DE3122861A1

DE3122861A1 - Vorrichtung zur messung des absolutdrucks von luft

Info

Publication number: DE3122861A1
Application number: DE19813122861
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Dietz; Wolf Ing Grad Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-06-10
Filing date: 1981-06-10
Publication date: 1982-12-30
Also published as: JPS586245U; JPS6330987Y2; DE3122861C2

Description

Vorrichtung zur Messung des Absolutdrucks von Luft
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Absolutdruckmesser für Luft werden für verschiedene Anwendungen benötigt, so z. B. zur Messung des Drucks im Saugrohr einer Verbrennungskraftmaschine oder für die Höhenkorrektur bei Kraftstoffeinspritzanlagen. Dafür wurden bisher stets Geber benutzt, bei denen in irgendeiner Form die Auslenkung einer Membran gemessen wurde, auf deren einer Seite Vakuum anliegt, wie z. B. Barometerdosen mit Weggeber oder Membranen mit Dehnmeßstreifen. Diese Geber haben den Nachteil, daß sie im Aufbau kompliziert und in ihrer Handhabung empfindlich sind. Außerdem wird hier stets eine Druckdifferenz gemessen, so daß das Meßergebnis abhängig ist von der Güte des auf einer Seite anliegenden Vakuums.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Herstellung verhältnismäßig einfach ist, daß sie in der Handhabung robust ist und daß der Luftdruck in seiner absoluten Höhe gemessen werden kann. Es ist hier nicht, wie bei den bisher benutzten Gebern, eine mechanische Übersetzung notwendig, die ihrerseits Unsicherheiten in das Meßergebnig bringt.
Als Meßergebnis erhält man einen von der Größe des Luftdrucks abhängigen Strom, der sich in einfacher Weise weiterverarbeiten läßt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und der besserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung einen Heizleiter sowie einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist, da das Meßergebnis temperaturabhängig ist und die Temperatur der Vorrichtung daher bei sehr genauen Messungen konstant gehalten werden sollte.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht auf dem Prinzip der polarographischen Meßfühler, wie sie beispielsweise in der DE-OS 27 11 880 beschrieben sind. Diese Meßfühler arbeiten im Diffusionsgrenzstrombereich und gestatten die Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch, beispielsweise im Abgas eines Kraftfahrzeugmotors. Die bei diesen Meßfühlern vorgesehenen Diffusionsbarrieren weisen im allgemeinen Poren mit Durchmessern größer als 1 /um auf. Solche Porendurchmesser sind groß gegenüber der mittleren freien Weglänge der Sauerstoffmoleküle oder zumindest mit diesen vergleichbar, was dazu führt, daß der sich ergebende Diffusionsgrenzstrom zwar von der Konzentration des Sauerstoffs, nicht aber von dem Absolutdruck des Sauerstoffs abhängig ist. Enthält dagegen die Diffusionsschicht Poren, deren Durchmesser klein sind gegenüber der mittleren freien Weglänge der Sauerstoffmoleküle, so wird der Diffusionsstrom abhängig von dem herrschenden Absolutdruck des Sauerstoffs und ist diesem direkt proportional, so daß mit einer solchen Vorrichtung der Absolutdruck des Sauerstoffs bzw. der Luft, die ja einen konstanten Sauerstoffgehalt aufweist, gemessen werden kann.
Diese Art von Diffusion ist die sogenannte Knudsen-Diffusion.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Absolutdrucks von Luft.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Die Vorrichtung besteht aus einem Plättchen 1 aus stabilisiertem Zirkondioxid als ionenleitfähigem Material, die etwa 1 mm dick ist und auf beiden Großflächen je eine Elektrode 2 bzw. 3 trägt. Diese Elektroden 2 und 3 sind porös und bestehen aus Platin oder einem Gemisch aus Platin und Zirkondioxid. Die Elektrode 2 ist mit einer feinporigen Diffusionsschicht 4 bedeckt, deren Poren einen Durchmesser kleiner oder gleich 0,1 /um aufweisen. Diese poröse Diffusionsschicht besteht aus einem Yttriumoxid als Stabilisierungszusatz enthaltenden Zirkondioxid, das darüber hinaus noch 40 Gew. Titandioxid enthält.
Derartige poröse Schichten und ihre Herstellung sind in der DE-OS 29 45 020 beschrieben. Auf der der Elektrode 2 abgewandten Seite der Diffusionsschicht 4 ist ein Heizleiter 5 aufgedruckt, der aus Platin bzw.
vorzugsweise aus einem Platin-Zirkondioxid-Gemisch besteht. Auf der gleichen Seite der Diffusionsschicht 4 befindet sich darüber hinaus noch ein temperaturabhängiger Meßwiderstand 6, der vorzugsweise aus Platin besteht.
An die Elektroden 2 und 3 wird zwischen den Punkten e und f eine Spannung von etwa 1 V angelegt, derart, daß die Elektrode 2 als Kathode und die Elektrode 3 als Anode geschaltet ist. In dem Stromkreis befindet sich noch ein mit I bezeichnetes Strommeßgerät 7, das entweder in Meßgrößen des Luftdruckes geeicht oder dessen Meßwert für Regel zwecke herangezogen werden kann. Über die Punkte a und b wird an den Heizleiter 5 eine Spannung angelegt, die in Abhängigkeit von der Temperatur der Diffusionsschicht 4 geregelt wird. Dabei dient der Widerstandswert des temperaturabhängigen Meßwiderstandes 6, an den über die Punkte c und d ebenfalls eine Spannung angelegt wird, als Regelgröße, beispielsweise, indem dieser Widerstand in einer Brückenschaltung benutzt wird. Der Vorteil eines solchen extra aufgebrachten Meßwiderstandes -man kann -alternativ dazu auch den Heizwiderstand als temperaturabhängigen Meßwiderstand ausbilden - ist darin zu sehen, daß dieser Meßwiderstand 6 für jeden Druckmesser gesondert abgeglichen werden kann, womit es möglich wird, eine eventuelle Schwankung der Diffusionsschicht-Porengröße, die den Grenzstrom beeinflußt, zu kompensieren. Dieser Abgleich geschieht z. B. dadurch, daß durch Abtragen von Widerstandsmaterial mittels eines Laserstrahls der Widerstand erhöht wird.
Zum Schutz gegen Oxydation und gegen mechanische Beschädigung können die Widerstandsbahnen 5 und 6 in an sich bekannter Weise mit einer Schutzschicht, z. B. aus einem Glas, abgedeckt sein. Diese Schutzschicht ist in der Figur nicht dargestellt. Die vier kleinen vertikalen Flächen müssen mit einem Glas gasdicht abgedeckt sein, um keine Verfälschung der Meßergebnisse zu bekommen.
Zur Messung des Luftdrucks muß die Vorrichtung zunächst auf eine konstante Temperatur oberhalb etwa ° 600 C aufgeheizt werden, indem an die Punkte a, b einerseits sowie c und d andererseits Spannungen angelegt werden, wobei die an a und b angelegte Spannung durch den sich ergebenden Widerstand 6 geregelt wird, wie dies oben dargestellt ist. An die Punkte e und f wird eine Spannung von ca. 1 V angelegt.
Obwohl die Vorrichtung aufgrund ihres Mechanismus' nur auf Sauerstoff reagiert, läßt sie sich trotzdem zur Messung des Luftdrucks einsetzen, da die Luft eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweist.
Die Luft mit ihrem Sauerstoffanteil dringt durch die Poren der Diffusionsschicht 4 an die poröse Elektrode 2 (Kathode) und durch diese hindurch schließlich an die Dreiphasengrenze Festelektroiyt/ Elektrode/Gas. An dieser Dreiphasengrenze findet eine Reduktion zu Sauerstoffionen statt, die durch den Festelektrolyten 1 hindurchwandern und an der Elektrode 3 (Anode) wieder zu elementarem Sauerstoff oxidiert werden. Die Diffusionsschicht 4 sorgt einerseits dafür, daß jedes ankommende Sauerstoffmolekül unmittelbar in Sauerstoffionen umgewandelt und "abgepumpt" wird, so daß an der genannten Dreiphasengrenze stets eine Sauerstoffkonzentration Null herrscht. Sie sorgt andererseits durch die Wahl der Porengröße dafür, daß der sich auf Grund des Sauerstoffionentransportes durch den Festelektrolyten 1 ergebende, an dem Meßinstrument 7 abzulesende Diffusionsgrenzstrom von dem herrschenden Absolutdruck abhängig und diesem direkt proportional ist. Mit dieser Vorrichtung lassen sich Luftdrücke von 0,1 bis etwa 10 bar messen.
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Claims

Ansprüche ½). Vorrichtung zur Messung des Absolutdrucks von Luft, dadurc-h gekennzeichnet, daß sie aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper (1) besteht, der eine Anode (3) und eine der zu messenden Luft ausgesetzte Kathode (2) trägt, an die eine konstante Spannung anlegbar ist, und daß die Kathode (2) eine poröse Diffusionsschicht (4) trägt, deren Poren Durchmesser aufweisen, die klein sind gegenüber der mittleren freien Weglänge der Sauerstoffmoleküle.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sauerstoffionenleitende Festelektrolytkörper (1) aus stabilisiertem Zirkondioxid besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Anode (3) und Kathode (2) aus einem elektrisch leitfähigen, metallischen oder keramischen Material bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anode (3) und Kathode (2) aus Platin oder einem anderen Platinmetall oder einer Platin-Metall-Legierung oder aus Gold, einer Goldlegierung, Silber, einer Silberlegierung, einem Perowskit wie solchen auf der Basis von La-Co-Mischoxiden oder aus einem Gemisch aus zwei oder mehreren der genannten Komponenten besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionsschicht (4) aus Aluminiumoxid, Magnesiumspinell oder aus einer Zirkondioxid enthaltenden Keramik besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionsschicht (4) aus einem Stabilisierungszusätze enthaltenden Zirkondioxid mit einem Zusatz von 20 - 60 Gew.-% Titandioxid besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Poren kleiner oder gleich 0,1 /um ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionsschicht (4) auf der der Kathode (2) abgewandten Seite einen Heizleiter (5) trägt, an den eine Heizspannung anlegbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionsschicht (4) auf der der Kathode (2) abgewandten Seite einen temperaturabhängigen Widerstand (6) zur Heizungsregelung trägt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Diffusionsschicht (4) auf der der Kathode (2) abgewandten Seite einen Heizleiter (4) aus einem temperaturabhängigen Widerstandsmaterial trägt, der gleichzeitig der Heizung und der Heizungsregelung dient.
11. Verwendung eines polarographischen Grenzstromsensors mit einer Diffusionsschicht, deren Poren kleiner oder gleich 0, 1 /um sind, zur Messung des Absolutdrucks der Luft.