DE3040494A1

DE3040494A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen

Info

Publication number: DE3040494A1
Application number: DE19803040494
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Linder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1982-06-03
Also published as: BR8104914A; JPS57101755A

Description

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des
Sauerstoffgehaltes in Gasen Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die bekannten elektrochemischen Meßfühler dieser Art arbeiten nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette.
Sie weisen daher eine Bezugselektrode auf, die nlit St rstoff eines bekannten, konstanten Partialdrucks in Verbindung stehen. Als derartige Sauerstoffquelle kann beispielsweise der Luftsauerstoff dienen, die Bezugselektrode kann aber auch beispielsweise mit einem Rickel-Nickeloxid-Gemisch in Verbindung stehen, das ebenfalls einen konstanten Sauerstoffpartialdruck aufweist. Derartige Lösungen haben den Nachteil, daß es unbedingt erforderlich ist, die beiden Gasräume des Meßgases und des Vergleichsgases bzw. der Vergleichssubstanz gegeneinander sorgfältig abzudichten, da es andernfalls zur Messung von Mischpotentialen kommt.
Eine andere bekannte Lösung ist die, daß sowohl die ç^e.ß- als auch die Bezugs elektrode den zu nu senden Gas ausgesetzt sind, wobei die Meßelektrode aus einem Material besteht, das bezüglich der binstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes katalytisch aktiv ist, während die Bezugselektrode aua einem Material besteht, das bezüglich dieser Einstellung des Gleichgewichts nicht oder nur in sehr geringem Maße wirksam ist. Bei dieser Lösung entfallen zwar die Probleme der Abdichtung zweier Gasräume gegeneinander, es sind aber andererseits kaum Materialien bekannt, die in der beschriebenen Weise überhaupt nicht katalysierend wirken, und darüber hinaus ist zu beobachten, daß derartige Metal>, wie z. B. Gold, allmählich aktiver werden, so daß die beispielsweise bei X = 1 auftretende Potentialdifferenz allmahlich immer kleiner wird..
Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er in seinem Aufbau verhältnismäßig einfach ist, durch geringeren Stoffeinsatz und einfachere Fertigungsmethoden billiger herzustellen ist und durch eine kleinere Masse sich schneller-erwärmt. Es treten praktisch keine Einflüsse auf, die, auch über eine längere Lebensdauer hinweg, eine Verringerung der Potentialdifferenz zur Folge haben. -Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, die beiden außen liegenden Elektroden mit einer porösen keramischen Schutzschicht zu überziehen, um die Elektroden auf diese Weise vor den Einflüssen der zu messenden Gasatmosphäre zu schützen.
Im Prinzip arbeitet der erfindungsgemäße Meßfühler mit einem Sauerstoffpartialdruck an der Bezugselektrode pO = O, da im Prinzip mit der eigentlichen, als Sonde wirkenden Meßzelle eine Grenzstromsonde in Reihe geschaltet ist, die als Sauerstofflumpe arbeitet und dafür sorgt, daß an der mittleren, zwischen den beiden Festelektrolytschichten liegenden Elektroden stets -ein Sauerstoffpartialdruck pO = 0 herrscht.
2 Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einer schnitt durch dieses AusfXihrungsbeispiel und ng. 2 schematisch den Verlauf des Potentials der MeEzel'e in Abhängigkeit von Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die eigentliche Meßzelle 1 sitzt paßgenau in einem Block 2 aus keramischem Material wie z. B. Aluminiumoxid. Diese Halterung 2 ist von einem Metallrohr 3 umschlossen, das seinerseits in einer Schraubfassung 4 eingebördelt ist. Die Schraubfassung 4 mit dem Gewinde 5 dient dazu, den Meßfühler in der Art einer Zündkerze an der vorgesehenen Meßstelle einzuschrauben. Die eigentliche Meßzelle 1 reicht in die Innenbohrung der Schraubfassung 4 und ist von einer Schutzhülse 6 umgeben, die z. 3. im Zentrum ihres Bodens ein Loch 7 zum Eintritt des Meßgases aufweist. Die Schutzhülse 6 wird gleichzeitig mit dem Einbördeln des Metallrohrs 3 in der Schraubfassung L befestigt.
Die eigentliche Meßzelle 1 besteht aus einem Festelektrolyten 8 aus stabilisiertem Zirkondioxid in Plättchenform, die auf der dem zu messenden Gas ausgesetzten Seite eine erste Elektrode 9 und auf der Gegenseite eine zweite Elektrode 10 trägt. Die erste Elektrode 9 besteht aus einem die Einstellung des Gasgleichgewichtes katalysierenden Material, z. B. aus Platin. Dabei wird vorzugsweise als Elektrodenmaterial ein Gemisch aus 60 Vol.-% Platinpulver und 40 Vol.-% stabilisiertem Zirkondioxidpulver verwendet, das sich besonders günstig nach vorherigem Anteigen durch Drucken auf das Festelektrolytplättchen 8 aufbringen läßt. Die zweite Elektrode 10, die als Bezugselektrode dient, muß an sich nicht katalytisch aktiv sein, es ist aber aus praktischen Gründen sinnvoll, diese zweite Elektrode 10 aus dem gleichen Material und in der gleichen Weise herzustellen wie die erste Elektrode 9. Auf diese zweite Elektrode 10 wird nun ein weiteres Zirkondioxid-Plättchen 11 aufgebracht, das als Festelektrolyt für die als Sauerstoffpumpe wirkende Grenzstromsonde dient.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens 11 befindet sich wiederum eine Elektrodenschicht 12, die vorzugsweise in der gleichen Weise aufgebracht wird wie die Elektroden 9 und 10 und als Anode der Grenzstromsonde dient. Um die zwischen den Elektroden 10 und 12 liegende Zelle als Grenzstromsonde, d. h. unter Grenzstrombedingungen betreiben zu können, ist es notwendig, die Elektrode 10, die gegenüber der Elektrode 9 als Bezugselektrode und gegenüber der Elektrode 12 als Kathode wirkt, gegen die Gasatmosphäre vollständig abzudichten, weshalb die eigentliche Meßzelle 1 an der unteren Stirnfläche vollständig mit einer Glasur 13 abgeschlossen ist.
Zum Zwecke des Schutzes der Elektrodenschichten 9 und 12 ist es vorteilhaft, wenn diese zumindest in dem von der Schutzhülse 6 umhüllten Teil noch eine, in der Figur nicht dargestellte poröse keramische Schutzschicht aufweisen. Diese Schutzschichten könnten, wo dies erforderlich ist, auch noeh mit einem bei. pielsweise mäanderförmigen Heizleiter versehen erden, um ein schnelles Aufheizen der Meßzelle 1 zu ermöglichen.
Die Herst.ellung der Meßzelle 1 kann beispielsweise dadurch geschehen, daß auf vorgesinterte Zirkondioxid-Plättchen 8 und 11 die vleRtrodenschichten S, 10 und 12 z. B. durch Drucken aufgebracht wurden und dieser ganze Verbund anschließend zusammengesintert wird. Es ist dann nur noch erforderlich, an dem einen Ende die Glasur 13 anzubringen.
wie in Fig. 1 angedeutet, wird an die Elektroden 10 und 12 eine konstante Gleichspannung angelegt, wobei die Elektrode 10 an Masse liegt und die Elektrode 12 mit den Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist. Zwischen den Elektroden 9 und 10 wird das sich mit \ ändernde Potential US abgegriffen, das in bekannter Weise zur Regelung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses herangezogen wird.
Wie oben bereits angedeutet, sorgt der Teil der Meßzelle zwischen den Elektroden 10 und 12 dafür, daß aller Sauerstoff, der durch den Festelektrolyten 8 hindurch an der Elektrode 10 ankommt, zur Elektrode 12 transportiert wird, so daß an der Elektrode 10 stets ein Sauerstoffpartialdruck pO2 = 0 herrscht. Dieser Sauerstoffpartialdruck dient a£s Bezu, für den als wirkenden Teil der Meßzelle, der aus den Elektroden 9 und 10 sowie dem Festelektro7yten 8 besteht. Aus dieser Betrachtung ergibt sich der in Fig. 2 schematisch dargestellte Verlauf des Potentials US in Abhängigkeit von #, der gerade umgekehrt z-1 dem entsprechenden Verlauf bei solchen h -Sonden i-t, bei denen die Luft als Besugsmaß verwendet wird. Un erhalb von X = 1 herrscht an der Elektrode 9 ein geringer Sauerstoffpartialdruck, so daß sich zwischen den Elektroden 9 und 10 nur ein geringes Potential feststellen läßt. Wird \ größer als 1, so steigt der Sauerstoffpartialdruck an der Elektrode 9, was zu einer entsprechend großen Potentialdifferenz führt, da der Sauerstoffpartialdruck an der Elektrode 10 unverändert bei 0 bleibt.

Claims

Ansprüche ( Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, mit einem Festelektrolyten aus stabilisiertem Zirkondioxid und einer-ersten Elektrode auf der dem zu messenden Gas ausgesetzten Seite des Festelektrolyten und einer zweiten Elektrode auf der Gegenseite des Festelektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (10) eine weitere Eestelektrolytsehicht (11) aus stabilisiertem Zirkondioxid trägt, auf deren Gegenseite eine weitere Elektrode (12) aufgebracht ist, und daß an den Elektroden ( 12) eine konstante Spannung liegt, derart, daß die zweite Elektrode (10) mit dem Minuspol und die Elektrode (12) mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden ist, und daß die zweite Elektrode (10) gegenüber dem zu messenden Gas abgedichtet ist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (10) zwischen den beiden Festelektrolytschichten (8, 11) mittels einer Glasur (13) gegen das zu messende Gas abgedichtet ist.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9, 12) mit einer porösen keramischen Schutzschicht überzogen sind.
4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der porösen keramischen Schutzschichten auf der Außenseite einen Heizleiter trägt.