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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung gemaß
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dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Eine solche Meßvorrichtung kommt vorzugsweise bei der Kontrolle der
Abgase sowie bei der Brennstoff/Luft-Regelung von Verbrennungsanlagen und Verbrennungsmaschinen
zur Anwendung.
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In Verbrennungsanlagen wird vorzugsweise für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes
im Abgas der Anlage ein Meßfühler verwendet, der wenigstens einen Festelektrolyten
auf der Basis von Zirkonoxid aufweist, der mit zwei Elektroden ausgerüstet ist,
an welche eine Gleichspannung angelegt wird. Aus der DE-OS 30 38 429 ist eine Meßvorrichtung
dieser Art bekannt, deren erste als Kathode dienende Elektrode mit dem zu messenden
Gasstrom beaufschlagt wird. Hiermit wird der freie Sauerstoffanteil des zu messenden
Gasstromes elektrolytisch aus diesem extrahiert und in Form von Sauerstoffionen
durch den Festelektrolyten zur zweiten Elektrode transportiert und dort wieder zu
Sauerstoffmolekulen rekombiniert. Aufgrund der durch den Festelektrolyen wandernden
Sauerstoffionen kommt es zur Bildung eines Stromsignals zwischen den Elektroden.
Dieses ist von der Temperatur un
abhängig, sofern bei diesem Meßverfahren
die Arbeitstemperatur oberhalb eines kritischen Werts von 650 OC gehalten wird.
Während der Messung muß die Gasmenge, mit der die Elektroden beaufschlagt werden,
konstant gehalten werden. Dies geschieht mit einer kritischen Düse oder einer Blende.
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Aus der DE-AS 19 54 663 ist eine ebensolche Meßvorrichtung bekannt.
An die Elektroden ihres Festelektrolyten ist eine Gleichspannung angeschlossen,
deren Größe so gewählt ist, daR zwischen den Elektroden nur ein diffusionbegrenzter
Strom fließen kann. Die Größe des Stroms wird durch die Geschwindigkeit bestimmt,
mit welcher der Sauerstoff aus der Gasmenge in die Oberfläche der Elektrode diffundiert.
Somit ist die Diffusionsgeschwindigkeit und der Strom eine Funktion der in dem Gas
befindlichen Sauerstoffmenge. Von Nachteil ist hierbei jedoch, daß das gewonnene
Stromsignal temperaturabhängig ist.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde eine Meßvorrichtung
zu schaffen, bei der zusätzliche Maßnahmen zur Konstanthaltung der Gasmenge und
zur Ausschaltung von Temperatureinflüssen entfallen, die zudem exakter arbeitet
und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 10 offenbart.
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Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist zur Ermittlung des Brennstoff/Luftverhältnisses
einer Verbrennung (Luftzahl 1) und zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in
Abgasen geeignet, gleichgültig ob diese aus einer Verbrennungsanlage oder einer
Verbrennungsmaschine kommen. Gleichgültig für die Meßvorrichtung ist es auch welcher
Brennstoff der Anlage bzw. der Maschine zugeführt wird. Es muß lediglich eine einmalige
Einstellung auf den entsprechenden Brennstoff vorgenommen werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung muß die auf ihre Elektroden
einwirkende Abgasmenge nicht ständig auf einem konstanten Wert gehalten werden.
Die den Elektroden zugeführte Gasmenge darf lediglich einen definierten Maximalwert
nicht überschreiten. Sie kann jedoch darunter liegen und auch schwanken. Die Begrenzung
auf diesen Maximalwert ist wesentlich einfacher als das ständige Konstanthalten
der zu überprüfenden Gasmenge.
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Die Begrenzung auf einen zulässigen Höchstwert kann auf einfache Weise
durch einen Strömungswiderstand, eine Drosselstrecke, eine poröse Membran oder eine
poröse Schicht erzielt werden.
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Die Meßvorrichtung, insbesondere das von ihr gelieferte Meßsignal
ist temperaturunabhängig. Dies bedeutet, daß die Temperatur in der Meßvorrichtung
weder gemessen noch konstant gehalten werden muß. Sie muß lediglich einen Mindestwert
von 600 OC aufweisen, damit die erforderlich Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten
gewährleistet ist. Diese Temperatur wird automatisch durch das heiße zu messende
Abgas oder durch eine elektrische Heizung, welche in die Meßvorrichtung eingebaut
ist, erzielt. Die Leistung der Heizung kann kleiner als 10 Watt sein. Der Festelektrolyt
der Meßvorrichtung ist mit drei Elektroden ausgerüstet. Diese sind aus Metall oder
Metalloxiden
gefertigt. Auf der ersten Fläche des Festelektrolyten
sind zwei kleine in ihren Abmessungen und ihrem Querschnitt gleich große Elektroden
angeordnet. Die beiden Elektroden sind so auf der Fläche des Festelektrolyten positioniert,
daß sie einander nicht berühren. Auf der Rückseite dieser Fläche, insbesondere auf
der zweiten Fläche des Festelektrolyten ist die dritte Elektrode angeordnet, die
in ihren Abmessungen wesentlich größer ausgebildet ist als die beiden erstgenannten.
Zur Durchführung der Messung werden an die Elektroden unterschiedliche Gleichspannungen
angelegt. Insbesondere wird zwischen die erste kleine Elektrode und die große dritte
Elektrode eine Gleichspannung U1 von 0,2 bis 0,8 Volt gelegt. Zwischen die zweite
kleinere Elektrode und die dritte große Elektrode wird eine Spannung U2 gelegt,
die einen Wert zwischen 1,2 und 2 Volt aufweist. Für die Durchführung der Messung
ist es erforderlich, daß wenigstens die beiden kleinen Elektroden von dem zu messenden
Abgas beaufschlagt werden. Die Messung kann jedoch auch durchgeführt werden, wenn
alle drei Elektroden des Festelektrolyten von dem zu überprüfenden Abgas beaufschlagt
werden. Um die beiden kleineren Elektroden gegen eine Überbeanspruchung durch das
Abgas zu schützen, insbesondere um zu verhindern, daß sie durch die in dem Abgas
enthaltenen Schadstoffe belastet bzw. zu stark von der im Abgas enthaltenen Feuchtigkeit
beeinflußt werden, sind sie erfindungsgemäß von einer porösen Deckschicht oder einer
porösen Membran umgeben. Mit diesen beiden Schutzvorrichtungen kann gleichzeitig
das Überschreiten eines Maximalwertes des den Elektroden zugeführten Gases verhindert
werden. Der Festelektrolyt der Meßvorrichtung kann entweder als Scheibe, als einseitig
geschlossenes oder als offenes Rohr ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen: Figur 1: Den schematischen Aufbau einer Meßvorrichtung,
Figur 2: eine Meßvorrichtung mit rohrförmigem Festelektroylten, Figur 3: eine Variante
der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform, Figur 4: eine Meßvorrichtung bei der die
Begrenzung der Gasmenge durch ein äußeres Hüllrohr bewirkt wird, Figur 5: eine gekapselte
Meßvorrichtung in deren Gasableitung eine Drossel eingebaut ist, Figur 6: eine Variante
der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform, Figuren 7 und 8: Diagrammemit der
Charakteristik der Meßvor-
richtung, Figur 9: eine vereinfachte Variante der Meßvorrichtung,
Figur 10: Meßdiagramm der in Figur 9 gezeigten Meßvorrichtung.
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Die in Figur 1 dargestellte Meßvorrichtung 1 wird im wesentlichen
durch einen ionenleitenden Festelektrolyten 2, drei Elektroden 3,4 und 5, zwei Spannungsquellen
6
und 7 sowie zwei Amperemeter 8 und 9 gebildet. Bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der sauerstoffionenleitende Festelektrolyt 2 als Scheibe
ausgebildet und weist eine Dicke von etwa einem Millimeter oder weniger auf. Er
ist im wesentlichen aus einem Material gefertigt das hauptsächlich Zirkonoxid sowie
kleine Anteile zwei- oder dreiwertiger Oxide, wie z.B. Yttriumoxid und Ytterbiumoxid
enthalt. Auf seiner ersten großen Fläche, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
nach oben weist, sind die beiden Elektroden 3 und 4 in definiertem Abstand voneinander
angeordnet. Die beiden Elektroden sind in ihren Abmessungen gleich gewählt. Ihre
Flächen weisen die gleiche Form auf. Auf der Rückseite des Festelektrolyten 2 ist
die dritte Elektrode 5 aufgebracht. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
zeigt diese Elektrode 5 nach unten. Ihre Abmessungen sind wesentlich größer gewählt,
d.h. sie sind um mehr als das Zweifache größer als die Abmessungen der beiden Elektroden
3 und 4. Alle drei Elektroden 3,4 und 5 sind aus einem elektrisch leitenden Material
gefertigt. Vorzugsweise wird Platin oder eine Mischung aus Platin und Metalloxiden
des Lanthans des Strontiums und des Mangans bzw. Metalloxide von Lanthan, Strontium
und Kobalt verwendet. Zwischen die erste Elektrode 3 und die große Elektrode 5 ist
eine erste Spannungsquelle 6 geschaltet. Ein Amperemeter 8 ist zwischen die Elektrode
3 und die Spannungsquelle 6 geschaltet, um den Strom zwischen diesen beiden Elektroden
3 und 5 zu erfassen. Die Spannungsquelle 6 erzeugt eine Spannung von 0,2 bis 0,8
Volt zwischen den beiden Elektroden 3 und 5. Die zweite Spannungsquelle 7 ist zwischen
die zweite Elektrode 4 und die dritte Elektrode 5 geschaltet. Durch sie wird eine
Spannung von 1,2 bis 2 Volt zwischen den beiden Elektroden 4 und 5 erzeugt. Zur
Ermittlung des zwischen diesen beiden Elektroden fließen
den Stromes
ist das zweite Amperemeter 9 zwischen die Elektrode 4 und die Spannungsquelle 7
geschaltet. Zum Schutz der beiden Elektroden 3 und 4 sind diese von einer porösen
Schicht 10 vollständig überdeckt.Hierdurch werden die beiden Elektroden 3 und 4
vor einer Überbeanspruchung durch das Abgas geschützt. Insbesondere können die in
dem Abgas enthaltenen Schadstoffe aufgrund der Schutzschicht 10 nicht direkt auf
die beiden Elektroden 3 und 4 einwirken, so daß diese vor einer Beschädigung bzw.
einer Verschmutzung geschützt werden. Für den Fall, daß die Meßvorrichtung in dieser
einfachen Form benutzt wird, ist es sinnvoll die Elektrode 5 ebenfalls mit einer
solchen porösen Schicht 10 zu überziehen. Mit Hilfe der porösen Schicht 10 kann
gleichzeitig die Menge des auf die Elektroden einwirkenden Abgases auf einen Maximalwert
begrenzt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das zu messende
Abgas über die poröse Schicht 10 an den Elektroden 3,4 und 5 vorbeigeleitet. Wie
bereits oben erwähnt, liegt zwischen der Elektrode 3 und der Elektrode 5 eine Spannung
U1 von 0,2 bis 0,8 Volt. Beim Vorbeiströmen des zu messenden Abgases wird der im
Abgas enthaltene freie, molekulare Sauerstoff von der Elektrode 3 ionisiert und
wandert durch den Festelektroylten 2 hindurch zur Elektrode 5. Dort wird er wieder
zu molekularem Sauerstoff reduziert. Aufgrund der angelegten Spannung U1 zwischen
den Elektrode 3 und 5 fließt zwischen beiden Elektroden ein Ionenstrom 10>der
an dem Amperemeter 8 abgelesen werden kann. Die Messung der Sauerstoffkonzentration
bzw. der Luftzahl ;L ist temperaturunabhängig solange sich der Festelektrolyt 2
und die Elektroden 3,4 und 5 auf einer Temperatur von etwa T > 600 OC befinden.
Die Erwärmung der Meßvorrich
tung 1, insbesondere der Elektroden
3,4 und 5 sowie des Festelektrolyten 3 auf diese Temperatur wird durch das Abgas
erreicht. Für den Fall, daß das Abgas eine niedrigere Temperatur aufweisen sollte,
können der Festelektrolyt 2 und die Elektroden 3,4 und 5 von einer Heizspirale (hier
nicht dargestellt) umgeben werden. Die zwischen der Elektrode 3 und der Elektrode
5 liegende Spannung ist gerade so groß, daß nur der freie molekulare Sauerstoff
des Abgases ionisiert wird. Zwischen der Elektrode 4 und der Elektrode 5 liegt eine
Spannung von 1,2 bis 2 Volt. Diese Spannung reicht aus, um den freien sowie den
an das Kohlendioxid und das im Abgas enthaltene Wasser gebundenen Sauerstoff durch
eine elektrolytische Reaktion frei zu setzen, so daß diese Sauerstoffionen ebenfalls
durch den Festelektrolyten 2 zur Elektrode 5 wandern. Am Amperemeter 9 kann ein
weiteres Spannungssignal IG abgelesen werden. Dieses Stromsignal IG ist ein Stromsignal,
das sowohl durch den freien als auch durch den im Abgas gebunden Sauerstoff gebildet
und hier unter anderem auch als 10 + Ich + IHLO bezeichnet wird.
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Als 1 1 = IG - IO wird die Differenz zwischen den beiden an den Amperemetern
8 und 9 abgelesenen Signalen bezeichnet. Der Zusammenhang zwischen der Konzentration
an freiem Sauerstoff und an der Gesamtkonzentration von C02/H20/02 und den ermittelten
Meßsignalen Io, IG und AI ist anhand der nachfolgenden Gleichungen (1) bis (8) dargestellt.
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Mit Hilfe der allgemeinen Verbesserungsgleichung kann der prozentuale
Sauerstoffgehalt mathematisch ermittelt werden. Der in den nachfolgenden Gleichungen
mit Lamda bezeichnete Wert steht stellvertretend für die Luftzahl und gibt das Verhältnis
der mit dem Brennstoff zugeführten Luft- oder Sauerstoffmenge zu der für die vollständige
Verbrennung erforderlichen stöchiometrischen Menge an. Bei Luftüberschuß ist je
> 1, bei Luftunterschuß ist 2 < 1 und bei idealem Brennstoff-Luftgemisch weist
jU den Wert 1 auf.
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Dabei steht H stellvertretend für Wasserstoff und C für Kohlenstoff.
Bei Verwendung von Gas (CH4) als Brennstoff ist für x der Wert 4, bei Öl (CnH2n)
der Wert 2 und bei Kohle (C) der Wert x = O zu setzen. Mit Hilfe der Gleichung (10)
und (11) kann aus den gemessenen Stromsignalen, und den aus den Stromsignalen gebildeten
Differenzwerten die Luftzahl A und der Sauerstoffgehalt von Abgasen ermittelt werden,
die durch Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas erzeugt werden. In Figur 7 und 8 ist
die Abhängigkeit der Luftzahl X bzw. der Sauerstoffkonzentration im Abgas von dem
Verhältnis der an den Amperemetern 8 und 9 ermittelten Stromsignalen IO und IG bzw.
I dargestellt. Wie die Diagramme zeigen, weist die Charakteristik der neuen Meßvorrichtung
bezüglich » einen linearen und bezüglich °2 g einen hyperbolischen Verlauf auf.
Dieser wird weder von der Sondentemperatur noch von der Menge des der Meßvorrichtung
zugeführten Gases bestimmt, sondern nur von der Art des eingesetzten Brennstoffs.
Eine entsprechende Eichung der Meßvorrichtung ist daher nur bei Umstellung auf einen
anderen Brennstoff erforderlich. Mit Hilfe der nachfolgenden Gleichungen lassen
sich die Sauerstoffkonzentrationen bei Verwendung von Kohle, Öl und Gas als Brennstoff
problemlos ermitteln. Es ergeben sich nur kleine Änderungen innerhalb der gleichen
Brennstoffart ,so daß z.B. Schwankungen des Wertes x = H/C bei Gas und Öl vernachlässigt
werden können.
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Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung weist in dem für Verbrennungsprozesse
wichtigen Meßbereich zwischen 0 und 8 n 02 eine sehr große Meßempfindlichkeit auf.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist besonders für die Kontrolle und Regelung
kleiner Feuerungsanlagen gut geeignet, da mit ihr eine optimale Brennstoffeinsparung
und Schadstoffminderung ermöglicht werden kann. Bei Diesel
kraftfahrzeugmotoren
kann die Meßvorrichtung zur katalysatorfreien Verminderung der Schadstoffkonzentration,
wie Ruß, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffe sowie Stickoxiden herangezogen
werden. Diese Schadstoffe erreichen bei einer Luftzahl Lambda = 1,25 bzw. bei einem
auf 3,5 % Sauerstoff geregelten Dieselmotor ohne Katalysatoreinsatz minimale Konzentrationswerte.
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Bei der in Figur 2 dargestellten Meßvorrichtung 1 ist der Festelektrolyt
2 als einseitig geschlossenes Rohr ausgebildet. Auf seiner Außenfläche sind die
beiden ersten kleinen Elektroden 3 und 4 angeordnet, während die dritte Elektrode
5 auf die Innenfläche des rohrförmigen Festelektrolyten 2 und auf dessen im Bereich
der Öffnung angeordneten Stirnfläche aufgetragen ist. Die beiden Elektroden 3 und
4 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel kleiner dimensioniert als die dritte
Elektrode 5.
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Sie sind zudem auf der Außenfläche des Festelektrolyten so angeordnet,
daß sich zwischen ihnen kein elektrisch leitender Kontakt ausbilden kann. Durch
eine poröse Schicht 10 sind die beiden Elektroden 3 und 4 vor einer Überbeanspruchung
durch das zu messende Abgas geschützt.
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Mit der porösen Schicht kann gleichzeitig eine Begrenzung des auf
die Elektroden 3 und 4 einwirkenden Abgases auf einen Maximalwert erzielt werden.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung 1 wird das zu
messende Abgas so zur Meßvorrichtung hingeleitet, daß es gegen das geschlossene
Ende des Festelektrolyten 2, insbesondere die hierauf aufgetragene poröse Schicht
10 strömt. Die in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe werden von der porösen Schicht
10 zurückgehalten, während das Abgas selbst zu den Elektroden 3 und 4 gelangt. Zwischen
der Elektrode 3 und der Elektrode 5 ist eine Spannungsquelle 6 angeordnet, die zwischen
den beiden Elektroden eine Spannung U1 von 0,2 bis 0,8 Volt erzeugt.
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Zwischen die zweite Elektrode 4 und die Elektrode 5 ist eine Spannungsquelle
7 geschaltet, die eine Spannung U2 von 1,2 bis 2 Volt erzeugt. Zwischen der Spannungsquelle
6 und der Elektrode 3 bzw. der Spannungsquelle 7 und der Elektrode 4 ist jeweils
ein Amperemeter 8,9 angeordnet, mit Hilfe dessen die zwischen den Elektroden 3 und
5 bzw. 4 und 5 erzeugten Stromsignale ermittelt werden können. Die Funktionsweise
dieser Meßeinrichtung entspricht der in Figur 1 dargestellten und in der dazugehörigen
Beschreibung erläuterten Meßvorrichtung 1.
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Figur 3 zeigt eine Variante der in Figur 2 dargestellten und in der
dazugehörigen Erläuterung beschriebenen Meßvorrichtung. Gleiche Bauteile sind mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Der einzige Unterschied zwischen dieser Meßvorrichtung
1 und der in Figur 2 dargestellten wird durch die Membran 10M bestimmt, die um den
geschlossenen die Elektroden 3 und 4 tragenden Teil des Festelektrolyten 2 angeordnet
ist. Diese Membran 10M ist porös und für das zu messende Gas durchlässig. Sie schützt
die beiden Elektroden 3 und 4 vor einer Uberbeanspruchung und begrenzt gleichzeitig
den zu messenden Gasstrom auf einen Maximalwert. Der Gasstrom wird gegen das geschlossene
Ende der als Becher ausgebildeten Membran lOM geleitet. Durch das Anlegen von unterschiedlichen
Spannungen zwischen der Elektrode 3 und 5 und der Elektrode 4 und 5 werden auch
hierbei Ionenströme durch den freien und den gebundenen Sauerstoff des Abgases erzeugt.
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Bei der in Figur 4 dargestellten Meßvorrichtung 1 ist der Festelektrolyt
ebenfalls als geschlossenes Rohr ausgebildet. Auf seiner. Außenfläche sind die beiden
kleinen
Elektroden 3 und 4 angeordnet, derart, daß zwischen ihnen
kein elektrischer Kontakt entstehen kann. Auf der Innenfläche des Festelektrolyten
2 ist die dritte Elektrode angeordnet. Eine zwischen den Elektrodez3 und 5 angeordnete
Spannungsquelle erzeugt zwischen diesen beiden wiederum eine Spannung U1, während
eine zweite Spannungsquelle 7 eine Spannung U2 zwischen der Elektrode 4 und 5 erzeugt.
Die Spannungen U1 und U2 entsprechen den Spannungswerten, die bei den Ausführungsbeispielen
1 bis 3 angegeben sind. Innerhalb des Festelektrolyten 2 ist eine Heizung 20 angeordnet,
mit Hilfe derer die Meßvorrichtung im Bereich des Festelektrolyten 2 und der Elektroden
3,4 und 5 auf eine Temperatur von T > 660 OC aufgeheizt werden kann, für den
Fall, daß das Abgas eine niedrigere Temperatur aufweist. Alle Ausführungsformen
der Meßvorrichtung können mit einer zusätzlichen Heizung 20 ausgerüstet werden,
falls Abgase zu prüfen sind, die nicht in der Lage sind, die Meßvorrichtung auf
mindestens diesen Temperaturwert zu erwärmen. Der Festelektrolyt 2 mit seinen Elektroden
3 und 4 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb eines Rohres
30 angeordnet, das beispielsweise aus Quarz oder Keramik gefertigt ist. Der Innendruchmesser
dieses Rohres 30 ist so bemessen, daß zwischen seinen Innenflächen und den Elektroden
3 und 4, die auf der Außenfläche des Festelektrolyten angeordnet sind, nur ein schmaler
Zwischenraum 31 verbleibt. In dieses Rohr 30 wird das zu messende Abgas so eingeleitet,
daß es gegen das geschlossene Ende des Festelektrolyten 2 strömt. Durch eine geeignete
Dimensionierung des Zwischenraumes 31 kann die den Elektroden 3 und 4 zuführbare
Menge an Abgas auf einen maximalen Wert begrenzt werden. Die Funktionsweise dieser
Meßvorrichtung entspricht den Ausführungen 1 bis 3.
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Die in Figur 5 dargestellte Meßvorrichtung wird durch einen geschlossenen
Zylinder 30 aus Quarzglas oder Keramik begrenzt, der eine Zuleitung 32 und eine
Ableitung 33 für das zu messende Abgas aufweist. Die Zuleitung 32 und die Ableitung
33 münden in einen Abgaskanal 35, der im Mündungsbereich der Ableitung 33 auf ein
Bruchteil seines normalen Durchmessers verengt ist, so daß das von der Meßvorrichtung
1 kommende Gas nur langsam in den Abgaskanal 35 zurückströmen kann, wodurch eine
Begrenzung des durch die Meßvorrichtung strömenden Abgases auf einen definierten
Maximalwert erzielt werden kann. Innerhalb des geschlossenen Zylinders 30 ist ein
rohrförmiger Festelektrolyt 2 angeordnet, auf dessen Außenfläche die große Elektrode
5 aufgetragen ist, während auf seinen Innenflächen die beiden Elektroden 3 und 4
angeordnet sind. Zwischen der Elektrode 3 und der Elektrode 5 ist die Spannungsquelle
6 angeordnet, welche die Spannung U1 erzeugt, während die Spannungsquelle 7 zur
Erzeugung der Spannung U2 zwischen die Elektroden 3 und 5 geschaltet ist. Ein Amperemeter
8,9 ist auch hierbei zwischen die Elektrode 3, 4 und die Spannungsquelle 6,7 geschaltet.
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Bei der in Figur 6 dargestellten Meßvorrichtung ist der Festelektrolyt
2 als offenes Rohr ausgebildet. Nach außenhin wird er von einem einseitig geschlossenen
Rohr 30, das beispielsweise aus Quarzglas oder Keramik gefertigt ist, begrenzt.
Am geschlossenen Ende dieses Rohres 30 ist eine Zuleitung 32 für das Abgas vorgesehen.
In definiertem Abstand vom geschlossenen Ende des Rohres 30 ist die Zuleitung 32
auf ein Bruchteil ihres sonstigen Durchmessers reduziert. Hierdurch wird eine Begrenzung
der zuzuführenden Abgasmenge auf einen maximalen Wert
erreicht.
Auf der Außenfläche des Festelektrolyten 2 sind wiederum zwei kleine Elektroden
3 und 4 angeordnet, während sich auf der Innenfläche des Festelektrolyten 2 die
Elektrode 5 befindet. Wie bei den übrigen Ausführungsformen sind auch hierbei die
beiden Elektroden 3 und 4 wesentlich kleiner als die Elektrode 5 ausgebildet und
so geformt, daß ihre Flächen gleich groß sind und die gleiche Form aufweisen. Außerdem
sind sie so auf dem Festelektroylten 2 angeordnet, daß kein Kontakt zwischen ihnen
besteht. Mit Hilfe der Spannungsquellen 6 und 7 werden zwischen der Elektrode 3
und 5 bzw. 4 und 5 die Spannungen U1 und U2 erzeugt. Mit Hilfe der Amperemeter 8
und 9 werden die Stromsignale ermittelt.
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In einer vereinfachten Ausführung kann in der Meßvorrichtung 1 nach
Figur 9 auch ein scheiben- oder rohrförmiger Festelektrolyt 2 mit nur zwei Elektroden
3 und 5 verwendet werden, an die mit Hilfe eines Schalters S zeitlich nacheinander
eine niedrige Gleichspannung U1 von 0,2 bis 0,8 V und anschließend eine größere
Gleichspannung U2 von 1,2 bis 2V angelegt wird. Mit einem Amperemeter 8 können dann
zeitlich nacheinander die Ionenströme 10 und IG = 10 +Iqo+ 1CO gemessen und daraus
das Verhältnis 10 /I I bzw.t I/Io gebildet werden (Figur 10).
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Dieses Meßverfahren hat eine längeren Ansprechzeit und eignet sich
daher eher zur Überprüfung von Verbrennungsprozessen in größeren Zeitabständen durch
einmalige Messung.
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