DE9103547U1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Überwachen der Konzentrationen von gasförmigen Bestandteilen in Gasgemischen - Google Patents
Vorrichtung zum kontinuierlichen Überwachen der Konzentrationen von gasförmigen Bestandteilen in GasgemischenInfo
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Description
Roth-Technik GmbH & Co. S 20.142 P-DE/sä/fe
Forschung für Automobil- und (26.02.1991)
Umwelttechnik
VORRICHTUNG ZUM KONTINUIERLICHEN ÜBERWACHEN DER
KONZENTRATIONEN VON GASFÖRMIGEN BESTANDTEILEN IN
GASGEMISCHEN
GASGEMISCHEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Hauptanspruchs.
20
20
Eine solche Vorrichtung ist bekannt (DE-OS 36 10 363). Diese bekannten
Vorrichtungen haben sich insgesamt bewährt.
Nachteilig ist jedoch deren komplizierter Aufbau. So muß bei der 25
Herstellung dieser Vorrichtungen als Sonde Gasdichtigkeit erzielt werden und nach Herstellung eine Gasdichtigkeitsprüfung durchgeführt
werden, wodurch die Gestehungskosten für die Sonde teuer werden. Hinzu kommt, daß in dem Sondenrohr noch eine separate Heizung
vorgesehen werden muß; infolgedessen läßt sich keine kompakte 30
Bauweise erzielen und ein schlechter Wärmeübergang zwischen der Heizung und dem Sondenrohr mit allen daraus resultierenden Nachteilen
wie hoher Energiebedarf und inhomogene Temperaturverteilung ist zu erwarten. Hierdurch bedingt, ergibt sich auch ein relativ großer
Einbauraum. Ferner ist aufgrund der großen Maße und die für deren
Erwärmung benötigte Zeit von mindestens 60 s beim Einschalten nicht
sofort Betriebsbereitschaft gegeben. Außerdem muß relativ viel Energie
zum Heizen während des gesamten Betriebes aufgewendet werden. Ein wesentlicher Nachteil ist, abgesehen von der Trägheit dieses bekannten
Systems die infolge der Temperaturabhängigkeit des Meßsignals der Sensoren nur mäßige Genauigkeit. Schließlich muß der bekannten
Vorrichtung Luft als Referenzgasgemisch zugeführt werden, wodurch nicht nur das Gehäuse komplexer gestaltet werden muß, sondern auch
der Einbauort nicht frei gewählt werden kann.
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Es ist zwar schon daran gedacht worden, die Temperaturabhängigkeit
der bekannten Vorrichtungen dadurch zu kompensieren, daß man einen Temperatursensor in die bekannte Vorrichtung miteinbaut, um die
Temperaturabhängigkeit auf rechnerischem Wege zu kompensieren. Eine solche Vorrichtung ist jedoch noch nicht bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs mit einfacherem und zugleich
für die Messung mehrerer gasförmiger Bestandteile eines
Gasgemisches geeigneter Aufbau, platzsparendem und ortsmäßig wahlfreiem Einbau mit besseren Ansprechverhalten und genaueren
Meßergebnissen unter Einsatz von weniger Heizleistung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende
Merkmale gelöst.
Hierbei wird als Träger ein Plättchen vorgesehen, auf dessen einer
Seite die Elektroden und auf dessen anderer Seite eine,vorzugsweise
mäanderförmig ausgebildete Widerstandsheizschicht aufgebracht ist,
die das dünne Plättchen in wenigen Sekunden auf Betriebstemperatur aufheizt, so daß es betriebsbereit ist. Erforderlichenfalls kann eine
elektrisch isolierende Oxidschicht zwischen der Widerstandsheizschicht und dem Plättchen bei elektrischen Spannungen, größer als die
Zersetzungsspannungen des Festelektrolyten (ca. 2V bei ZrO ) sind,
verwendet werden. Aufgrund der geringen Masse und Abmessungen des Trägerplättchens wird für den laufenden Betrieb nur vergleichsweise
wenig Heizleistung benötigt. Wird auf der einen Seite noch ein Temperaturfühler aufgebracht, der die gemittelte, effektive Temperatur
in unmittelbarer Nähe der Elektroden mißt, so kann ein Höchstmaß an Meßgenauigkeit erzielt werden. Durch die Verwendung des Plättchens
wird ferner ein deutlich kleineres Einbaumaß erzielt, ohne daß ein kompliziertes und teures Gehäuse erforderlich wäre. Bedingt durch die
kleinen Abmessungen sowie der nicht notwendigen Referenzelektrode, die beim Stand der Technik einem Referenzgas (z.B. Luft) ausgesetzt
sein muß, kann auch die erfindungsgemäße Vorrichtung ansonst nur schwer zugänglichen Stellen, beispielsweise im Abgasstrang von
Kraftfahrzeugen angebracht werden. Aufgrund der nur als Schichten
1^ aufgebrachten Komponenten ist auch eine einfache Herstellung mittels
Schichttechnologien möglich. Eine Dichtigkeitsprüfung entfällt. Auch
kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Konzentration von Sauerstoff im zu messenden Gas sowie von Begleitgasen bestimmt
werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird als Träger ein Plättchen
aus Keramik vorgesehen, auf dem eine Schicht des Festelektrolyten aufgebracht ist, so daß nur wenig des kritisch zu handhabenden und
teuren Materials für den Festelektrolyten , z.B. Y-dotierten ZrOp
benötigt wird. Demgegenüber sind Keramikplättchen billige Massenware
und weisen weiterhin sowohl die notwendige mechanische Stabilität als auch elektrisch isolierende Eigenschaften auf, um die elektrischen
Leitungen von den Elektroden etc als Anschlußstück aufzunehmen. Es sind auf der einen Seite nicht nur eine, sondern mehrere Elektroden
aufgebracht, die jeweils mit verschiedenen Bestandteilen in dem Gasgemisch wechselwirken. So kann unter Verwendung jeweils eines
einzigen Gehäuses, Plättchens, Temperaturfühlers und einer Widerstandsheizschicht verschiedene Bestandteile des Gasgemisches,
z.B. CO, NO oder HC sowie 0„ gleichzeitig bestimmt werden können.
Ist hierbei der Sauerstoffgehalt konstant, so liegen die elektrischen
Meßsignale zwischen einer als Referenz dienenden Elektrode und jeder der anderen Elektroden an. Wenn der Sauerstoffgehalt in dem zu überwachenden
Gasgemisch hingegen schwankt, so sind zwei der möglichen 5
elektrochemischen Halbzellen zum Messen des Sauerstoffes ausgelegt.
Eine der Halbzellen ist dabei vorteilhafterweise als Feststoffreferenz
(z.B. Palladium/Palladiumoxid) und die andere Halbzelle zur Bestimmung der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration im Abgas ausgelegt.
10
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
Figur 1 eine erste Ausführungsform, mit zwei
Elektroden zur Bestimmung eines Bestandteils des Gases in Draufsicht;
einen Schnitt H-Il gemäß Fig. 1;
eine alternative Ausführungsform, im teilweise abgeschnittenen Querschnitt,
die erste Ausführungsform gemäß Fig. 1, in Druntersicht;
Figur 4 eine zweite Ausführungsform der
30
Erfindung, zur gleichzeitigen Bestimmung mehrerer Bestandteile des Gasgemisches
in schematischer Draufsicht.
35
Figur 5 eine dritte Ausführungsform der
Erfindung, in schematischer Draufsicht, und
| 20 | Figur | 2a |
| Figur | 2b | |
| 25 | Figur | 3 |
Figur 6 einen Schnitt Vl-V! gemäß Fig. 5.
Die Vorrichtung 5 weist als Träger für die elektrochemische Zelle ein
Plättchen 6 aus ZrCL auf, auf dessen einer Seite 7 (Fig. 1) die Elektroden aufgebracht sind, und die nachfolgend noch näher erläutert
wird. Ferner ist auf der einen Seite 7 ein die elektrochemischen Zellen umschließender, insgesamt etwa kreisringförmiger Temperaturfühler
8 vorgesehen, der auf der einen Seite 7 mit ihren Anschlußpunkten 81 ebenso wie elektrochemische Zelle mit Anschlußpunkten 82 versehen
ist, an die - nicht gezeigte - Anschlüsse von elektrischen Leitungen angebracht und zu einer Auswerteanordnung geführt werden können.
Auf der Rückseite 9 (Fig. 3) des Plättchens 6 ist eine Widerstandsheizschicht
10 vorgesehen, die in Draufsicht mäanderförmig aufgebracht ist und ebenfalls Anschlüsse 91 aufweist.
Auf dem dünnen, in Draufsicht kreisrunden Plättchen 6 sind wie Fig.
2a zeigt, auf der einen Seite 7 ferner zwei verschiedene metall-
und/oder metalloxidhaltige Elektroden 11a, 11b in Form einer dünnen
Schicht aufgebracht, die jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind. Diese mittels Siebdrucktechnik und anschließendem Sintern
hergestellte Vorrichtung in Planar- bzw. Dickschichttechnologie weist eine äußerst geringe Masse und kleine Einbaumaße auf und benötigt
darüber hinaus nur noch ein einfaches Gehäuse als Halterung. Außerdem ist von Vorteil, daß direkt in unmittelbarer Nähe der Elektroden mittels
des Temperaturfühlers die gemittelte effektive Temperatur abgenommen
wird. Weiterhin ist das Heizelement auf der anderen Seite des Plättchens so angebracht,daß nur ein geringer Abstand zwischen der elektrischen
Widerstandsheizschicht und den Elektroden besteht, wodurch eine kurze Ansprechzeit sichergestellt ist. Zum anderen muß nur eine geringe
Masse in Form des Plättchens und der darauf angebrachten Einzelschichten geheizt werden, so daß zum Betrieb eine nur geringe
Heizleistung notwendig ist.
Bei der in Fig. 2b gezeigten zu Fig. 2a alternativen Ausführungsform
wird auf der Unterseite 9 des Plättchens 6 eine Gegenelektrode 40 mit einer darunter liegenden Isolierschicht 41 vorgesehen, auf der dann
die Widerstandsheizschicht 10 vorgesehen ist. Bei dieser
Ausführungsform ist zusätzlich ein verbessertes Zeitverhalten der Meßzelle realisiert.
Mit besonderem Vorteil können in zweckmäßiger Ausgestaltung bei
der in Fig. 4 dargestellten zweiten Ausführungsform auf den Plättchen
10
6 bzw. dessen einer Seite 7 auf dem Träger 6 zwei oder mehr verschiedene Elektroden 13, 14 oder 15 angebracht sein, um
gleichzeitig verschiedene Bestandteile in dem gasförmigen Gemisch zu messen. Hierbei dient dann eine Elektrode 16 als Referenzpotential,
gegen die das Potential der anderen Elektroden 13, 14 und 15 gemessen
15
werden.
In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt. Bei dieser
Ausführungsform wird ein Plättchen 6 aus Keramik, vorzugsweise AL0„
verwendet, auf dem als dünne Schicht in Dickschichttechnik als 20
Festelektrolyt 12 Yttrium stabilisiertes ZrO„ aufgebracht ist. Ferner
befindet sich auf der einen Seite 7 des Plättchens 6 ein Temperaturfühler 8 und auf der Rückseite (Fig. 6) ferner die elektrische
Widerstandsheizschicht 10. Auf der dünnen Schicht des in Dickschichttechnologie aufgebrachten Festelektrolyten 12 sind ferner die Elektroden
25
18, 19, 22 und 23 aus Metall und/oder Metalloxid aufgebracht, die jeweils
speziell mit anderen Bestandteilen im Gasgemisch wechselwirken, so daß auf deren Konzentration im zu messenden Gasgemisch bestimmt
werden können.
Zum Abgriff der Potentiale der Elektroden 18, 19, 22, 23 und des Meßsignals des Temperaturfühlers 8, sowie zur Zuführung des Heizstromes
zur Widerstandsheizshcicht 10 sind auf dem Plättchen 6 über dem mit 24 bezeichneten Bereich (Anschlußstück) Metallschichten als elektrische
Zuleitungen aufgebracht. Das Anschlußstück 24 dient dazu, die Verbindung
der Sonde mit Zuleitungskabeln in hinreichend großer Entfernung vom
Meßort zu ermöglichen.
Claims (11)
1. Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung der Konzentration von zumindest einem gasförmigen Bestandteil in Gasgemischen
mit einem, zumindest zwei elektrochemische Halbzellen mit
1^ einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten und einer mit
einer porösen Festkörperstruktur versehenen, vorzugsweise metall-
und/oder metalloxidhaltige mit den gasförmigen Bestandteilen wechselwirkenden Elektrode als dünne Schicht aufweisenden Träger,
wobei ein von der Konzentration des Bestandteils abhängiges elektrisches Meßsignal erzeugt wird, mit einer Heizung und mit
elektrischen Leitungen zum Anschluß und zum Abgriff für die elektrischen Meßsignale, wobei diese in einem Rechner selbsttätig
elektronisch auswertbar und in Konzentrationswerte umrechenbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger als Plättchen (6) ausgebildet ist,
daß auf dessen einer Seite zumindest zwei Elektroden (11a, 11b) als voneinander beabstandet angeordnete dünne Schichten
aufgebracht sind,
daß auf der einen Seite (7) der Keramikscheibe (6) ferner
ein von den Elektroden (11a, 11b) beabstandeter
Temperaturfühler (8) aufgebracht ist und
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daß auf der anderen Seite (9) des Plättchens (6) eine elektrische Widerstandsheizschicht (10) als Heizung vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (6) selbst als Festelektrolyt ausgebildet ist und die
elektrischen Meßsignale zwischen entweder dem Temperaturfühler (8) oder der elektrischen Widerstandsheizschicht (10) einerseits
und jeder der Elektroden (11a, 11b) andererseits anliegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
•,c der Temperaturfühler (8) am Rand des Plättchens (6) um die
Elektroden (11a, 11b) herumgeführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler mäanderförmig in der Mitte des Plättchens (6) zwischen den Elektroden (11a, 11b) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Plättchen (6) als nicht ionenleitende Keramik ausgebildet ist und auf der einen Seite (7) sowohl den Temperaturfühler
(8) als auch den Festelektrolyten (12) in Schichtform, auf dem die Elektroden (11a, 11b) und der Temperaturfühler (8)
aufgebracht sind, aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (6) Aluminiumoxid (Al &Ogr;«) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (6) aus Keramik mit einem
Anschlußstück (24) für die elektrischen Leitungen (20, 21, 25) versehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Festelektrolyt (12) stabilisiertes Zirkondioxid (ZrO„) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Widerstandsheizschicht (10) als mäanderförmige Bahn ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Schichten, nämlich die der Elektroden (11a, 11b, 13-16, 18, 19, 22, 23) die dünne Schicht des Festelektrolyten
(12), der Temperaturfühler (8) und die Widerstandsheizschicht (10) in Dickschichttechnologie auf dem Plättchen (6) aufgebracht sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schichten mittels Siebdruck aufgebracht sind. 25
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1993
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Also Published As
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| DE4109516A1 (de) | 1992-08-06 |
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