DE3033429C2 - Elektrochemische Meßvorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Meßvorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen mit etwa gleichbleibendem Druck, insbesondere in Verbrennungsabgasen, mit einem sauerstoffionen- so leitenden Festelektrolyten, der mit wenigstens zwei Elektroden versehen ist, von denen mindestens eine erste Elektrode durch einen für die Messung vorgesehenen konstanten Gasstrom in ausreichendem Maße beaufschlagbar ist und beide Elektroden unter Einschaltung eines Strommeßgerätes mit einer elektrischen Stromquelle verbindbar sind, wobei im Weg des Gasstromes wenigstens eine Verengung mit einem bei Schallgeschwindigkeit des Gases einen ausreichenden Gasstrom durchlassenden Durchtrittsquerschnitt an- &o geordnet ist und wobei zwischen Abströmseite und Zuströmseite der Verengung ein Druckverhältnis einstellbar ist, das in der Verengung die Schallgeschwindigkeit des Gasstromes bewirkt, nach Patentanmeldung P 29 45 698.2.

Während des Betriebs wird bei bekannten Meßvorrichtungen dieser Art an die Elektroden eine elektrische Gleichspannung gelegt und die als Kathode wirksame erste Elektrode mit dem zu messenden Gasstrom beaufschlagt Hierdurch wird der Sauerstoffanteil des Gasstromes elektrolytisch aus dem Gasstrom extrahiert und in Form von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten zur zweiten Elektrode transportiert und dort wieder zu Sauerstoffmolekülen oxidiert Der für den Transport fließende und mit dem Strommeßgerät erfaßte elektrische Strom ist dann ein Maß für den Sauenstoffionentransport und somit für den Sauerstoffgehalt des Gasstromes. Hierbei ist es jedoch erforderlich, den gesamten Sauerstoff aus dem Gasstrom zu extrahieren, gegebenenfalls die Größe des Gasstroms zu erfassen und hauptsächlich den Gasstrom während des Meßvorgangs konstant zu halten. Zur Erfüllung der ersten Forderung muß die Größe des Meßgasstromes auf die Größe insbesondere der Meßelektrode bzw. bei Elektroden unterschiedlicher Größe auf die kleinere der Elektroden abgestimmt sein. Zur Erfüllung der dritten Forderung, nämlich der Konstanthaltung des Gasstromes, schlägt die HauptanmeJdung vor, in den Weg des Gasstromes eine Verengung zum Beispiel in Form einer Düse oder Blende anzuordnen, die einen Durchtrittsquerschnitt hat welcher bei Schallgeschwindigkeit des Gases einen ausreichenden Gasstrom durchläßt. Hierzu muß zwischen der Abströmseite und Zuströmseite der Düse bzw. Blende ein Druckverhältnir eingestellt werden, das in der Verengung die Schallgeschwindigkeit des Gasstromes bewirkt. Zur Konstanthaltung des Gasstromes wird somit von dem physikalischen Gesetz Gebrauch gemacht, daß durch eine Verengung oder Drosselstelle das Gas höchstens mit Schallgeschwindigkeit strömen kann, falls ein bestimmtes Druckverhältnis (kritisches Druckverhältnis) zwischen Abströmraum und Zuströmraum nicht überschritten wird.

Sofern die Elektrodengröße und die Größe des Gasstroms aufeinander abgestimmt sind, weist die elektrochemische Meßvorrichtung gemäß der Hauptanmeldung einen linearen oder zumindest weitgehend linearen Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt una dem im elektrischen Stromkreis fließenden elektrischen Strom auf, so daß dieser Zusammenhang sowohl eine besonders einfache Eichung der Meßvorrichtung als auch Messung des Sauerstoffgehaltes gestattet.

Infolge von Temperaturänderungen der Meßvorrichtung, diese muß nämlich auf einer Mindesttemperatur von ungefähr 400° C gehalten werden, und/oder infolge von Alterung und/oder Verschmutzung der Elektroden kann aus dem vorgegebenen Gasstrom nicht mehr der vollständige Sauerstoffanteil extrahiert werden. Es ist daher am oberen Ende des Meßbereichs, das heißt bei hohen Sauerstoffgehalten des Meßgases, der lineare Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt und dem elektrischen Meßstrom nicht mehr vorhanden, der ausnutzbare lineare Meßbereich der Meßvorrichtung ist verkleinert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bestehende elektrochemische Meßvorrichtung so weiterzubilden, daß Verkleinerungen des linearen bzw. weitgehend linearen Meßbereichs auf einfache Weise und zumindest ohne wesentliche Betriebsunterbrechungen ausgeglichen werden können und somit die weitgehende Wartungsfreiheit und Betriebssicherheit der Meßvorrichtung aufrechterhalten bleibt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß im Weg des Gasstroms mehrere Verengungen angeordnet sind, deren Durchtrittsquerschnitte so gewählt sind, daß die Verengungen in

Parallelschaltung einen ausreichenden maximalen Gasstrom durchlassen, der auf die Größe der Elektrode im Neuzustand der Meßzelle abgestimmt ist, und daß die Verengungen wahlweise einzeln, in Parallelschaltung gemeinsam oder beliebig kombiniert in des Weg des Gasstroms einschaltbar sind.

Es wird also der für die Beaufschlagung der ersten Elektrode erforderliche konstante Gasstrom, dessen Größe auf die Größe dieser Elektrode bzw. bei Elektroden unterschiedlicher Größe auf die kleinere Elektrode im jungfräulichen Zustand, das heißt Neuzustand der Meßzelle, abgestimmt ist, nicht mehr in einer einzigen Verengung (z. B. Blende oder Düse) erzeugt Es sind vielmehr mehrere dieser Verengungen in den Weg des Gasstroms eingefügt und wahlweise in beliebiger Kombination in Betrieb zu nehmen. Im Neuzustand der Meßzellen, in dem die Meßelektrode mit dem vollen Gasstrom beaufschlagt werden kann, sind sämtliche Verengungen in Betrieb. Der Meßgasstrom ist hierbei in Teilströme aufgeteilt, die jeweils in den einzelnen Verengungen konstant gehalten und anschließend zum gemeinsamen Meßgasstrom vereint werden. Treten Verschmutzungen, Alterungen und/oder Temperaturänderungen der Meßzelle auf, welche die Wirksamkeit der Elektroden und/oder des Festelektrolyten bezüglich der Extraktion des Sauerstoffanteils bzw. bezüglich der Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit verändern und die daher eine Verkleinerung des linearen Meßbereichs verursachen, so wird nur ein Teil der Verengungen in Betrieb genommen, das heißt der Durchfluß des Meßgasstromes wird auf einen kleineren konstanten Wert verringert. Hierdurch wird die für eine Linearität der Meßanzeige erforderliche Abstimmung von wirksamer Größe der ersten Elektrode und Größe des Meßgasstromes erzielt.

Durch noch weitergehende Verringerung des Meßgasstroms kann hierbei zusätzlich eine Erweiterung des linearen Meßbereichs über die Größe des anfänglichen Nennbereichs hinaus erreicht werden.

Mit der Verringerung des Meßgasstromes ergibt sich zwangsläufig eine Verringerung der Meßempfindlichkeit der elektrochemischen Meßvorrichtung, so daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Meßvorrichtung zusätzlich oder allein die Meßempfindlichkeit einstellbar oder vorwählbar ist.

Die Verengungen müssen bezüglich ihrer Querschnitte bzw. des durchgelassenen Meßgasstromes auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn mindestens drei Verengungen vorgesehen sind, von denen die erste für den Durchlaß des halben maximalen Gasstroms ausgebildet sind, wogegen die restlichen Verengungen untereinander gleiche Durchtrittsquerschnitte und zusammen ebenfalls für den Durchlaß des halben maximalen Gasstroms ausgebildet sind. Hierdurch läßt sich eine Vielzahl von Kombinationen herstellen, die den meisten Anwendungsfällen gerecht wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen hervor. Hierbei zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Gegenstand der Erfindung mit Verengungen in Form von Düsen,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine Saugpumpe für Handbetrieb, die als Ausführungsvariante an den Pufferraum der F i g. 1 anschließbar ist,

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine der Düsen gemäß F i g. 1 als Einzelheit und im größeren Maßstab und

F i g. 4 die Kennlinien der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit drei in den Weg des Meßgasstroms eingeschalteten Verengungen.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner sind in den einzelnen Figuren wiederkehrende Einzelteile nur insoweit mit Bezugszeichen versehen, als dies für das Verständnis erforderlich ist

Gemäß F i g. 1 weist die elektrochemische Meßvorrichtung eine Meßzelle 10 mit einem etwa quaderförmigen Grundkörper 12, zum Beispiel aus Metall, auf. Aus der einen Grundfläche des Grundkörpers 12 ragt ein kreisringzylindrischer Vorsprung 14, an dessen freiem Ende ein Festelektrolytrohr 16 befestigt ist Das Festelektrolytrohr ist auf seiner Außenseite mit der ersten Elektrode 18 versehen, die von der verschlossenen Spitze 20 aus gesehen etwa zwei Drittel der Festelektrolytrohrlänge bedeckt. Auf der Innenseite des Festelektrolytrohres 16 ist die zweite Elektrode 22 vorgesehen, die sich von der Spitze 20 bis zur Befestigungsstelle des Festelektrolytrohres 16 am Vorsprung 14 erstreckt und in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Vorsprung 14 steht. Dies ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß die zweite Elektrode 22 mit dem Zentriervorsprung 24 in Berührung steht.

Die Elektroden bestehen aus einem keramischen oder metallischen Material, durch welches der Sauerstoff ungehindert dringen kann, zum Beispiel durch poröse Ausbildung des Materials. Hierfür geeignete Werkstoffe sind zum Beispiel Silber oder Platin, als Werkstoff für das sauerstoffionenleitende Festelektrolytrohr kann Zirkoniumoxid verwendet werden, das mit Kalziumoxid dotiert ist.

Das mit Elektroden versehene Festelektrolytrohr 16 ist von einem Hüllrohr 26 umgeben, so daß zwischen der ersten Elektrode 18 und dem Hüllrohr 26 ein Raum 28 mit kreisringförmigem Querschnitt gebildet ist, wobei die lichte Weite dieses Raumes 28 in radialer Richtung etwa 0,3 bis 2 mm, vorzugsweise etwa 0,5 mm beträgt. Wegen der Übersichtlichkeit ist in den Figuren diese Weite größer dargestellt. Das Hüllrohr 26 ist in eine kreisringförmige Aussparung 30 des Grundkörpers 12 eingesteckt und befestigt, sein anderes Ende ist kuppenförmig verschlossen, wobei der Abstand der Verschlußkuppe 32 zur ersten Elektrode 18 der ebenfalls kuppenförmigen Spitze 20 etwa gleich ist dem Abstand zwischen dem zylindrischen Bereich des Hüllrohres 26 und der ersten Elektrode 18.

so An der Spitze der Verschlußkuppe 32 ist ein Rohrstutzen 34 vorgesehen, der in einer Erweiterung 36 ein Gasfilter 38 aufweist, das zum Beispiel aus Watte oder einem porösem Keramikkörper bestehen kann. Schließlich ist die Erweiterung 36 mit einem axial durchbohrten Nippel 40 verschlossen, durch welchen das zu messende Gas zugeführt wird. Das gesamte Hüllrohr 26 ist schließlich noch mit einem Isoliermantel 42 umgeben, der sich bis zum Grundkörper 12 erstreckt. Als Material für den Isoliermantel kann zum Beispiel Mineralwolle eingesetzt werden.

Der am Grundkörper 12 angeordnete ringförmige Vorsprung 14 ist von einem im Grundkörper verlaufenden konzentrischen Ringspalt 44 umgeben, der einerseits in den Raum 28 mündet, und der andererseits an einen quer zur Längsachse der Meßzelle verlaufenden, im Querschnitt kreisförmigen Raum 46 angeschlossen ist. Die quer zur Längsachse verlaufende Anschlußbohrung 48 ist hierbei in Richtung zur Längsachse

weitergeführt, so daß auch der Innenraum 50 des Vorsprungs 14, welcher mit dem Innenraum des Festelektrolyten eine Einheit bildet, an den Raum 46 angeschlossen ist.

Der Raum 46, der vorzugsweise als Bohrung ausgebildet ist, weist Gewinde auf, in welches ein Einsatz 52 mit Hilfe eines am Einsatz vorgesehenen Kopfes 54 eingeschraubt ist. Der in den Grundkörper 12 ragende Bereich des Einsatzes 52 ist kreisringförmig ausgebildet und klemmt ein scheibenförmiges Filter 58 zwischen sich und einer kegelförmigen Verjüngung des Raumes 46 ein. Die Verjüngung bildet hierbei den Übergang des Raumes 46 zur Anschlußbohrung 48, das Filter 58 ist bezüglich seines Materials identisch mit dem Gasfilter 38.

Am Kopf 54 sind nach außen ragende Anschlußnippel 61, 63, 65 angeordnet, die jeweils von einem zur Ausnehmung 56 des Anschlußnippels führenden Kanal 67, 69, 71 durchdrungen sind. Im Bereich der inneren Ausmündung weisen die Kanäle 67,69, 71 je eine Stufe auf, in welcher die Düsen 73, 75, 77 mit ihren jeweils zylindrischen Bereichen 66 befestigt sind, wobei die Düsen frei in die Ausnehmung 56 ragen. Die Düsen bilden die Verengungen, die auch als Blenden oder enge Leitungen ausgebildet sein könnten.

Der Aufbau einer Düse ist am besten aus F i g. 3 zu ersehen, welche eine Düse als Einzelheit und im größeren Maßstab darstellt. Danach ist der Einlauf 68 der Düse abgerundet und führt zum engsten Durchtrittsquerschnitt 70, an den sich eine kegelförmige Erweiterung 72 anschließt, wobei der öffnungswinkel λ der Erweiterung etwa 8 bis 18°, vorzugsweise 10 bis 15° beträgt. An die Erweiterung 72 schließt sich der zylindrische Bereich 66 an.

Die engste Stelle des Durchtrittsquerschnitts 70 ist nun jeweils so gewählt, daß bei einer Durchströmung dieser Stelle mit Schallgeschwindigkeit eine jeweils ausreichende Gasmenge durchtritt. Als Richtwert für die Durchtrittsquerschnitte 70 der drei Düsen 73,75, 77 zusammen kann im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem der Raum 28 einen Querschnitt von etwa 10 bis 20 mm² aufweist, ein Wert von etwa 0,8 bis 20 ■ 10"⁴ mm² gelten. Die Gesamtlänge der Düsen ist jeweils etwa 15 bis 30 mm, die Länge der Erweiterung 72 liegt zwischen 5 und lGrr-.m bei einer Lichtweite des zylindrischen Bereichs 66 von etwa 5 bis 8 mm. Als bevorzugtes Material für die Düse dient Glas, auch mit Laserstrahlen durchbohrte Saphire sind empfehlenswert Der gasführende Querschnitt der Düse ist kreisförmig, das Gleiche gilt auch wenn eine Blende als Verengung benutzt wird.

Wie aus F i g. 1 weiter zu ersehen, verbinden die Düsen die Ausnehmung 56, welche die Zuströmseite des Gases bildet, mit den Kanälen 67, 69, 71, welche die Abströmseiten der Düsen darstellen.

An die Anschlußnippel 61, 63, 65 ist über eine Anschlußleitung 74 ein Pufferraum 76 angeschlossen, der über eine weitere Leitung 78 mit einer Saugvorrichtung 80, zum Beispiel in Form einer Gaspumpe, verbunden ist, deren Auslaß in den Außenraum 82, oder insbesondere bei giftigen Gasen in einen Auffangraum mündet Hierbei ist zwischen die Anschlußnippel 61,63, 65 und die Anschlußleitung 74 jeweils ein Absperrorgan 81,83,85, z. B. Ventil, eingeschaltet

In F i g. 2 ist eine Ausführungsvariante bezüglich der Saugvorrichtung dargestellt die anstelb der Saugvorrichtung 80 an den Pufferraum 76 angeschlossen werden kann. Die Saugvorrichtung gemäß F i g. 2 besteht aus einer Handpumpe 84, deren Kolben 86 durch einen Pumpenhebel 88 betätigt werden kann, so daß über die angedeuteten Ventile 90 Gas aus dem Pufferraum 76 über die Leitung 92 angesaugt und durch den Auslaß 94 in den Außenraum ausgestoßen werden kann.

Zum Erfassen der Druckverhältnisse des Gasstroms ist am Pufferraum 76 ein Manometer 96 angeordnet, oder gegebenenfalls kann ein Differenzmanometer 98 zwischen die Ausnehmung 56 und die Anschlußleitung

ίο 74 eingeschaltet sein.

Um an die Elektroden 18, 22 die erforderliche Meßspannung legen zu können, führt von der ersten Elektrode 18 eine elektrische Leitung 100 radial in den Außenraum 82, wobei an der Durchdringungsstelle des Hüllrohres 26 eine Isolierperle 102 eingefügt ist. Die zweite Elektrode 22 ist über den Zentriervorsprung 24 und den Vorsprung 14 mit dem Grundkörper 12 elektrisch leitend verbunden, so daß der Grundkörper 12 zusammen mit der elektrischen Leitung 100 als elektrische Anschlüsse der Elektroden dienen. Diesen Anschlüssen wird die für die Messung erforderliche Spannung über elektrische Leitungen 108 von einer Gleichspannungsquelle 104, zum Beispiel in Form einer elektrischen Batterie, zugeführt, wobei ein Strommeßgerät 106, zum Beispiel ein Milliamperemeter, ein Regelwiderstand 110 und ein elektrischer Schalter 112 eingefügt sind.

Im Innenraum des Festelektrolytrohres 16 ist noch eine, vorzugsweise elektrische Heizung 114 angeordnet, um das Festelektrolytrohr auf Betriebstemperatur zu bringen. Die zur Heizung 114 führenden elektrischen Anschlußleitungen sind in F i g. 1 nicht dargestellt.

Bevor mit der vorbeschriebenen Meßvorrichtung Sauerstoffmessungen durchgeführt werden können, ist eine Ersteinstellung bzw. Eichung erforderlich, die am besten gleich bei der Herstellung der Meßvorrichtung durchgeführt wird. Hierzu ist es am einfachsten, ein Gas zu benutzen, das in chemischer und physikalischer Hinsicht dem zu messenden Gas ähnlich ist. Soll die Meßvorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen eingesetzt werden, so kann für die Eichung Luft benutzt werden. Das kritische Druckverhältnis für Luft als zweiatomiges Gas beträgt hierbei 0,528.

Für die Ersteinstellung wird zunächst die Heizung 114 und dann die Saugvorrichtung 80 in Betrieb genommen und deren Saugleistung so eingestellt, daß das Druckverhältnis zwischen der Abströmseite 62 und Zuströmseite 56 der Düsen 73, 75, 77 gleich dem kritischen Druckverhältnis oder vorzugsweise kleiner ist Die Einstellung geschieht hierbei mit Hilfe des Differenzdruckmanometers 98. Ist der Druck des zugeführten Eichgases bekannt zum Beispiel beim Ansaugen von Umgebungsluft so genügt auch die Messung des Druckes auf der Abströmseite der Düse, zum Beispiel des Druckes im Pufferraum 76 für die Bestimmung des Druckverhältnisses. 1st die Ersteinstellung der Saugvorrichtung 80 einmal auf diese Weise durchgeführt worden, so ist eine weitere laufende Überwachung des Druckverhältnisses nicht erforderlich, wenn diese Einstellung beibehalten wird. Ein Gasstrom von gleichbleibender Größe ist somit auch im Langzeitbetrieb gewährleistet Während der Ersteinstellung sind die Absperrorgane 81, 83, 85 geöffnet sämtliche Düsen sind in den Strömungsweg eingeschaltet

Für den Fall, daß das zu messende Gas der Meßvorrichtung mit Überdruck zugeführt wird, sind

eine Saugvorrichtung 80 und gegebenenfalls ein Pufferraum 76 nicht erforderlich, falls die Abströmseite 62 der Düsen auf niedrigerem Druck liegt, zum Beispiel durch Verbindung mit dem Außenraum, und sich das gewünschte Druckverhältnis somit einstellt.

Ist nun auf vorbeschriebene Weise die Ersteinstellung durchgeführt worden und der Festelektrolyt auf Betriebstemperatur gebracht, so wird der Schalter 112 geschlossen und an die Elektroden 18, 22 eine Gleichspannung von etwa 1 Volt gelegt. Die Regulierung dieser Spannung kann durch den Regelwiderstand 110 erfolgen. Der Anzeige des Strommeßgerätes 106 wird jetzt ein Sauerstoffgehalt von 21 Volumenprozent zugeordnet. Da beim vorliegenden Meßprinzip ein linearer Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt des zu messenden Gases und dem im Meßkreis fließenden Strom besteht, genügt ein einziger Meßpunkt für die Eichung.

Soll mit der Meßvorrichtung jetzt der Sauerstoffgehalt von Verbrennungsabgasen gemessen werden, so ist die Meßvorrichtung mit Hilfe des Nippels 40 und gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Gaskühlers mit der Abgasleitung zu verbinden. Die Saugvorrichtung 80 saugt jetzt einen konstanten Gasstrom auf folgendem Weg durch die Meßvorrichtung: Gasfilter 38, Raum 28, Anschlußbohrung 48, Raum 46, Filter 58, Ausnehmung 56, welche gleichbedeutend ist mit der Zuströmseite der Düsen, Düsen 73,75,77, Kanäle 67,69, 71, welche gleichbedeutend sind mit der Abströmseite der Düsen, Pufferraum 76 und Saugvorrichtung 80. Beim Vorbeiströmen des Gasstromes an der ersten Elektrode 18 wird der im Gasstrom enthaltene Sauerstoff extrahiert, in Form von Ionen durch den Festelektrolyten geleitet und an der zweiten Elektrode 22 wiederum zu Sauerstoff oxidiert und in den Innenraum des Festelektrolytrohres abgegeben. Der Sauerstoff strömt dann durch die im.Vorsprung 14 vorgesehene radiale Anschlußbohrung 48 ab und wird dem Gasstrom wieder beigemischt. Der hierbei von der Gleichspannungsquelle 104 bei geschlossenem Schalter 112 über die Elektroden 18, 22 fließende Strom wird hierbei vom Strommeßgerät 106 erfaßt Dieser Strom ist ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Gases, gegebenenfalls erfolgt die Anzeige des Strommeßgerätes unmittelbar in Volumenprozent Sauerstoff.

In den meisten Fällen wird die Saugvorrichtung 80 als elektrische Saugpumpe ausgebildet sein. Für Kurzzeitmessungen, zum Beispiel für Betriebsüberwachungen, ist es jedoch empfehlenswert, anstelle der Saugvorrichtung 80 eine Handpumpe 84 einzusetzen. Dieser Fall ist in Fig. 2 dargestellt Mit Hilfe der Handpumpe 84, die an den Pufferraum 76 angeschlossen ist, wird im Pufferraunj ein für die Erzeugung des kritischen Druckverhältnisses ausreichender Unterdruck erzeugt und durch die Wirkung des Pufferraums konstant gehalten. Wird hierbei der für die Erzeugung des kritischen Druckverhältnisses erforderliche Unterdruck im Pufferraum 76 stark unterschritten, so ist ein intermittierender Betrieb der Handpumpe 84 möglich, denn in den Betriebspausen der Pumpe sichert der Unterdruck des Pufferraums 76 den für die Messung erforderlichen konstanten Gasfluß.

F i g. 4 zeigt die Kennlinien der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit drei parallel schaltbaren Verengungen bzw. Düsen 73, 75, 77. Auf der Ordinate ist der Strom in Milliampere aufgezeichnet, welcher für den Transport der Sauerstoffionen von der ersten Elektrode durch den Festelektrolyten zur zweiten Elektrode fließt. Auf der Abszisse ist der zugeordnete Sauerstoffgehalt des Meßgases in Volumenprozent aufgetragen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll die Meßvorrichtung einen Nenn-Meßbereich von 21 Volumenprozent O2 aufweisen, die Größe des Meßgasstroms und die Größe der ersten Elektrode sind daher so aufeinander abgestimmt, daß innerhalb des Nenn-Meßbereichs ein linearer Zusammenhang zwischen dem Sauerstoffgehalt und dem elektrischen Strom besteht. Die Kennlinie dieser Meßzelle ist in F i g. 4 mit a bezeichnet. Für die Gewinnung des Eichpunktes, nämlich 21 Volumenprozent Sauerstoff, wozu Außenluft benutzt wird, sind sämtliche drei Düsen 73, 75, 77 in den Weg des Gasstroms zu dessen Konstanthaltung eingeschaltet.

Infolge von Alterungen, Temperaturänderungen und/oder Verschmutzungen der Elektroden verkleinert sich der Linearitätsbereich der Meßzelle, die sich daraus ergebende Kennlinie ist mit b bezeichnet. Wie aus F i g. 4 zu ersehen ist, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem fließenden Strom und dem Sauerstoffgehalt bis zu einem Wert von 16 Volumenprozent Wird jetzt das Absperrorgan 81 geschlossen, so daß die Düse 73 außer Betrieb genommen wird, so verringert sich der Meßgasstrom mit dem Erfolg, daß die Steigung der Kennlinie geringer wird und die Meßzelle wieder in der Lage ist, den. gesamten Sauerstoffgehalt des Meßgases zu extrahieren und es ergibt sich jetzt die Kennlinie, die mit c bezeichnet ist und die einen linearen Verlauf aufweist bis zu einem Sauerstoffgehalt von mindestens 21 Volumenprozent. Die Linearität im Nenn-Meßbereich ist somit wiederhergestellt. Da sich bei dieser Kennlinienkorrektur die Steigung der Kennlinie und somit die Empfindlichkeit der Meßzelle ändert, ist eine neue Eichung erforderlich, die entsprechend den Ausführungen weiter oben durchgeführt wird. .: .

Ergibt sich nun nach einiger Betriebszeit eine weitere Einschränkung des linearen Meßbereiches, so daß die Meßvorrichtung jetzt die mit d bezeichnete Kennlinie aufweist, so wird das Absperrorgan 83 geschlossen und die Düse 77 außer Betrieb genommen und somit der Meßgasstrom weiter verringert Es ergibt sich dann eine Kennlinie e, weiche innerhalb des gewünschten Nenn-Meßbereichs linear verläuft Allerdings ist auch hier die Empfindlichkeit der Meßzelle zurückgegangen und eine neue Eichung erforderlich.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Durchtrittsquerschnitte der drei Düsen 73, 75, 77 untereinander gleich, so daß die Steigung der Kennlinie a beim Absperren der einzelnen Düsen sich jeweils um ein Drittel verringert, wie deutlich aus F i g. 4 zu ersehen ist

Es leuchtet ein, daß bei einer Vielzahl von Düsen, die in beliebiger Kombination absperrbar sind, eine feine Abstufung des Durchflusses möglich ist und somit eine weitgehende und feinfühlige Anpassung der Kennlinie durchgeführt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrochemische Meßvorrichtung für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen mit etwa gleichbleibendem Druck, insbesondere in Verbrennungsabgasen, mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (16), der mit wenigstens zwei Elektroden (18, 22) versehen ist, von denen mindestens eine erste Elektrode (18) durch einen für die Messung vorgesehenen konstanten Gasstrom in ausreichendem Maße beaufschlagbar ist und beide Elektroden (18, 22) unter Einschaltung eines Strommeßgerätes (106) mit einer elektrischen Stromquelle (104) verbindbar sind, wobei im Weg des Gassiroms wenigstens eine Verengung mit einem bei Schallgeschwindigkeit des Gases einen ausreichenden Gasstrom durchlassenden Durchtriftsquerschnitt angeordnet ist und wobei zwischen Abströmseite (62) und Zuströmseite (56) der Verengung ein Druckverhäftnis einstellbar ist, das in der Verengung die Schallgeschwindigkeit des Gasstroms bewirkt, nach Patentanmeldung P2945698.2, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Gasstroms mehrere Verengungen (73, 75, 77) angeordnet sind, deren Durchtrittsquerschnitte so gewählt sind, daß die Verengungen (73, 75, 77) in Parallelschaltung einen ausreichenden maximalen Gasstrom durchlassen, der auf die Größe der ersten Elektrode (18) im Neuzustand der Meßzelle abgestimmt ist, und daß die Verengungen (73, 75, 77) wahlweise einzeln, in Parallelschaltung gemeinsam oder beliebig kombiniert in den Weg des Gasstroms einschaltbar sind.

2. Elektrochemische Meßvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Verengungen (73, 75, 77) vorgesehen sind, von denen die erste für den Durchfluß des halben maximalen Gasstroms ausgebildet ist, wogegen die restlichen Verengungen untereinander gleiche Durchtrittsquerschnitte und zusammen ebenfalls für den Durchfluß des halben maximalen Gasstroms ausgebildet sind.