DE2914947A1 - DEVICE FOR GAS ANALYSIS WITH GALVANIC FIXED ELECTROLYTE CELLS - Google Patents
DEVICE FOR GAS ANALYSIS WITH GALVANIC FIXED ELECTROLYTE CELLSInfo
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Description
VEB Junkaior Dessau r,Q VEB Junkaior Dessau r, Q
45 Dossau 2845 Dossau 28
Aiiener Straße 43Aiiener Strasse 43
Einrichtung zur Gasanalyse mit galvanischen Festelektrolytzellen Device for gas analysis with galvanic solid electrolyte cells
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gasanalyse mit galvanischen Festelektrolytzellen, die für Kontroll-, Steuerungs- und Regelungszwecke vornehmlich an Industriegasen und in Luft einsetzbar ist und die sich unter Nutzung potentiometrischer, amperometrischer und coulometrischer Verfahren sowie katalytischer Effekte bei jeweils geringfügiger Abwandlung für verschiedene einzelne oder mehrere simultane kontinuierliche Bestimmungen vornehmlich von Sauerstoff, Schwefeldioxiden, Stickstoffoxiden und Kohlendioxid sowie für den Nachweis unverbrannter Gase neben Sauerstoff verwenden läßt. Die Einrichtung stellt eine Grundkonzeption für verschiedenartige Festelektrolyt-Gassensoren dar.The invention relates to a device for gas analysis with galvanic solid electrolyte cells which are used for control, Control and regulation purposes primarily on industrial gases and can be used in air and which can be achieved using potentiometric, amperometric and coulometric Process as well as catalytic effects with each slight modification for different individual or several simultaneous continuous determinations mainly of oxygen, sulfur dioxide, nitrogen oxides and carbon dioxide as well as for the detection of unburned gases in addition to oxygen. The facility provides a Basic concept for various types of solid electrolyte gas sensors represent.
Die Entwicklung dea Wissenschaftsgebietes Hochtemperatur-Elektrochemie mit Festelektrolytzellen hat zur Entdeckung zahlreicher Festelektrolyte und zur Entwicklung verschiedener Anordnungen und Verfahren mit Festelektrolytzellen geführt, die sich in einem weiten Temperaturbereich zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen selektiven Be-Stimmung einzelner Komponenten reiner und unreiner Gasgemische eignen. Diese Einrichtungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie unmittelbar elektrische Signale liefern, die einfach elektronischen Anzeige- und Registriergeräten oder automatischen Regeleinrichtungen zugeführt werden können. Besonders vorteilhaft ist die Einführung von Sonden mit der Meßstelle im Sondenkopf direkt in den zu untersuchenden Industriegasstrom, wobei man das Gas am besten durchThe development of the scientific field of high-temperature electrochemistry Using solid electrolyte cells has led to the discovery of numerous solid electrolytes and to the development of various Arrangements and processes with solid electrolyte cells, which are continuous over a wide temperature range or discontinuous selective determination of individual components of pure and impure gas mixtures suitable. These devices are characterized by the fact that they directly supply electrical signals that can easily be fed to electronic display and registration devices or automatic control devices. It is particularly advantageous to introduce probes with the measuring point in the probe head directly into the area to be examined Industrial gas flow, the best way to get the gas through
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einen Filterkörper von allein zur Meßstelle diffundieren läßt, so daß keine Gasprobe mit Hilfe einer Pumpe angesaugt werden muß. Derartige Sonden sind wartungsarm und liefern Signale in kurzen Zeiten, die für Automatisierungszwecke günstig sind; durch die geometrische Gestaltung der Filtermeßzellen-Anordnung läßt sich je nach den Erfordernissen eine räumliche und zeitliche Mitteilung der in Industriegasströmen oft stark schwankenden Gaskonzentrationswerte erreichen. allows a filter body to diffuse by itself to the measuring point, so that no gas sample is sucked in with the aid of a pump must become. Such probes require little maintenance and deliver signals in short times for automation purposes are cheap; by the geometric design of the filter measuring cell arrangement, depending on the requirements a spatial and temporal communication of the industrial gas flows often reach strongly fluctuating gas concentration values.
Sonden zur Sauerstoffmessung in Rauchgasen sind kommerziell bereits eingeführt. Sie enthalten galvanische Zellen mit oxidionenleitenden Festelektrolyten in der Regel aus stabilisiertem Zirkondioxid; entweder werden sie von der Umgebung oder durch einen elektrischen Ofen auf der Betriebstemperatur gehalten.Probes for measuring oxygen in flue gases have already been introduced commercially. They contain galvanic cells with oxide ion-conducting solid electrolytes usually made of stabilized zirconium dioxide; either they are from the environment or kept at operating temperature by an electric furnace.
Um brennbare Gasbestandteile -wie Methan, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff neben Sauerstoff nachzuweisen, wurde bereits vorgeschlagen, an oxidionenleitenden Festelektrolyten die Spannung zwischen einer Elektrode aus Pt, Pd oder Rh und einer Elektrode aus Ag oder Au zu messen. Auf Grund erheblicher Unterschiede in der katalytischen Aktivität dieser Elektroden treten elektrische Signale auf, deren Größe mit der Konzentration der brennbaren Gase zunimmt.Around flammable gas components - such as methane, carbon monoxide or to detect hydrogen in addition to oxygen, it has already been proposed to use solid electrolytes that conduct oxide ions Measure voltage between an electrode made of Pt, Pd or Rh and an electrode made of Ag or Au. Due to significant Differences in the catalytic activity of these electrodes occur electrical signals, their size with the concentration of flammable gases increases.
Weiter wurde vorgeschlagen, aus einem vom Meßgasraum bis auf einen engen Durchlaß (Kapillare, Spalt oder Poren) abgetrennten Raum mittels einer galvanischen Zelle über einen oxidionenleitenden Festelektrolyten den Sauerstoff abzutrennen, wobei die Zeit des Fließens eines konstanten Stromes oder die Zahl der notwendigen Stromimpulse bis zur praktisch vollständigen Sauerstoffabtrennung der Sauerstoffkonzentration im Meßgas proportional sind. Bei diesem coulometrischen Verfahren benötigt man keine Bezugselektrode.It has also been proposed that one be separated from the measuring gas space except for a narrow passage (capillary, gap or pores) Space to separate the oxygen by means of a galvanic cell via an oxide ion-conducting solid electrolyte, being the time of the flow of a constant current or the number of necessary current pulses up to practically complete oxygen separation are proportional to the oxygen concentration in the measuring gas. With this coulometric Procedure you do not need a reference electrode.
Lange bekannt ist die Möglichkeit, poröse inerte Körper mit Elektrolytsubstanzen zu imprägnieren und zum Aufbau von Festelektrolytzellen zu verwenden. Solche Zellen mit Karbonatelektrolyt und Silberelektroden sind zur potentiometrischen Bestimmung von Sauerstoff und Kohlendioxid vorgeschlagenThe possibility of impregnating porous inert bodies with electrolyte substances and of building solid electrolyte cells has long been known to use. Such cells with carbonate electrolyte and silver electrodes are used for potentiometric Determination of oxygen and carbon dioxide suggested
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Ια neuerer Zeit wurde nachgewiesen, daß sich in sauerstoffhaltigen Gasen viele gasförmige Anhydride mit Zellen, die als Festelektrolyte Salze mit Oxydanionen der Anhydride enthalten, potentiometrisch bestimmen lassen. Beispielsweise ergab sich, daß an Kaliumsulfat als Pestelektrolyt und an Elektroden mit Platin bei 820 0C der NERNSTschen Gleichung weitgehend entsprechende Spannungen von SOg-Konzentrationszellen über einen Bereich von etwa 1 bis 10 000 Vol.-ppm meßbar sind. Allerdings existiert bei Sensoren dieser Art zugleich eine Abhängigkeit vom Quotienten der Sauerstoffpartialdrücke, die in den Elektrodenräumen vorliegen. Die elektrochemischen Bruttoelektrodenreaktionen und die Zellreaktionen, die in den hier besonders interessierenden Gassensoren ablaufen können, sind nämlich folgende:More recently it has been shown that many gaseous anhydrides can be determined potentiometrically in oxygen-containing gases with cells that contain salts with oxide anions of the anhydrides as solid electrolytes. For example, that are measurable ppm by volume of potassium sulfate as Pestelektrolyt and electrodes with platinum at 820 0 C the Nernst equation largely corresponding voltages of so-called concentration cells over a range of about 1 to 10,000 resulted. However, with sensors of this type there is also a dependency on the quotient of the oxygen partial pressures that are present in the electrode spaces. The gross electrochemical electrode reactions and the cell reactions that can take place in the gas sensors of particular interest are as follows:
-Sensor-Sensor
2" 2 "
SO ^2O2 + 2 β" ^ Ο2" O2CD ^ 02(2)SO ^ 2O 2 + 2 β "^ Ο 2 " O 2 CD ^ 0 2 (2)
SOp -SensorSOp sensor
2-2-
SO2 + O2 + 2 β" ^ SO4^" S02(D+02(1)^S02(2) + O2 (2) C0„ -SensorSO 2 + O 2 + 2 β "^ SO 4 ^" S0 2 (D + 0 2 (1) ^ S0 2 (2) + O 2 (2) C0 "sensor
CO2 + 1 O2 + 2 e~^ CO3 2" C02(D+2-02(D ^ CO2C2) +CO 2 + 1 O 2 + 2 e ~ ^ CO 3 2 "C0 2 (D + 2-0 2 (D ^ CO 2 C2) +
NO2 -SensorNO 2 sensor
+ i O0 (2)+ i O 0 (2)
Wenn der Sauerstoffpartialdruck im Meßgas gleich dem im Bezugsgas ist, beispielsweise bei Spurenmessungen in Luft, dann hebt sich der Einfluß dieses Druckes auf die Zellspannung heraus. Wenn der Sauerstoffpartialdruck im Meßgas jedoch stark schv/ankt, beispielsweise bei Messungen in Rauchgasen, muß er berücksichtigt werden, wofür die Kombination der Signale des SO2-, CO2- oder NO2-Sensors mit dem Signal eines Sauerstoffsensors vorgeschlagen wurde.If the oxygen partial pressure in the measuring gas is the same as that in the reference gas, for example in the case of trace measurements in air, then the influence of this pressure on the cell voltage becomes apparent. However, if the oxygen partial pressure in the measuring gas fluctuates strongly, for example when measuring in flue gases, it must be taken into account, for which the combination of the signals from the SO 2 , CO 2 or NO 2 sensor with the signal from an oxygen sensor has been proposed.
Um die unbequemen Gasbezugselektroden mit bekanntem Gehalt . an SO2, CO2 oder NO2 zu vermeiden, können feste Bezugselektroden aus einem Metall und dem entsprechenden Salz diesesAbout the uncomfortable gas reference electrodes with a known content. To avoid SO 2 , CO 2 or NO 2 , fixed reference electrodes made of a metal and the corresponding salt of this can be used
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Metalls benutzt werden. Soweit kein reduzierendes Gas einwirkt, eignen sich Bezugselektroden aus Silber und Silbersulfat, -karbonat oder -nitrat in fester Lösung im Festelektrolytmaterial. Metal can be used. As long as there is no reducing gas, reference electrodes made of silver and silver sulfate are suitable, carbonate or nitrate in solid solution in the solid electrolyte material.
Die bisher vorgeschlagenen Einrichtungen zur Gasanalyse mit Festelektrolytzellen sind sehr mannigfaltig hinsichtlich der Art und Form des Festelektrolyten, der Gestaltung der Elektroden, der Verwendung von Bezugssystemen, Heiz- und Filtereinrichtungen sowie der Anordnung dieser Bauelemente. Zu jedem Gasanalysenverfahren mit Festelektrolytzellen und zu jeder Art von Festelektrolyt sind spezielle Konstruktionen angegeben worden; dagegen fehlen Konstruktionen von Gasmeßsonden, die multifunktionell einsetzbar sind.The previously proposed devices for gas analysis with solid electrolyte cells are very varied in terms of the type and shape of the solid electrolyte, the design of the electrodes, the use of reference systems, heating and Filter devices and the arrangement of these components. For every gas analysis method with solid electrolyte cells and Special constructions have been given for each type of solid electrolyte; on the other hand, there are no constructions of gas measuring probes, which can be used multifunctionally.
Viele spezielle Bauteile und verschiedenartige Anordnungen sind für eine industrielle Serienfertigung ungünstig. Die Sonden werden dadurch teuer und können nicht in dem Maße auch in kleinen Industrieanlagen eingesetzt werden, wie es wünsehenswert ist.Many special components and various arrangements are unfavorable for industrial series production. the This makes probes expensive and cannot be used in small industrial plants to the extent that it is worth seeing is.
Viele vorgeschlagene Einrichtungen erfüllen ihren Zweck zwar im Zustand unmittelbar nach ihrer Herstellung, sind aber in ihren mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften nicht genügend stabil, um den rauhen Bedingungen des industriellen Einsatzes langzeitig standzuhalten. Auch den Anforderungen einer einfachen sicheren Montage bei der industriellen Serienfertigung entsprechen viele bisher vorgeschlagene Einrichtungen nicht; insbesondere sind einfache gesicherte elektrische Zuleitungen zur Meßzelle oftmals nicht gewährleistet.Many proposed devices serve their purpose immediately after their manufacture, but are in Their mechanical and electrochemical properties are not stable enough to withstand the harsh industrial conditions To withstand long-term use. Also the requirements of a simple, safe assembly in the industrial series production many of the facilities proposed so far do not match; in particular, they are simple secured electrical Feed lines to the measuring cell are often not guaranteed.
Schließlich werden vielfach metallische Bauteile verwendet, wo zur Vermeidung von Korrosion besser keramische Teile herangezogen werden sollten.Finally, metallic components are often used, where it is better to use ceramic parts to avoid corrosion should be.
Die Erfindung bezweckt eine Einrichtung, die sich leicht industriell fertigen läßt und bei geringfügigen Variationen einzelner Bauteile und unter Verwendung vieler bereits handelsüblicher Bauteile als relativ billiger betriebssicherer Sensor mit großem Einsatzbereich für verschiedene einzelne Gase oder nebeneinander für mehrere verschiedene Gase wirkt.The invention aims at a device which is easy to manufacture on an industrial scale and with slight variations individual components and using many components that are already commercially available as relatively cheaper and more reliable Sensor with a large area of application for different individual gases or side by side for several different gases.
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Technische Aufgabe der ErfindungTechnical problem of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sondenförmige Einrichtung mit verschiedenen Festelektrolytzellen aus möglichst vielen handelsüblichen Keramikteilen anzugeben, deren Festelektrolytzellen unterschiedliche Ionenleiter sowie Elektrodenarten und -anordnungen für bekannte potentiometrische, potentiometrisch-elektrokatalytische, amperometrieehe und coulometrische Verfahren enthalten und sich ohne wesentliche Änderung der baulichen Grundkonzeption in einfacher stabiler Weise in die Sondenanordnung einfügen lassen. Die Sondenkonzeption soll für die Bestimmung verschiedener Gase einzeln oder simultan über den gesamten Temperaturbereich einsetzbar sein, in dem das jeweilige Meßprinzip und Zellmaterial anwendbar ist.The invention is based on the object of a probe-shaped Specify device with different solid electrolyte cells from as many commercially available ceramic parts as possible, their Solid electrolyte cells different ion conductors as well as electrode types and arrangements for known potentiometric, potentiometric-electrocatalytic, amperometric marriage and coulometric methods contain and deviate without substantial Allow changes to the basic structural design to be incorporated into the probe arrangement in a simple, stable manner. the Probe design is intended for the determination of different gases individually or simultaneously over the entire temperature range be used in which the respective measuring principle and cell material can be used.
Merkmale der ErfindungFeatures of the invention
Die Erfindung geht von einem Hohlkörper mit Ionenleitfähigkeit oder von einem Teile mit verschiedener Ionenleitfähigkeit enthaltenden Hohlkörper aus, der im folgenden Grundkörper genannt wird. Der Grundkörper trägt außen eine Meßelektrode oder mehrere voneinander getrennte Meßelektroden und enthält innen ein Bezugssystem oder mehrere, verschiedenen Meßelektroden gegenüberliegende Bezugssysteme. Die erfindungsgemäße Zellenanordnung zeichnet sich nun dadurch aus, daß die Drahtzuleitungen zu den einzelnen Elektroden mit Hilfe von Durchführungen durch Bohrungen und von Nuten an einem Ende des Grundkörpers und durch ein Mehrfachkapillarrohrstück mit Riegel sowie mit Hilfe von Biegungen in den Drahtzuleitungen oder an Drahtzuleitungen angebrachten korrosionsfesten Teilen gegen die Wirkung von Zug und Torsion auf die Elektroden gesichert am Grundkörper befestigt sind und daß der Grundkörper mit den Elektroden und den angeschlossenen Leitungen an ein gasdichtes Führungsrohr koaxial mit Hilfe eines Glases oder einer Sintermasse unter Verschließung der Draht durchf uhr ungen gasdicht angesetzt ist und zusammen mit dem Führungsrohr, mit oder ohne übergesteckten elektrischen Ofen, Temperaturfühler und Prüfgasleitung in ein poröses, als Filter wirkendes Keramikrohr mit geschlossenem oder durchfohrtem BodenThe invention is based on a hollow body with ionic conductivity or from a part containing different ionic conductivity Hollow body, which is called the base body in the following. The base body carries one or more measuring electrodes on the outside separate measuring electrodes and contains inside a reference system or several different measuring electrodes opposing frames of reference. The cell arrangement according to the invention is now characterized in that the wire feed lines to the individual electrodes with the help of bushings through holes and grooves at one end of the base body and by a multiple capillary tube with a latch and with the help of bends in the wire leads or on Corrosion-resistant parts attached to wire feed lines are secured against the effects of tension and torsion on the electrodes are attached to the base body and that the base body with the electrodes and the connected lines to a Gas-tight guide tube coaxial with the help of a glass or a sintered mass with the wire leadthroughs closed is attached gas-tight and together with the guide tube, with or without an electric oven, a temperature sensor and test gas line into a porous ceramic tube that acts as a filter and has a closed or penetrated bottom
gesteckt ist. 030011/0535is plugged. 030011/0535
Die Leitungen von den Meßelektroden sind durch Keramikisolierrohre an das .finde des Grundkörpers verlegt, das an das Führungsrohr anstößt. Sie sind dort durch Bohrungen im Grundkorper senkrecht zu dessen Achse in längs des Grundkörpers außen angebrachte Kerben oder an außen verdünnten Stellen in das Innere des Grundkörperrohres hinein und dann zum Führungsrohr geführt, wobei die Leitungen jeweils vor und nach der Bohrung im Winkel von etwa 90° gebogen sind.The leads from the measuring electrodes are through ceramic insulating tubes relocated to the .finding of the base body that abuts the guide tube. They are there through holes in the base body perpendicular to its axis in notches made on the outside along the base body or in externally thinned points in the Inside the main body tube and then led to the guide tube, the lines in each case before and after the bore are bent at an angle of about 90 °.
Das Mehrfachkapillarrohrstück weist auf einer Stirnfläche einen Riegel auf, der in eine Nut in der Stirnfläche des zugewandten Endes des Grundkörpers eingreift und axiale Torsionen verhindert. Die elektrischen Leitungen von Innen- und Außenelektrode sind einzeln durch die Kapillaren des Mehrfachkapillarrohrstückes verlegt. An elektrischen Leitungen von Innenelektroden befinden sich unmittelbar vor der Durchtrittsstelle durch eine Kapillare Biegungen oder in irgendeiner Weise festgelegte korrosionsfeste Teile, die ein Durchziehen durch die Kapillare verhindern. Unmittelbar hinter den Durchtrittsstellen elektrischer Leitungen durch Kapillaren befinden sich Biegungen oder in irgendeiner Weise festgelegte korrosionsfeste Teile, die die Ausübung von Druck über Leitungen auf Elektroden verhindern.The multiple capillary tube has an end face a latch that goes into a groove in the face of the facing The end of the body engages and prevents axial torsion. The electrical wiring from indoor and Outer electrodes are individually through the capillaries of the multiple capillary tube piece relocated. On electrical lines of internal electrodes are located directly in front of the point of passage by a capillary bends or in some way fixed corrosion-resistant parts that allow pulling through prevent through the capillary. Located immediately behind the points where electrical lines pass through capillaries bends or in some way fixed corrosion-resistant parts that the exertion of pressure through pipes prevent on electrodes.
Zur Gewährleistung des gasdichten Anschlusses des Grundkörpers mit der Zellenanordnung an das Führungsrohr sollen sich diese Körper und dieses Rohr im Ausdehnungskoeffizienten wenig voneinander unterscheiden; sie sind zueinander passend geschliffen oder andersartig passend verformt und mit einer Dichtungsmasse, deren Ausdehnungskoeffizient am besten zwischen dem des Grundkörpers und dem des Führungsrohres liegt, verbunden. To ensure the gas-tight connection of the base body with the cell arrangement on the guide tube, these bodies and this tube should have little expansion coefficient differ from each other; they are ground to match each other or otherwise suitably deformed and with a Sealing compound, the expansion coefficient of which is best between that of the base body and that of the guide tube, connected.
Teile des Grundkörpers für die Messung großer bis kleiner Sauerstoffpartialdrücke bestehen aus einem oxidionenleitenden Festelektrolyten vornehmlich auf der Basis des stabilisierten Zirkondioxids. Teile des Grundkörpers ausschließlich für die fassung großer Sauerstoffpsrtialdrücke bestehen vornehmlich aus porösen, elektrisch nichtleitenden Keramikkörpern, in denen die Poren mit oxidionenleitenden Festelektrolyten mitParts of the base body for the measurement of large to small oxygen partial pressures consist of an oxide ion-conducting Solid electrolytes primarily based on stabilized zirconium dioxide. Parts of the body exclusively for the holdings of high oxygen partial pressures mainly exist made of porous, electrically non-conductive ceramic bodies, in which the pores with oxide ion-conductive solid electrolytes with
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Wismutoxid als Hauptbestandteil imprägniert sind. Teile des G¥undkörpers für die Messung der Partialdrücke schwefelhaltiger, stickstoffoxidh<iger oder kohlenstoffhaltiger Gase bestehen vornehmlich aus porösen, elektrisch nichtleitenden Keramikkörpern, in denen die Poren mit Salzen imprägniert sind, deren Anionen mit dem analytisch zu erfassenden gasförmigen Oxid oder mit dem aus der analytisch zu erfassenden Verbindung durch Oxydation entstehenden gasförmigen Oxid unter Austausch von Elektronen mit dem Elektroden-metall sowie mit Sauerstoff aus dem Heßgas eine Elektrodenreaktion einzugehen vermögen. Bismuth oxide are impregnated as the main component. Parts of the Solid body for measuring the partial pressures of sulfur-containing, nitrogen-oxide-containing or carbon-containing gases mainly made of porous, electrically non-conductive ceramic bodies in which the pores are impregnated with salts, their anions with the gaseous oxide to be determined analytically or with the compound to be determined analytically Gaseous oxide formed by oxidation with the exchange of electrons with the electrode metal and with oxygen are able to enter into an electrode reaction from the hot gas.
Die Meßelektroden bestehen aus porösen Schichten legierter oder unlegierter Platinmetalle mit oder ohne Beimengung katalytisch wirkender oxidiacher Substanzen püer aus porösen Schichten aus Silber, Gold oder deren Legierungen. Zur Kontaktierung sind darauf Gebilde aus Drcrit, Blech oder Drahtnetz vornehmlich aus gleichem Edelmetall angebracht, an die elektrische Leitungen in Form zunderfester Drähte vornehmlich aus Kanthai angeschweißt sind.The measuring electrodes consist of porous layers of alloyed or unalloyed platinum metals with or without the addition of catalytically active oxidizing substances and porous layers of silver, gold or their alloys. For contacting, structures made of wire, sheet metal or wire mesh, primarily made of the same noble metal, are attached to which electrical lines in the form of non-scaling wires, primarily made of Kanthal, are welded.
Die Bezugselektroden im Inneren des rohrförmigen Grundkorpers sind wie die Keßelektroden aufgebaut oder aus einer elektronenleitenden oxidischen Schicht mit kontaktierenden metallisehen Gebilden hergestellt und von einem Bezugsgas, vornehmlich Luft oder Luft mit bestimmtem Gehalt an SOp, NOp oder COp, umgeben. Das Bezugssystem für Zellen zur Messung gasförmiger Oxide innen auf dem mit reinem Salz imprägnierten Keramikkörper kann aber auch aus einer Schicht, die aus dem betreffenden Salz mit Zusatz eines Silbersalzes gebildet ist, einer Silberschicht darauf und einem kontaklierenden metallischen Gebilde darauf bestehen, Bei einer solchen Einrichtung ist das Bezugssystem gegen die Gefahr der Einwirkung sauerstoffarmer oder reduzierender Gase ständig mit Luft überspült.The reference electrodes inside the tubular body are constructed like the Keßelectrodes or from an electron-conducting oxidic layer with contacting metallisehen Formed and manufactured from a reference gas, primarily air or air with a certain content of SOp, NOp or COp, surrounded. The reference system for cells for measuring gaseous oxides on the inside of the ceramic body impregnated with pure salt but can also consist of a layer that is formed from the salt in question with the addition of a silver salt, a silver layer on top and a contacting metallic one Formations insist, In such a facility, the reference system against the risk of exposure is less oxygenated or reducing gases are constantly flushed with air.
Meßgasraum und Bezugselektrodenraum sind über eine Kapillare an dem von elektrischen Leitungen freien Ende des Grundkörpera miteinander verbunden. Infolge von Unterdruck im Ließgasraum oder durch einen mit geeigneten Hilfsmitteln erzeugten kleinen Überdruck im Bezugselektrodenraum strömt kontinuierlich Bezugs- oder Spülgas über dieBezugselektroden durch die Kapillare in den Meßgasraum.The measuring gas space and the reference electrode space are via a capillary at the end of the base body free of electrical lines connected with each other. As a result of negative pressure in the let gas space or by one generated with suitable aids small overpressure in the reference electrode compartment flows continuously Reference or purging gas via the reference electrodes through the capillary into the measuring gas space.
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Zur Ausführung amperometrischer oder coulometrischer Verfahren sind die Elektroden großflächig ausgebildet und die dem Meßgas zugewandte Außenelektrode ist von einem rohrförmigen Hohlkörper umgeben, der auf der Seite der elektrischen Zuleitungen unter Verwendung von Dichtungsmasse gasdicht am Grundkörper befestigt ist und der auf der anderen Seite den Grundkörper bis auf einen Gasdurchtrittsspalt, dessen Gasdurchlaß durch iCinbringen eines porösen Kittes eingeschränkt sein kann, umschließt. In order to carry out amperometric or coulometric processes, the electrodes and the measuring gas are designed over a large area facing outer electrode is surrounded by a tubular hollow body on the side of the electrical supply lines is attached to the base body in a gastight manner using sealing compound and the base body on the other side except for a gas passage gap, the gas passage of which can be restricted by introducing a porous cement.
Der elektrische Ofen zur Beheizung der I'estelektrolytzellen bei unzureichenden Umgebungstemperaturen besteht aus einem Keramikrohr mit vorzugsweise 16 Längsbohrungen in der Rohrv/and. Durch 14 dieser Bohrungen ist der Heizleiter hindurchgeführt. 26O Die verbleibenden Bohrungen liegen gegenüber, nehmen die benötigte Anzahl von Thermoelementen auf und enthalten Einschnitte und Querbohrungen zum Durchlaß von Meßgas.The electric furnace for heating the test electrolyte cells If the ambient temperature is inadequate, it consists of a ceramic tube with preferably 16 longitudinal bores in the tube v / and. The heating conductor is passed through 14 of these holes. 26O The remaining holes are opposite, take the required one Number of thermocouples and contain incisions and cross bores for the passage of measuring gas.
Zur Einstellung unterschiedlich hoher Temperaturen an verschiedenen Meßelektroden sind die.se Meßelektroden jeweils in der Mitte verschiedener Öfen oder an Stellen im Temperaturgefälle eines Ofens mit den gewünschten Temperaturen gelagert und durch entsprechend gelagerte Thermoelemente unter Kontrolle gebracht. For setting different high temperatures at different Measuring electrodes are these measuring electrodes in the middle of different ovens or at points with a temperature gradient of a furnace with the desired temperatures and brought under control by appropriately mounted thermocouples.
Das als Filter wirkende, die genannten Sondenteile umschlies-27O sende Keramikrohr besitzt Poren mit Weiten bis etwa 30 /Um, vornehmlich von 5 bis 10 /Um. In denBoden des einseitig geschlossenen Keramikfilberrohres ist eine Öffnung zum Durchstecken der Bezugsgasaustrittskapillare eingebracht. Das Keramikfilterrohr steckt zum Schutz in einem Keramik- oder zunderfesten Metallrohr mit Gasleiteinrichtungen und Gasdurchlaßoffnungen und ist damit direkt in den Raum mit dem Analysengas oder in eine Anordnung zur Entnahme von Querschnittsproben eingebaut.The part of the probe, which acts as a filter, encloses the named parts of the probe Send ceramic tube has pores with widths up to about 30 / um, primarily from 5 to 10 / um. In the bottom of the unilaterally closed Ceramic filter tube is an opening that can be pushed through the reference gas outlet capillary introduced. The ceramic filter tube For protection, it is placed in a ceramic or scale-proof metal tube with gas guiding devices and gas passage openings and is thus directly in the room with the analysis gas or in an arrangement for taking cross-sectional samples built-in.
Bei Unzulässigkeit der Abgabe des über die Bezugselektroden strömenden Gases in den Analysengasraum ist der Grundkörper an dem Ende ohne elektrische Leitungen durch eine Dichtungsmasse verschlossen, das Filterrohr am Boden nicht durchbohrt und durch eine Kerbe im Mehrfachkapillarrohr ein Rohr zumIf the discharge of the gas flowing over the reference electrodes into the analysis gas space is not permitted, the base body is closed at the end without electrical lines by a sealant, the filter tube is not pierced at the bottom and through a notch in the multiple capillary tube a tube for
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Eindrücken von Gas in den Bezugselektrodenraum gelegt. Der Raum innerhalb des Keramikfilterrohres um die Meßelektroden herum ist nach der Seite des ausströmenden Bezugsgases und nach der entgegengesetzten Seite hin durch Teile aus Keramik oder oxidischem Fasermaterial begrenzt und gegen Staub weitgehend abgedichtet»Pressing gas into the reference electrode compartment. The space inside the ceramic filter tube around the measuring electrodes around is to the side of the outflowing reference gas and to the opposite side through parts made of ceramic or oxidic fiber material and largely sealed against dust »
Die Meßelektroden sind derart von Teilen des Ofens oder von Keramikrohren umhüllt, daß in die Sonde eingedrungene Schwebeteilchen nicht auf die Meßelektrode fallen und Meßgas nur auf horizontalem Y/eg an die Meßelektroden herandiffundieren kann.The measuring electrodes are so from parts of the furnace or from Ceramic tubes are encased so that suspended particles that have penetrated the probe do not fall on the measuring electrode and only measuring gas Diffuse on the horizontal Y / eg to the measuring electrodes can.
Der freie Raum zwischen den Meßelektroden und dem Keramikfilterrohr ist mit loaen Stücken von 0,5 bis 2,0 mm Dicke aus gasdicht gesintertem Magnesiumoxid oder aus stabilisiertem Zirkonoxid ganz oder teilweise ausgefüllt.The free space between the measuring electrodes and the ceramic filter tube is made up of loaen pieces from 0.5 to 2.0 mm thick Gas-tight sintered magnesium oxide or stabilized zirconium oxide completely or partially filled.
Ein multifunktioneller Festelektrolyt-Gassensor speziell für Messungen an Rauchgasen von Feuerungsanlagen ist aus einem Rohr aus oxidischem Festelektrolyten, außen mit je einer Meßelektrode aus Platin (I) und Gold (II) sowie innen mit einerA multifunctional solid electrolyte gas sensor especially for Measurements on flue gases from combustion systems are made from a tube made of oxidic solid electrolyte, each with a measuring electrode on the outside made of platinum (I) and gold (II) as well as with an inside
I und II gegenüberliegenden Bezugselektrode aus Platin (III), und aus einem porösen Keramikrohr mit Kaliumsulfat in den Poren, außen mit einer Meßelektrode aus Platin (IV) und innen mit einer Bezugselektrode (V) aus Kaliumsulfat mit 1 Masse-% Silbersulfat und einer Schicht Silber darauf, zusammengesetzt. Diese Kombination von Festelektrolytzellen ist gasdicht an ein Führungsrohr angesetzt, enthält innen reine Luft und ist außen von einem elektrischen Ofen sowie Filterrohr so umgeben, daß von Staub gereinigtes Rauchgas an die Meßelektroden I,I and II opposite reference electrode made of platinum (III) and a porous ceramic tube with potassium sulfate in the pores, outside with a measuring electrode made of platinum (IV) and inside with a reference electrode (V) made of potassium sulfate with 1 mass% Silver sulfate and a layer of silver on top. This combination of solid electrolyte cells is gas-tight A guide tube is attached, contains clean air inside and is surrounded by an electric oven and filter tube on the outside so that that flue gas cleaned of dust is sent to the measuring electrodes I,
II und IV herandiffundieren kann. Elektronische Geräte sind zur Sauerstoffmessung mit den Elektroden I und III, zum Nachweis unverbrannter Gaabestandteile mit den Elektroden I und II und zur Messung von Schwefeldi- und trioxid mit den Elektroden I,III, IV und V in der für die Bildung der gewünschten Signale geeigneten Weise verbunden.II and IV can diffuse in. Electronic devices are for oxygen measurement with electrodes I and III, for detection unburned gas components with the electrodes I and II and for the measurement of sulfur dioxide and trioxide with the electrodes I, III, IV and V in the for the formation of the desired Signals connected in a suitable manner.
Ein mono- oder multifunktioneller Festelektrolyt-Gassensor speziell für transportable Geräte zur Messung von Gaspartialdrücken in der freien Atmosphäre, an Sauerstoffanlagen, inA mono- or multifunctional solid electrolyte gas sensor Especially for portable devices for measuring gas partial pressures in the free atmosphere, on oxygen systems, in
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Arbeitsräumen, Bergwerksschächten usw. besteht aua weitgehend miniaturisierten Teilen, vornehmlich aus einem Grundkörper mit 2 bis 3 mm Außendurchmesser, und ist mit einem Mikroofen, der den Sensor mit Hilfe einer transportablen oder durch Kabel angeschlossenen Stromquelle auf der Betriebstemperatur hält, sowie bei Unbrauchbarkeit der Umgebungsluft als Bezugsgas mit einem Bezugsgasreservoir ausgerüstet.Work rooms, mine shafts, etc. also largely exist miniaturized parts, primarily from a base body with an outer diameter of 2 to 3 mm, and is equipped with a micro-oven that controls the sensor with the help of a portable or by means of a cable connected power source at the operating temperature, as well as when the ambient air is unusable equipped as reference gas with a reference gas reservoir.
An den Eintrittsstellen des Gases für das Bezugssystem und des Prüfgases befinden sich auswechselbare Gasfilter sowie Vorrichtungen für den Anschluß von Schwebekegelgeräten (Rotametern) zur dauernden oder zeitv/eiligen Kontrolle der Gasströmungsgeschwindigkeit.There are replaceable gas filters and at the entry points of the gas for the reference system and the test gas Devices for the connection of floating cone devices (rotameters) for permanent or temporary control of the Gas flow rate.
Die erfindungsgemäße Ausführung des Grundkörpers mit den gesicherten Drahtzuleitungen zu den !Elektroden gestattet eine bequeme Montage unter Uormalbedingungen. Der Anschluß an das Führungsrohr und die Abdichtung aller Öffnungen an dieser Anschlußstelle werden in einem Schritt bei hoher Temperatur erreicht. Die verwendeten Teile sowie der angegebene Aufbau bieten wesentliche Vorteile für eine relativ einfache Serienfertigung. Die ,linrichtungskonzeption hat nicht nur sehr variable Anv.endungsmöglichkeiten zur Folge, sondern enthält auch wichtige Voraussetzungen für eine große Standzeit der Sensoren in Industrißgasen: Einsatz korrosionsfester Keramikteile, an Kontaktnetze angeschweißte zunderfeste, ohne Unterbrechung aus der Sonde herausführende Leitungsdrähte, Staubrückhaltung durch Filter geringer Porenweite und Heßgasraumbegrenzung, gegen'Staubsedimentation im Filterraum geschützte Lagerung der Ivleßelektrode, Ab- und Adsorptionsmittel für Verunreinigungsdämpfe.The inventive design of the base body with the secured Wire leads to the electrodes allow easy assembly under normal conditions. The connection to the Guide tube and the sealing of all openings on this Connection points are reached in one step at high temperature. The parts used and the specified structure offer significant advantages for a relatively simple series production. The directional conception is not only very variable Possible applications, but also contains important prerequisites for a long service life of the Sensors in industrial gases: use of corrosion-resistant ceramic parts, non-scaling lead wires that are welded to contact networks and lead out of the probe without interruption, Dust retention through filters with a small pore size and hot gas space limitation, against dust sedimentation in the filter space Protected storage of the measuring electrode, absorbent and adsorbent for contaminant vapors.
Ausführungsbeispiele
35O In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:Embodiments
35O In the accompanying drawings show:
Fig. 1 : Aufsicht auf eine einfache FestelektrolytzelleFig. 1: Top view of a simple solid electrolyte cell
mit angebautem Mehrfachkapillarrohrstück; Fig. 1 a : Aufsicht auf das dem Festelektrolytrohr zugewendete Ende des Mehrfachkapillarrohrstückea; Pig· 1 b : Schnitt durch das Mehrfachkapillarrohrstück;with attached multiple capillary tube section; 1 a: a plan view of the end of the multiple capillary tube piece a facing the solid electrolyte tube; Pig · 1 b: section through the multiple capillary tube piece;
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Fig. 2 : Schnitt durch die einfacheFig. 2: Section through the simple
mit angebautem Mehrfachkapillarrohrstück und Teil des Führungsrohres;with attached multiple capillary tube piece and part of the guide tube;
Fig. 2a; Schnitt durch eine Schliffanpassung des Festelektrolytrohres an das Führungsrohr;Fig. 2a; Section through a cut adaptation of the solid electrolyte tube to the guide tube;
Fig. 2bFigure 2b
bis 2 f : Schnitte und Ansichten verschiedener Vorrichtungen, die ein Bewegen von Drahten durch die Xeramikkapillaren verhindern;up to 2 f: sections and views of various devices, moving wires through the xeramikcapillaries impede;
Fig. 3 : Schnitt durch eine bifunktionelle Anordnung auf einem Festelektrolytrohr;Fig. 3: Section through a bifunctional arrangement a solid electrolyte tube;
Figo 4 : Schnitt durch eine Festelektrolytzelle mit großen !elektroden, die F.-ießelektrode umhüllendem Hohlkörper und angebauten Teilen; 4: Section through a solid electrolyte cell with large electrodes, the hollow body enveloping the flow electrode and attached parts;
Fig. 5 : Schnitt durch eine trifunktionelle Anordnung
auf zwei Festelektrolytrohren;Fig. 5: Section through a trifunctional arrangement
on two solid electrolyte tubes;
Fig. G : Schnitt durch den Kopf einer Sonde mit einer
einfachen FesteleKtrolytzelle ohne Heizofen;
Fig. 7 : Schnitt durch den Kopf einer Sonde mit bifunktioneller Anordnung auf einem Festelektrolytrohr
in einem Heizofen mit Gasciurchlaßöffnungen imFig. G : Section through the head of a probe with a
simple fixed electrolyte cell without heating furnace;
7: Section through the head of a probe with a bifunctional arrangement on a solid electrolyte tube in a heating furnace with gas passage openings in the
Mittelteil;Middle part;
Fig. 8 : Schnitt durch einen Röhrenofen zur Sondenbeheizung; 8: Section through a tube furnace for probe heating;
Fig. 8 a : Aufsicht auf eine Stirnfläche des Röhrenofens vor Verschmieren mit Schutzmasse;8 a: a top view of an end face of the tube furnace before it is smeared with protective compound;
Fig. 9 : Schnitt durch eine einfache Festelektrolybzelle mit Rückführung des Bezugsgases in einem Heizofen mit Gasdurchlaßöffnungen im iindteil;Fig. 9: Section through a simple solid electrolyte cell with recirculation of the reference gas in a heating furnace with gas passage openings in the iindteil;
Fig. 9 a : Aufsicht auf das dem Festelektrolytrohr zugewendete Ende des Mehrfachkapillarrohres mit9 a: Top view of the end of the multiple capillary tube facing the solid electrolyte tube
seitlichen Öffnungen für die Gasdurchführung;lateral openings for gas feed-through;
Fig. 10 : Aufsicht auf eine Sonde mit Anschlußstück und Schnitt durch Schutzrohr und iiinbaustelle;Fig. 10: Top view of a probe with connector and Section through protective tube and installation site;
Fig. 10 a : Aufsicht auf das iinde der Sonde.Fig. 10 a: Top view of the inside of the probe.
Den Aufbau einer einfachen Festelektrolytzelle mit dem Festelektrolytrohr 1, der Außenelektrode 2, der Innenelektrode 10, den Keramikisolierröhrchen 3» der Bohrung 6 in derThe construction of a simple solid electrolyte cell with the solid electrolyte tube 1, the outer electrode 2, the inner electrode 10, the ceramic insulating tube 3 »the bore 6 in the
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Kerbe 5 und mit den unter Verwendung des Mehrfachkapillarrohrstück 7 fest montierten Elektrodenzuleitungen 4 und 11 zeigen in der Aufsicht die Fig. 1 und gedreht um 90°nach einsetzen in das Führungsrohr 13 mit dem Isolationsrohr 14 im Schnitt die Fig. 2. Die Sicherung gegen die Wirkung von Zug, Druck oder Torsion auf die Elektroden 2 und 10 durch die Drahtzuleitungen 4 und 11 wird mit den Biegungen vor und nach der Bohrung 6, mit den drei angeschweißten zunderfesten Metallplättchen 8 und mit dem Riegel 9 (s. Fig. 1a, 1b und 2) erreicht. Fig. 1 zeigt alao ein mechanisch stabiles Bauteil, das durch einen einzigen Glühprozess mit der Dichtungsmasse 12 an das Führungsrohr 13 gasdicht angeschlossen wird. Der stabile Sitz des Festelektrolytrohres 1 im Führungsrohr 13 kann durch eine Schliffverbindung, z.B. wie durch 17 in Fig. 2a, verbessert werden. Anstelle der Metallplättchen 8 können z.B. auch zunderfeste Metallrörchen 18 übergesteckt und angedrückt oder angeschweißt (Fig. 2b), zweifach durchbohrte Keramikplättchen durchflochten (Fig. 2c), im Mittelteil ausgedellte zunderfeste Metallplättchen 20 angedrückt (Fig. 2d) oder nur Ausrundungen (Fig. 2e) oder Biegungen (Fig. 2f) in den Drahtzuleitungen angebracht werden. Erst nach der Verbindung der Festelektrolytzelle mit dem Führungsrohr, nach Überprüfung der Zellfunktion und gegebenenfalls die Innenelektrode verbessernden Maßnahmen wird an das offene JJnde des Festelektrolytrohres die Kapillare 15 mit der Sintermasse 16 angesetzt.Notch 5 and with the using the multiple capillary tube piece 7 fixedly mounted electrode leads 4 and 11 show the top view of FIG. 1 and rotated by 90 ° insert into the guide tube 13 with the insulation tube 14 in section the Fig. 2. The safeguard against the effect of tension, pressure or torsion on the electrodes 2 and 10 through the wire leads 4 and 11 will be with the bends before and after the bore 6, with the three welded-on, non-scaling metal plates 8 and with the bolt 9 (see Fig. 1a, 1b and 2) achieved. Fig. 1 alao shows a mechanically stable component that is produced by a single annealing process is connected to the guide tube 13 in a gas-tight manner with the sealing compound 12. The stable fit of the solid electrolyte tube 1 in the guide tube 13 can be improved by a ground joint, e.g. as by 17 in Fig. 2a. Instead of the metal plates 8, for example, scale-resistant metal tubes 18 can also be pushed over and pressed on or welded on (Fig. 2b), double-drilled ceramic platelets interwoven (Fig. 2c), scalloped-out dented in the central part Metal plate 20 pressed on (Fig. 2d) or only rounded (Fig. 2e) or bends (Fig. 2f) are made in the wire leads. Only after the connection the solid electrolyte cell with the guide tube, after checking the cell function and, if necessary, the inner electrode For improvement measures, the capillary 15 with the sintered mass is attached to the open end of the solid electrolyte tube 16 set.
Das Festelektrolytrohr 1 besteht für Messungen großer bis kleiner Sbuerstoffpartialdrücke aus stabilisiertem Zirkondioxid. Für Messungen an Festelektrolyten, die sich allein nicht zu mechanisch stabilen Rohren verarbeiten lassen, wird ein poröses Keramikrohr, das z.B. mit einem Ansatz aus 80 Masse-/© AIgO^ und 20 Masse-% SiO2 oder aus reinem AIgO oder MgO hergestellt iat, an das Führungsrohr angesetzt und mit einem oder verschiedenem Festelektrolytmaterial am besten im schmelzflüssigen Zustand imprägniert. Man kann jedoch auch ein gasdichtes Rohr beiapielsweiae aus Sinterkorund mit der nötigen Zahl von Fenstern verwenden,The solid electrolyte tube 1 consists of stabilized zirconium dioxide for measurements of large to small oxygen partial pressures. For measurements on solid electrolytes that cannot be processed into mechanically stable tubes on their own, a porous ceramic tube is made, for example, with a mixture of 80% by mass / © AIgO ^ and 20% by mass of SiO 2 or from pure AIgO or MgO, attached to the guide tube and impregnated with one or different solid electrolyte material, ideally in the molten state. However, you can also use a gas-tight pipe made of sintered corundum with the necessary number of windows,
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in die man reine Festelektrolytkörper oder poröse Keramikkörper mit Festelektrolyt in den Poren einsetzt.in which pure solid electrolyte bodies or porous ceramic bodies with solid electrolyte in the pores are used.
Als Dichtungsmasse 12 bewährt sich z.B. zwischen CaO-stabilisiertem Zirkondioxid als Festelektrolyt 1 und Binterkorund als Führungsrohr 13 ein Gemisch aus einem Glas, das aus 8 tlasseteilen BaC0o> 8 Masseteilen SiOp und 1 Masseteil Al2Oo hergestellt wird, und 5 Masse-% feingemörsertem stabilisierten Zirkondioxid. Zur Herstellung der Rohrverbindung wird die Anordnung im Bereich der Dichtungsemsse bis 1375 0C erhitzt. Durch Substitution eines.mehr oder weniger großen Teils des BaCOo durch CaCOo läßt sich der Ausdehnungskoeffizient variieren. Der wesentlich größeren Wärmeleitfähigkeit des SinterkomncLs gegenüber der des Zirkondioxids muß dadurch Rechnung getragen v/erden, daß man das Temperaturmaximum -des Ofens beim Schmelz- und Abkühlungsprozeß in den Bereich des Sinterkorundrohres legt. A mixture of a glass made from 8 parts BaC0o> 8 parts by weight SiOp and 1 part by weight Al 2 Oo and 5% by weight of finely mortar stabilized, for example, between CaO-stabilized zirconium dioxide as solid electrolyte 1 and Binterkorund as guide tube 13 has proven itself as sealing compound 12 Zirconia. To produce the pipe connection, the arrangement is heated to 1375 ° C. in the area of the sealing brake. The coefficient of expansion can be varied by substituting a more or less large part of the BaCOo by CaCOo. The significantly greater thermal conductivity of the sintered compound compared to that of the zirconium dioxide must be taken into account by placing the maximum temperature of the furnace during the melting and cooling process in the area of the sintered corundum tube.
Die Elektroden der einfachen Festelektrolytzelle werden durch Auftragen einer Suspension reiner Platinteilchen der Größe ^10 /Um mit Zusätzen löslicher reiner alkalifreier Platinverbindungen (bis 20 Masse-% des Metallgehaltes) in einer viskosen, gut trocknenden, rückstandsfrei verbrennenden organischen Flüssigkeit hergestellt, lach dem Glühen soll die Schicht zunächst weniger als 5 mg/cm Platin enthalten, durch Wiederholen der Auftragung sollen 8 bis 20 mg/cm Platin erreicht werden. Um die Haftfestigkeit der inneren Platinschicht zu verbessern, ist es vorteilhaft, dem Platin für diese Schicht 1 bis 5 Masse-% eines möglichst alkalifreien Glases zuzusetzen. Die porösen Platinschichten werden mit Platindrahtnetzen, an die Kanthaldrähte angeschweißt sind, kontaktiert. Die Schichten können durch etwa 10 Minuten langes Behandeln der Zelle zwischen 800 und 1100 0C mit Wechselstrom ein-..r Stromdichte zwischenThe electrodes of the simple solid electrolyte cell are made by applying a suspension of pure platinum particles of size ^ 10 / µm with the addition of soluble, pure alkali-free platinum compounds (up to 20% by mass of the metal content) in a viscous, well-drying, residue-free burning organic liquid, after which glowing should be the layer initially contains less than 5 mg / cm of platinum; by repeating the application, 8 to 20 mg / cm of platinum should be achieved. In order to improve the adhesive strength of the inner platinum layer, it is advantageous to add 1 to 5% by mass of a glass that is as alkali-free as possible to the platinum for this layer. The porous platinum layers are contacted with platinum wire nets to which kanthal wires are welded. By treating the cell for about 10 minutes between 800 and 1100 ° C. with alternating current, the layers can have a current density between
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0,2 und 1,5 A/cm in Luft vor und wiederholt während des langzeitigen Betriebes aufgelockert und dadurch die Elektroden
in der Ansprechgeschwindigkeit verbessert werden.2
0.2 and 1.5 A / cm in air before and repeatedly during long-term operation, thereby improving the response speed of the electrodes.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß es die Konstruktion in einfacher Weise erlaubt, eine zweite Außenelektrode 21 anzu-From Fig. 3 it can be seen that the construction is simple Way allows a second outer electrode 21 to be
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bringen und davon eine Drahtleitung 22 in das Innere des Führungsrohrea 13 mit dem iiehrfachkapillarrohr 23 gasdicht au verlegen, elektrode 21 wird beispielsweise mit Gold, Elektrode 2 sowie die gemeinsame Bezugselektrode 1ö mit Platin hergestellt. Auf einem Festelektrolytrohr aus stabilisiertem Zirkondioxid kann man dann aus der Spannung zwischen 2 und 10 den Sauerstoffpartialdruck ermitteln und mit der Spannung zwischen 2 und 21 die Anwesenheit brennbarer Stoffe neben Sauerstoff nachweisen.bring and a wire line 22 into the interior of the Guide tube a 13 with the iiehrfachkapillary tube 23 gas-tight lay au, electrode 21 is for example with gold, Electrode 2 and the common reference electrode 1ö made with platinum. On a solid electrolyte tube made of stabilized Zirconium dioxide can then be used to determine the oxygen partial pressure from the voltage between 2 and 10 prove the presence of flammable substances in addition to oxygen with the voltage between 2 and 21.
Die bisher beschriebenen Beispiele sind für potentiometrische Bestimmungen vorgesehen. Für amperometrysehe und coulometrische Analysenverfahren ist es zweckmäßig, die Elektroden zu vergrößern, wie es Fig. 4 mit der Meßelektrode 24 und der Gegenelektrode 25 zeigt. Um einen der zu be~ stimmenden Gaskonzentration proportioneilen Grenzstrom erhalten oder um die Gaskonzentration der wiederholte weitgehende Abtrennung des Gases aus einer Gasprobe bestimmen zu können, wird mit dem Hohlkörper 26 vom Meßgaa ein Volumen abgegrenzt. Der rohrförmige Hohlkörper 26 ist mit Hilfe der Dichtungsmasse 12 gasdicht an einen Kragen des Führungsrohres 13 angeschlossen, über den Ringspalt 28, der mit porösem Material in seiner Durchlaßfähigkeit eingeengt sein kann, erfolgt ein fortwährender Gasaustausch. Entweder mißt man den bei angelegter konstanter Spannung fließenden Grenzstrom oder ermittelt über Zeit und Strom die Ladung, die zur weitgehenden Abtrennung des Gases nach einer Periode des völligen Konzentrationsausgleiches erforderlich ist. Gegenüber potentiometrischen Verfahren bestehen die Vorteile, daß man direkt der Gaskon^entration proportionale Signale erhält und daß auch ohne Bezugsgas mit der Gegenelektrode unter Meßgas gearbeitet werden kann. Der letztgenannte Vorteil wird in dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel nicht ausgenutzt; stattdessen wird hier eine Stabilisierung der Gegenelektrode durch ständige Luftbeapülung oder durch Stehen unter dem abgeschiedenen Sauerstoff bei Abdichtung des Festelektrolytrohres auf der einen oder anderen Seite erreicht, nachteilig gegenüber potentiometrischen Verfahren ist die Notwendigkeit der Kalibrie-The examples described so far are intended for potentiometric determinations. For amperometrysehe and coulometric analysis method, it is appropriate to the To enlarge electrodes, as shown in Fig. 4 with the measuring electrode 24 and the counter electrode 25 shows. Around a limit current proportional to the gas concentration to be determined obtained or to determine the gas concentration of the repeated extensive separation of the gas from a gas sample To be able to, a volume is delimited by the hollow body 26 from the measuring gas. The tubular hollow body 26 is with the help of the sealing compound 12 gas-tight to a collar of the guide tube 13 connected via the annular gap 28, which can be restricted in its permeability with porous material, a continuous gas exchange takes place. Either the limit current flowing when a constant voltage is applied is measured or the limit current is determined over time and current Charge required for extensive separation of the gas after a period of complete concentration equalization is. Compared to potentiometric methods, there are the advantages that the gas concentration is carried out directly receives proportional signals and that it is possible to work with the counter electrode under measuring gas even without reference gas. The latter advantage is not used in the example shown in FIG. 4; instead, here is a Stabilization of the counter electrode by constant air purging or by standing under the separated oxygen achieved when sealing the solid electrolyte tube on one side or the other, disadvantageous compared to potentiometric Procedure is the need for calibration
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rung einer jeden derartigen Meßanordnung.tion of any such measuring arrangement.
Die Zahl der Meßfunktionen einer Sonde läßt sich erhöhen, wenn, wie z.B. Fig. 5 zeigt, an ein FestelekLrolytrohr 1 ein" andersartiges Pestelektrolytrohr 29 mit der Dichtungsmasse 30 gasdicht angesetzt wird. Die Anordnungen auf dem Festelelctrolytrohr 1 können z.B. denen in Fig. 3 entsprechen; die Drahtzuleitungen zu einer der Außenelektroden und zur Luftbezugselektrode sind in dem in Fig. 5 dargestellten Schnitt allerdings nicht sichtbar. Festelektrolytrohr 29 kann ein aus 80 IvIasse-yiJ AI2Ot und 20 Masse-;o SiO2 hergestelltes poröses Keramikrohr mit K2SO, in den Poren sein. Die Bezugselektrode in diesem Rohr besteht dann am besten aus einer Schicht 31 aus K2SO, mit 1 IÄasse-,ί Ag3SO4 und darauf einer Schicht &us reinem Silber, die mit einem Silbernetz 32 an der Draht zuleitung 33 kontaktiei-t ist.The number of measuring functions of a probe can be increased if, as shown, for example, in FIG However, the wire leads to one of the outer electrodes and to the air reference electrode are not visible in the section shown in Fig. 5. Solid electrolyte tube 29 can be a porous ceramic tube made from 80 IvIasse-yiJ Al 2 Ot and 20 mass SiO 2 with K 2 SO The reference electrode in this tube then best consists of a layer 31 of K 2 SO, with 1 IAase-, ί Ag 3 SO 4 and on top of it a layer of pure silver with a silver mesh 32 on the wire supply line 33 Kontaktiei-t is.
Für die Verhinderung der Zerstörung dieser Bezugselektrode durch Reduktion ibt es wichtig, daß der .uuftstrom über die Bezugselektrode in Festelektrolytrohr 1 zugleich die Bezugselektrode im Festelektrolytrohr 29 ständig überspült.To prevent this reference electrode from being destroyed by reduction, it is important that the air flow through the Reference electrode in solid electrolyte tube 1 at the same time constantly floods the reference electrode in solid electrolyte tube 29.
Die Anordnung der an das Führungsrohr angesetzten Festeloktrolytzellen in einem porösen Keramikrohr 34, das zugleich als Filter- und Trägerrohr wirkt, zeigen die Fig. 6 und In Fig. 6 ist eine einfache Pestelektrolytzelle ohne Heizofen in einem Stützrohr 35 mit den Sperrscheiben 36, 37, 3ö und 39, dem Mantelthermoelement 40 und der Prüfgasleitung dargestellt. Das Stützrohr 35 ist porös und hat für den Gasdurchlaß außerdem auf einer Seite Einschnitte. In Fig. 7 ist eine bifunktionelle Anordnung entsprechend Fig. 3 iJti einem röhrenförmigen Heizofen 42 mit Einschnitten im mittleren Bereich dargestellt. Außer dem !Mantelthermoelement 40 far die eine Meßelektrode 2 ist für die zweite, außerhalb des Temperaturmaximums liegende Meßelektrode 21 ein aweites Mantelthermoelement 43 vorgesehen. Die Manteltliermoelemente sind zusammen mit der Prüfgasleitung 4I und den Stromzuleitungen des Heizofens in dem keramischen Isolierrohr 44 am Führungsrohr 13 mit einer Ligatur 45 befestigt. Die Abgrenzung des Meßgasraumes besorgen die Sperrscheiben 37, 3β und 39, die in Nuten des Heizofenkörpers eingelagerten Asbest-The arrangement of the solid electrolyte cells attached to the guide tube FIGS. 6 and 6 show in a porous ceramic tube 34, which acts at the same time as a filter and carrier tube In Fig. 6 is a simple plague electrolyte cell without heating furnace in a support tube 35 with the locking disks 36, 37, 30 and 39, the jacket thermocouple 40 and the test gas line shown. The support tube 35 is porous and also has incisions on one side for the passage of gas. In Fig. 7 is a bifunctional arrangement corresponding to FIG. 3 iJti a tubular heating furnace 42 with cuts in the middle Area shown. Except for the jacket thermocouple 40 for which one measuring electrode 2 is for the second, outside the temperature maximum lying measuring electrode 21 a wide Sheathed thermocouple 43 is provided. The sheathed detectors are together with the test gas line 4I and the power supply lines of the heating furnace in the ceramic insulating tube 44 attached to the guide tube 13 with a ligature 45. The delimitation of the measuring gas chamber get the locking disks 37, 3β and 39, the asbestos embedded in the grooves of the heater
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fäden 46 und 47, die Stützrohre 48 und 49 aowie Asbestwolle 50, die noch mit einer Verachlußmasae 51 abgedeckt aein kann· Pur daa Filter- und Trägerrohr 34 wird z,B. ein handelaüblichea, einaeitig geschlossenes, aus 80 Masse-% AIpOo und 20 Maaae-% SiO2 hergeatelltes Keramikrohr mit Poren überwiegend der Weite 5 bia 10 /um verwendet, in desaen Boden eine Bohrung eingebracht ist.threads 46 and 47, the support tubes 48 and 49 as well as asbestos wool 50, which can be covered with a Verachlußmasae 51. a commercially available, unilaterally closed ceramic tube made from 80% by mass of AlpOo and 20% by mass of SiO 2, with pores predominantly 5 to 10 μm wide, in which a bore is made.
Um die Betriebszeit der Sonden durch Abhaltung dampfförmiger Verunreinigungen zu verlängern, wird der freie Raum um die Meßelektroden mit loaen Stücken von 0,5 bia 2,0 mm Dicke aua gaadicht gesintertem atabiliaierten Zirkondioxid ala Ad- oder Abaorptionamittel gefüllt. Die Stücke dürfen nicht zu fein und nicht poröa aein, um eine Trägheit der Sonde durch die Ad- und Deaorption von Analysengaa zu vermeiden· In order to extend the operating time of the probes by keeping out vaporous impurities, the free space around the measuring electrodes is filled with loaen pieces of 0.5 to 2.0 mm thickness of completely tightly sintered atabilized zirconium dioxide ala adsorbent or absorbent. The pieces must not be too fine and not porous in order to avoid inertia of the probe due to the adsorption and deactivation of analytical gas.
Der Heizofen 42 iat im Schnitt in Fig. 8 und in der Aufaicht auf eine Stirnfläche in Fig. 8a näher dargeatellt· In Fig. 8a erkennt man die Übergange der Heizapirale zwiachen den Bohrungen, wobei 2 von 16 Bohrungen frei bleiben. Die vertieft in einer Rille liegenden Übergänge der Heizapirale werden auf beiden Seiten mit einer Schutzmaaae verschmiert.The heating furnace 42 is shown in section in FIG. 8 and in top view on an end face in Fig. 8a shown in more detail · In Fig. 8a you can see the transitions of the heating spiral between the holes, whereby 2 of 16 holes remain free. Which deepens Transitions of the heating spiral lying in a groove are smeared on both sides with a protective maaaae.
Den Längsschnitt durch den Heizofen senkrecht zu dem in Fig. 8 zeigt Fig. 9, wobei wie in Fig· 7 die von der Heizspirale freigebliebenen Bohrungen sichtbar sind. Im Unterschied zu Fig. 7 sind in Fig. 9 Gasdurchlaßöffnungen im .Endbereich des Ofens dargestellt· Die eingezeichnete Zelle hat ein einaeitig mit einer abdichtenden Masse 52 verachlossenes Festelektrolytrohr. Daa Bezugagas wird in diesem Fall durch eine Gasleitung 53 zugeführt und strömt rückwärts in daa Führungsrohr 13 ab· Fig. 9a zeigt die nötigen Änderungen an dem Mehrfachkapillarrohrstück 54, um die Gasleitung anbringen zu können und den Gasrückstrom zu ermöglichen (vgl. Fig. 1a) Wird daa Gasleitungsrohr 53 aus dem gleichen korrosionsfesten Metall hergestellt wie der Mantel des Thermoelements 40, so lassen sich die beiden Bohre auch als elektrische Leitungen zur Innen- und Außenelektrode heranziehen. The longitudinal section through the heating furnace perpendicular to that in FIG. 8 is shown in FIG. 9, wherein, as in FIG. 7, the bores left free by the heating coil are visible. In contrast to FIG. 7, FIG. 9 shows gas passage openings in the end region of the furnace. The cell shown has a solid electrolyte tube closed on one side with a sealing compound 52. In this case, the reference gas is supplied through a gas line 53 and flows backwards into the guide tube 13. Fig. 9a shows the changes required to the multiple capillary tube piece 54 in order to be able to attach the gas line and enable the gas return flow (cf. Fig. 1a) If the gas pipe 53 is made of the same corrosion-resistant metal as the jacket of the thermocouple 40, the two bores can also be used as electrical lines to the inner and outer electrodes.
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Der Einbau einer Sonde mit Anschlußstück in die Yfend 55 eines Analyaengasraumea ist schließlicli aus Pig. 10 ersichtlich. Die Befestigung ist z.B. einfach mit einer Überwurfmutter 56 möglich. Die Sonde steckt in dem Schutzrohr 57» z.B. aus Sichromal-Stahl, mit Einschnitten 58 und Gasleiteinrichtungen 59 zur Verbesserung der Gasbespülung und der Abhaltung von Flugasche· Fig. 10a verdeutlicht die Einschnitte und die Gasleiteinrichtung in der Aufsicht auf das Ende der Sonde.The installation of a probe with connection piece in the Yfend 55 an analysis gas space is finally made up of Pig. 10 can be seen. The fastening is e.g. easy with a union nut 56 possible. The probe is in the protective tube 57 » E.g. made of Sichromal steel, with incisions 58 and gas guiding devices 59 to improve the gas purging and the prevention of fly ash · FIG. 10a clarifies the incisions and the gas guide device in a plan view of the end of the probe.
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