2), Oj-Ionen bei erhöhten Temperaturen zu leiten. Befinden sich nämlich auf beiden Seiten eines festen Ionenleiters verschiedene O2-Partlaldrücke [z. B. PO2 (1) In einem Bezugsgas, PO2 (2) In einem Abgas] so entsteht nach Nernst eine elektromotorische Kraft (EMK) der Größe:The measuring principle is based on the ability of some ceramic materials (e.g. stabilized ZrO 2 or ThO 2 ) to conduct Oj ions at elevated temperatures. If there are different O 2 partial pressures on both sides of a solid ion conductor [e.g. B. PO 2 (1) In a reference gas, PO 2 (2) In an exhaust gas], according to Nernst, there is an electromotive force (EMF) of the size:

EMK = % EMF = %

(IVPO2 (IVPO 2

(z = Wenigkeitswechsel; hler = 4); F = Faradaykonst.;
R= Gaskonsl., F= abs, Temp,),(z = change of being; hler = 4); F = Faraday constant;
R = gas con., F = abs, temp,),

Die EMK wird mittels eines hochohmlgen Volmeters zwischen zwei Elektroden auf beiden Selten des Festelektrolyts gemessen. Die Elektroden bestehen In der Regel aus Platin. Dabei wird die Elektrode auf der Referenzseite über eine poröse Pt-Schlcht auf der Festelekrolyt-Oberfläche kontaktiert. Die andere Elektrode wird außen am Festelektrolyt kontaktiert.The EMF is generated by means of a high-resistance volt meter between two electrodes on both sides of the solid electrolyte measured. The electrodes are usually made of platinum. The electrode is placed on the Reference side contacted via a porous Pt Schlcht on the solid electrolyte surface. The other electrode is contacted on the outside of the solid electrolyte.

Die Meßkatte sieht demnach in Schmelzen folgendermaßen aus:The measuring cat looks like this in melts:

Pt, O2 (PO2) / ZrOj (CaO) / Schmelze. O2 (PO3, x) / Pt,
bzw. in Gasen: Pt, O2(PO2) / ZrO2 (CaO) / Pt, O2(PO2, x)Pt, O 2 (PO 2 ) / ZrOj (CaO) / melt. O 2 (PO 3 , x) / Pt,
or in gases: Pt, O 2 (PO 2 ) / ZrO 2 (CaO) / Pt, O 2 (PO 2 , x)

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird hergestellt, indem eine Tablette aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt mit einem Metallrohr durch Heißpressen derart verbunden wird, daß diese Tablette das untere Ende dieses Metallrohres temperaturbeständig und gasdicht abschließt. Bei diesem Heißpressen erfolgt ein Druck-Sintern, wobei der Sinterdruck und -temperatur einander angepaßt werden können.The device according to the invention is produced by making a tablet from an oxygen ion-conducting Solid electrolyte is connected to a metal tube by hot pressing such that this tablet is the lower The end of this metal pipe is temperature-resistant and gas-tight. During this hot pressing, a Pressure sintering, whereby the sintering pressure and temperature can be adapted to one another.

Der Festeiektrolyt ist ein sauerstofflonenleitendes Oxid, wie z. B. ZrO2, ThO2, HfO2 oder LaO2, das mit einem ιυ nledrigerwertigen Oxid, wie CaO, MgO, Y2O3 oder Sc2O3 dotiert ist.The solid electrolyte is an oxygen-conducting oxide such as e.g. B. ZrO 2 , ThO 2 , HfO 2 or LaO 2 , which is doped with a ιυ nledrigerwertigen oxide such as CaO, MgO, Y 2 O 3 or Sc 2 O 3 .

Das Metallrohr kann aus einem Edelmetall (z. B. Platin oder Platin/Rhodium) oder z. B. aus Edelstahl bestehen.The metal tube can be made of a noble metal (z. B. platinum or platinum / rhodium) or z. B. made of stainless steel exist.

Vorzugsweise wird die Bezugselektrode über eine poröse Pt-Schicht auf der Oberfläche der Tablette kontaktiert. Dabei kann der Pt-Draht auf die Schicht aufgesintert oder einfach nur aufgedrückt (Druckkontakt) werden. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, in der Tablette eine Vertiefung anzubringen und in ihr die Elektrode, die an dieser Stelle zum besseren Kontakt etwas aufgewickelt sein kann, mit Hilfe eines Pulvers bei maximal 150O0C einzusintern.The reference electrode is preferably contacted via a porous Pt layer on the surface of the tablet. The Pt wire can be sintered onto the layer or simply pressed on (pressure contact). A third possibility is to mount a recess in the tablet and in it the electrode that something may be wound at this point for better contact, einzusintern with the aid of a powder with a maximum of 150o C 0.

Vorzugsweise wird die Bezugselektrode durch ein Ein- bzw. Mehrkapillarenrohr aus einem isolierenden Feuerfest-Material (z. B. Al2O3) vor elektrischem Kontakt zum metallischen Außenrohr geschützt. M;t seiner Hilfe kann auch ein Thermoelement zur Messung der Temperatur bis an den Festelcktrolyt herangetüsrt. Bezugsgas durchgeleitet und schließlich bei Druckkon.äkt der Druck der Bezugselektrode, die um das untere Ende des Kapillarenrohres gebogen Ist, auf die Metallls'.erungsfläche aufgebracht werden.The reference electrode is preferably protected from electrical contact with the metallic outer tube by a single or multi-capillary tube made of an insulating refractory material (e.g. Al 2 O 3). With his help, a thermocouple to measure the temperature can be brought up to the Festelcktrolyte. Reference gas is passed through and finally, when the pressure is con.

Die Festelektrolyt-Tablette kann auch von außen am Boden des Metallrohres befestigt sein. Ganz besonders vorteilhaft ist es, dieser Tablette eine abgerundete Gestalt, z. B. Halbkugelform zu geben.The solid electrolyte tablet can also be attached to the bottom of the metal tube from the outside. Most notably It is advantageous to give this tablet a rounded shape, e.g. B. to give hemispherical shape.

Die erfindungsgemäße Sonde wurde in Gasen mit den unterschiedlichsten Sauerstoff-Partialdrücken (1 atm-lO"12 atm) in einem Temperaturbereich von 700 bis 150O0C getestet. In allen Fällen erfüllte sich die Nernst-Glelchung bis auf ± 2% genau.The probe of the invention was (atm-lO "1 12 atm) tested in gases with different partial pressures of oxygen in a temperature range of 700 to 150o C 0. In all cases, the Nernst Glelchung filled to within ± 2% accurate.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im Einsatz in einer Glasschmelze schematisch dargestellt. Es stellen dar:In Fig. 1, the basic structure of the measuring device according to the invention is in use in a Molten glass shown schematically. They represent:

1 - EMK-Meßgerät1 - EMF measuring device

2 - Referenzgas2 - reference gas

3 - Metallrohr (z. B. Pt/Rh)3 - metal pipe (e.g. Pt / Rh)

4 - Pt-Innene!ektrode4 - Pt inner electrode

5 - Pt-Elektrodenkontakt5 - Pt electrode contact

6 - Fesiclcktrolyt [z. B. ZrO2 (CaO)]6 - Fesiclcktrolyte [e.g. B. ZrO 2 (CaO)]

7 - Rohrbodenbördelung7 - Tube sheet flaring

8 - Glasschmelze8 - molten glass

9 - Pt-Außenelektrode.9 - Pt outer electrode.

Wie man aus Flg. 1 erkennt. Ist die Pt-Meßelektrode (9) von der Bezugselektrode (4, 6) räumlich getrennt, da durch die Schmelze ein elektrolytischer Kontakt zwischen dem Festelektrolyt der Bezugselektrode und der Pt-Außenelektrode besteht.How to get from Flg. 1 recognizes. If the Pt measuring electrode (9) is spatially separated from the reference electrode (4, 6), because the melt creates an electrolytic contact between the solid electrolyte of the reference electrode and the Pt outer electrode is made.

Im Falle der Verwendung der Meßsonde In heißem Gas besteht dieser elektrolytische Kontakt nicht, so daß 4* ein geschlossener Meßkreis nur dann vorliegt, wenn die Pt-Außenelektrode den Festelektrolyt unmittelbar kontaktiert.If the measuring probe is used in hot gas, this electrolytic contact does not exist, so that 4 * A closed measuring circuit only exists when the Pt outer electrode directly contacts the solid electrolyte contacted.

In Flg. 2 Ist als Beispiel der »EMK-Zeii-Verlauf« einer »ZrO2(Y2O3)-Pt/Rh-Sonde« In einer Na2B4O7-Schmelze bei 900° C und verschiedenen Atmosphären dargestellt. In dieser Darstellung bedeuten:In Flg. 2 Is shown as an example the »EMF-Zeii-course« of a »ZrO 2 (Y 2 O 3 ) -Pt / Rh-probe« in a Na 2 B 4 O 7 -melt at 900 ° C and different atmospheres. In this representation:

L = Luft (PO2 = 0.21 atm)L = air (PO 2 = 0.21 atm)

Oj = Sauerstoff (PO2 = 1 atm)Oj = oxygen (PO 2 = 1 atm)

L/O2(r) = Luft über der Glasschmelze und O2 a·' BezugsgasL / O 2 (r) = air above the glass melt and O 2 a · 'reference gas

L/L(r) = Luft über der Glasschmelze und Luft als BezugsgasL / L (r) = air above the glass melt and air as reference gas

O2/L(r) = O2 über der Glasschmelze und Luft als BezugsgasO 2 / L (r) = O 2 above the glass melt and air as reference gas

O2/O2(r) = O2 auf beiden SeltenO 2 / O 2 (r) = O 2 on both rare

= Theoretische EMK für O2/L(r) bei 900° C = Theoretische EMK für PO2 (Bezugsgas) = PO2 (Glas); also L/L(r) oder O2/O2(r) = Theoretische EMK für L/O2(r).= Theoretical EMF for O 2 / L (r) at 900 ° C = Theoretical EMF for PO 2 (reference gas) = PO 2 (glass); i.e. L / L (r) or O 2 / O 2 (r) = Theoretical EMF for L / O 2 (r).

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Meßsonde zur Bestimmung des SauerstofT-Partialdruckes in heißen Medien, bestehend aus einer Hochtemperatur-Festkörpermeßkette, bei welcher eine Edelmetall-Meßelektrode von einer Edelmetall-Bezugselektrode durch einen oxidischen Festelektrolyten getrennt ist, weicher In Form einer Tablette am Ende eines Metallrohres befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Festelektrolyt einheitlich aus einem dotierten Oxid besteht, und daß diese Tablette durch Heißpressen mit dem Ende des Metallrohres unmittelbar verbunden worden ist.1. Measuring probe for determining the oxygen partial pressure in hot media, consisting of a high-temperature solid-state electrode, in which a noble metal measuring electrode from a noble metal reference electrode separated by an oxidic solid electrolyte, softer in the form of a tablet at the end of a Metal pipe is attached, characterized in that this solid electrolyte consists of a single doped oxide, and that this tablet by hot pressing with the end of the metal tube directly has been connected. 2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyi ZrO2 oder ThO2 oder HfO2 oder LaO2 und das Dotierungsmittel CaO oder MgO oder Y2O3 oder Sc2O3 Ist.2. Measuring probe according to claim 1, characterized in that the solid electrolyte is ZrO 2 or ThO 2 or HfO 2 or LaO 2 and the dopant is CaO or MgO or Y 2 O 3 or Sc 2 O 3 . 3. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Rohr aus Edelmetall besteht.3. Measuring probe according to one of claims 1 or 2, characterized in that this tube is made of noble metal consists. 4. Meßsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektolytiablette von außen am Ende des Rohres befestigt ist.4. Measuring probe according to one of claims 1 to 3, characterized in that the solid electrolyte tablet is attached from the outside at the end of the tube. 5. Verwendung der Meßsonde gemäß Anspruch 1 zur Bestimmung des Sauerstoff-Partialdruckes in Glasschmelzen.5. Use of the measuring probe according to claim 1 for determining the oxygen partial pressure in Melting glass. 6. Verwendung der Meßsonde gemäß Anspruch 1 zur Bestimmung des Sauerstoff-Partialdruckes in Abgasen.6. Use of the measuring probe according to claim 1 for determining the oxygen partial pressure in Exhaust.
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