DE3437442C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Meßvorrichtung kommt vorzugsweise bei der Kontrolle der Abgase sowie bei der Brennstoff/Luft-Regelung von Verbrennungsanlagen und Verbrennungsmaschinen zur Anwendung.

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 Sauerstoffmolekülen rekombiniert. Aufgrund der durch den Festelektrolyten wandernden Sauerstoffionen kommt es zur Bildung eines Stromsignals zwischen den Elektroden. Dieses ist von der Temperatur unabhängig, sofern bei diesem Meßverfahren die Arbeitstemperatur oberhalb eines kritischen Werts von 650°C 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.

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, daß 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.

Aus der DE-OS 31 08 305 ist ein polarographischer Meßfühler bekannt, der nach dem Diffusionsgrenzstromprinzip zur Bestimmung des Lambdaäquivalenzpunktes in Abgasen arbeitet. Der Meßfühler weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten auf, auf dessen einer Seite eine Anode aufgebracht ist. Zum Zweck in der eindeutigen Zuordnung des Lambdawertes zu dem gemessenen Strom ist die Kathode auf der anderen Seite in zwei kammerartige ineinandergreifende Teilelektroden aufgespalten, von denen eine auf -850 mV und die andere auf 100 bis 700 mV polarisiert ist. Die Kathode ist mit einer Diffusionsbarriere in Form eines porösen keramischen Überzugs versehen. Aus der DE-OS 30 10 632 ist ein polarographischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen bekannt. Der Meßfühler weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten auf, der eine Anode und eine Kathode trägt, an die eine konstante Spannung angelegt ist.

Die Kathode ist von einer porösen Schicht bedeckt. Beide Elektroden werden dem zu messenden Gas ausgesetzt. Der Festelektrolyt ist mit einem zweiten ebenfalls dem zu messenden Gas ausgesetzten Elektrodenpaar versehen, das zusammen mit dem Festelektrolyten ein System bildet. Dieses wirkt als sauerstoffionenleitender ohmscher Widerstand und ist mit dem von den beiden erstgenannten Elektroden gebildeten System elektrisch in Reihe geschaltet. Hierdurch ist es möglich ein Grenzstromsignal zu erzeugen, das temperaturunabhängig ist.

In der DE-OS 30 20 132 ist eine Vorrichtung zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines Luft-Brennstoffgemischs beschrieben. An die Elektroden eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wird eine Stromquelle angeschlossen. Den Meßelektroden wird das zu überprüfende Abgas zugeführt, während die Referenzelektroden von dem Abgas unbeaufschlagt bleiben. Mit Hilfe von Potentiometern wird die sich zwischen den Elektroden ausbildende elektromotorische Kraft gemessen. Aus den temperaturabhängigen Signalen wird das Brennstoff-Luft- Verhältnis ermittelt.

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine weitere Lösung der Aufgabe ist im Patentanspruch 10 offenbart.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung muß die auf ihre Elektroden einwirkende Abgasmenge nicht ständig auf einen 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. Die Begrenzung auf einen zulässigen Höchstwert kann auf einfache Weise durch einen Strömungswiderstand, eine Drosselstrecke, eine poröse Membran oder eine poröse Schicht erzielt werden.

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°C aufweisen, damit die erforderliche 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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Meßvorrichtung,

Fig. 2 eine Meßvorrichtung mit rohrförmigem Festelektrolyten,

Fig. 3 eine Variante der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 4 eine Meßvorrichtung bei der die Begrenzung der Gasmenge durch ein äußeres Hüllrohr bewirkt wird,

Fig. 5 eine gekapselte Meßvorrichtung in deren Gasableitung eine Drossel eingebaut ist,

Fig. 6 eine Variante der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 7 und 8 Diagramme mit der Charakteristik der Meßvorrichtung,

Fig. 9 eine vereinfachte Variante der Meßvorrichtung,

Fig. 10 Meßdiagramm der in Fig. 9 gezeigten Meßvorrichtung.

Die in Fig. 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 enthält. 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 Festelektrolyten 2 hindurch zur Elektrode 5. Dort wird er wieder zu molekularem Sauerstoff reduziert. Aufgrund der angelegten Spannung U₁ zwischen den Elektroden 3 und 5 fließt zwischen beiden Elektroden ein Ionenstrom I₀, der an dem Amperemeter 8 abgelesen werden kann. Die Messung der Sauerstoffkonzentration bzw. der Luftzahl λ ist temperaturunabhängig, solange sich der Festelektrolyt 2 und die Elektroden 3, 4 und 5 auf einer Temperatur von etwa T600°C befinden. Die Erwärmung der Meßvorrichtung 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 freizusetzen, so daß diese Sauerstoffionen ebenfalls durch den Festelektrolyten 2 zur Elektrode 5 wandern. Am Amperemeter 9 kann ein weiteres Spannungssignal I_G abgelesen werden. Dieses Stromsignal I_G ist ein Stromsignal, das sowohl durch den freien als auch durch den im Abgas gebundenen Sauerstoff gebildet und hier unter anderem auch als I_O+I_CO₂+I_H₂O bezeichnet wird. Als ΔI = I_G-I_O 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 CO₂/H₂O/O₂ und den ermittelten Meßsignalen I_O, I_G und ΔI ist anhand der nachfolgenden Gleichungen (1) bis (8) dargestellt.

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 λ < 1, bei Luftunterschuß ist λ < 1 und bei idealem Brennstoff-Luftgemisch weist λ den Wert 1 auf.

Aus (2) und (4) bzw. (2) und (5) folgt:

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 (CnH_2n) der Wert 2 und bei Kohle (C) der Wert x = 0 zu setzen. Mit Hilfe der Gleichung (10) und (11) kann aus den gemessenen Stromsignalen und den aus den Stromsignalen gebildeten Differenzwerten die Luftzahl λ und der Sauerstoffgehalt von Abgasen ermittelt werden, die durch Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas erzeugt werden. In Fig. 7 und 8 ist die Abhängigkeit der Luftzahl λ bzw. der Sauerstoffkonzentration im Abgas von dem Verhältnis der an den Amperemetern 8 und 9 ermittelten Stromsignalen I_o und I_G bzw. ΔI dargestellt. Wie die Diagramme zeigen, weist die Charakteristik der neuen Meßvorrichtung bezüglich λ einen linearen und bezüglich O₂% 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.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung weist in dem für Verbrennungsprozesse wichtigen Meßbereich zwischen 0 und 8% O₂ 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 Dieselkraftfahrzeugmotoren kann die Meßvorrichtung zur katalysatorfreien Verminderung der Schadstoffkonzentration, wie Ruß, Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen 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.

Bei der in Fig. 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. 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. 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.

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 Fig. 1 dargestellten und in der dazugehörigen Beschreibung erläuterten Meßvorrichtung 1.

Fig. 3 zeigt eine Variante der in Fig. 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 Fig. 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 Überbeanspruchung und begrenzt gleichzeitig den zu messenden Gasstrom auf einen Maximalwert. Der Gasstrom wird gegen das geschlossene Ende der als Becher ausgebildeten Membran 10M 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.

Bei der in Fig. 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 Elektroden 3 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 T660°C 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 Innendurchmesser 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.

Die in Fig. 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.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Meßvorrichtung ist der Festelektrolyt 2 als offenes Rohr ausgebildet. Nach außen hin 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 Festelektrolyten 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.

In einer vereinfachten Ausführung kann in der Meßvorrichtung 1 nach Fig. 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 2 V angelegt wird. Mit einem Amperemeter 8 können dann zeitlich nacheinander die Ionenströme I_o und I_G = I_o+I_H₂O+I_CO₂ gemessen und daraus das Verhältnis I_o/ΔI bzw. ΔI/I_o gebildet werden (Fig. 10).

Dieses Meßverfahren hat eine längere Ansprechzeit und eignet sich daher eher zur Überprüfung von Verbrennungsprozessen in größeren Zeitabständen durch einmalige Messung.

Claims (9)

1. Meßvorrichtung mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (2), auf dessen erster Fläche zwei Elektroden (3, 4) und auf dessen zweiter Fläche eine dritte Elektrode (5) vorgesehen und die Elektroden mit einer Spannungsquelle (6, 7) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die dritte Elektrode (3 und 5) und die zweite Elektrode und die dritte Elektrode (4 und 5) an je eine separate Spannungsquelle (6 bzw. 7) angeschlossen sind, und daß zwischen der ersten Elektrode (3) und der dritten Elektrode (5) eine Spannung (U₁) von 0,2 bis 0,8 Volt und zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode eine Spannung (U₂) von 1,2 bis 2,0 Volt anliegt.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (2) aus Zirkoniumdioxid und die drei Elektroden (3, 4 und 5) aus Metall gefertigt sind, und daß die beiden auf die erste Fläche des Festelektrolyten (2) aufgebrachten Elektroden (3, 4) in ihren Abmessungen gleich jedoch kleiner als die dritte Elektrode (5) ausgebildet sind.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung nur die beiden kleinen Elektroden (3 und 4) von dem zu messenden Abgas beaufschlagbar sind.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung alle drei Elektroden (3, 4, 5) von dem zu messenden Abgas beaufschlagbar sind.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des die Elektroden (3, 4, 5) beaufschlagenden Abgases auf einen oberen maximalen Wert begrenzt ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die beiden kleinen Elektroden (3, 4) gegen eine Überbeanspruchung durch das Abgas von einer porösen Membran (10M) oder einer porösen Schicht (10) überzogen sind.

7. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich der drei Elektroden (3, 4 und 5) auf einen Mindestwert von T < 600°C festgelegt ist.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (2) als Scheibe, als einseitig geschlossenes Rohr oder als offenes Rohr ausgebildet ist.

9. Meßvorrichtung mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (2), der zwei Elektroden (3 und 5) aufweist, die an eine Spannungsquelle (6, 7) angeschlossen sind, und von denen mindestens eine Elektrode (3, 5) von dem zu messenden Abgasstrom beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die beiden Elektroden (3, 5) alternierend eine Spannung U₁ von 0,2 bis 8V und eine Spannung U₂ von 1,2 bis 2 V gelegt ist.