DK172889B1 - Halvcelle til brug i en ionledende keramisk sensor og keramisk sensor - Google Patents

Description

i DK 172889 B1

Opfindelsen angår en halvcelle til brug i en ionledende keramisk sensor, hvilken halvcelle omfatter . et legeme af et såvel elektron- som ionledende materia le, en kapsel, der huser legemet, et lag faststof-5 elektrolytmateriale påført i kontakt med en første, ikke af kapslen dækket overfladedel af legement til fuldendelse af legemets Indkapsling i kapslen.

Fra beskrivelsen til US patentskrift nr.

4,908,118 kender man en sensor til overvågning af kon-10 centration af hydrogen 1 gasarter. I denne sensor er der anvendt en referenceelektrode, der udviser natriumionaktivitet og som f.eks. består af NaxW03. Referenceelektroden fremstilles ved sammenblanding af naslcon-elektrolytpulver med en passende bærer og ef-15 terfølgende sintring.

På grund af sin udformning og fordi der i denne kendte sensor er anvendt en detektorelektrode af platin, palladium eller palladiumoxid, dvs. et materiale, der har høj permeabilitet overfor hydrogen, er denne 20 kendte sensor specifikt beregnet til måling af hydrogenkoncentration i gasarter.

Fra beskrivelsen til DE OS 38 11 864 kender man et målearrangement, der er specifikt beregnet til måling af iltpartialtryk i smeltet glas ved høje tempera-25 turer. Dette målearrangement anvender en referenceelektrode af platin, der gennem et iltionledende, varmebe-standigt materiale står i elektrokemisk ledende kontakt med den væske, hvori der skal foretages måling. Dette målearrangement indbefatter også en om referenceelek-30 troden viklet varmetråd til sammenligning af referencetemperaturen med væskens temperatur og til regulering af referencerumtemperaturen efter væskens temperatur.

Fra EP-A2-189 038 kender man en sensor, der ligeledes er specifikt beregnet til iltmåling ved hjælp DK 172889 B1 2 af et legeme af faststofelektrolyt, der udviser iltion-ledning.

Fra US-A-4,272,350 kendes en elektrokemisk sensor omfattende en intern referenceelektrode, Denne .rer..

5 ferenceelektrode er indesluttet mellem en inert indkapsling og en fast elektrolyt, der endvidere står i forbindelse med en ikke-indkapslet måleelektrode.

Målingen af den fysiske størrelse finder sted jriellem disse to elektroder, idet de hver især er forbundet til 10 én respektiv signalledning. Med denne sensorkonstruktion kan der ved passende valg af materialer fremstilles sensorer til forskellige formål. Der opnås på grund af konstruktionen endvidere en vis frihed for temperaturafhængighed.

15 Det er dog en ulempe ved denne kendte teknik, at ingen af de valgte løsninger tilstræber at arbejde ved den for den pågældende måling bedst egnede temperatur.

Det er således den foreliggende opfindelses opgave at tilvejebringe en halvcelle af den indlednlngs-20 vis nævnte art, der nemt kan udformes til måling af mange forskellige stoffer og i mange forskellige fluida, og som, uanset hvilken måling den udformes til, kan opvarmes til den for den pågældende måling bedst egnede temperatur.

25 Opfindelsen løser denne opgave med en halvcelle af den indledningsvis nævnte art, som er ejendommelig ved, at den yderligere omfatter to til andre overfladedele af legemet end den første overfladedel forbundne kontakter, hvilke to kontakter benyttes både til leve-30 ring af en målestrøm gennem legemet til måling af impedansen af dette mellem de to kontakter, for bestemmelse af legemets faktiske gennemsnitstemperatur mellem de to kontakter, og fakultativt til levering af en elektrisk m DK 172889 B1 3 strøm til opvarmning af legemet før impedansmålingen og/eller målingen af impedansen for bestemmelse åf legemets faktiske temperatur, idet legemet derved tjener både som en kombineret varmeindretning, temperaturføler 5 og referenceelektrode, og at faststof-elektrolytlaget har en overfladedel til påførsel af en belægning af en opgavespecifik måleelektrode for at tillade anvendelsen af halvcellen i et bredt spektrum af keramiske sensorer med forskellige specialfremstillede elektroder til må-10 ling af forskellige fysiske størrelser.

opfindelsen angår endvidere en keramisk sensor, der er ejendommelig ved, at den omfatter en halvcelle som beskrevet ovenfor, hvor faststof-elektrolytlaget er påført en belægning af en opgavespecifik måleelektrode 15 med en kontakt til afgivelse af en i forhold til en af legemets kontakter målt værdi.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser en foretrukken udførelsesform for 20 sensoren ifølge opfindelsen, og fig. 2 et funktionsdiagram, der illustrerer virkemåden for denne sensor.

Fig. X viser en foretrukken udførelses form for sensoren ifølge opfindelsen. Ved 1 vises en måleelek-25 trode, som er beregnet til at placeres i det medium, hvor der ønskes foretaget måling. Denne elektrode er formet som et lag af et materiale af passende art, der indstiller sig i termodynamisk ligevægt med det stof, hvis koncentration skal måles. F.eks. kan måleelektro-30 den bestå af platin, hvis man ønsker oxygenmåling, platin eller palladium eller palladiumoxid, hvis man ønsker hydrogenmåling, eller Na2C03 for cox-måling,

Na2S04 for SOx-måling, osv.

DK 172889 B1 4

Ved 3 vises et legeme, der udgør en kombination af et varmelegeme, en temperatursensor og en referenceelektrode, og som f.eks. består af natrium-ko-boltitforbindelse. Dette legeme kan tilvejebringes ved 5 såvel tyk- som tyndfilmsteknik.

Legemet 3 er anbragt i en kapsel 4 af f.eks. glas og holdes indkapslet deri af et elektrolytlag 2, der kan bestå af stabiliseret Zr02 eller naslcon.

Sensoren tilvejebringes således, at legemet 3 10 har forbindelse med kontakter 5, 6, medens måleelektroden l har forbindelse med en kontakt 7.

Diagrammet i fig. 2 anskueliggør virkemåden for sensoren ifølge opfindelsen. Inden for en måleperiode, som vist langs tidsaksen i diagrammet, foretages der 15 først, som antydet ved delperioden A, påtrykkelse -mellem kontakterne 5 og 6 - af et fortrinsvis impuls-breddemoduleret strømsignal, som har til formål at opvarme legemet 3 til en for den pågældende måling ønsket temperatur. Den punkterede streg i delperioden A 20 i diagrammet antyder impulsbreddemodulationen.

Efter afslutning af delperioden A foretages der i delperioden B måling af temperaturen i legemet 3, eksempelvis ved måling af elektrodens temperaturafhængige impedans mellem kontakterne 5 og 6.

25 Derefter foretages der i delperioden C, mellem kontakten 7 til måleelektroden 1 og den ene eller den anden kontakt til legemet 3, f.eks. kontakten 5, sensormåling med henblik på opnåelse af den ønskede måleværdi.

30 Denne sensormåling kan være potentiometrisk (måling af elektromotorisk kraft) eller potentiostatisk (måling af strøm).

En således udformet sensor kan fremstilles i ganske små dimensioner på f.eks. 2x3x8 mm, med trå-35 de med diameter på f.eks. o,l mm.

DK 172889 B1 5 , Sensoren kan anvendes ved måling i rene gasser, forbrændingsgasser eller atmosfære, ved temperaturer på over 200eC. Den kan også anvendes ved måling i drikkevand, havvand eller husholdnings- eller industrispil-5 devand, normalt ved temperaturer på op til f.eks. 80*C.

Den kan yderligere - normalt ved temperaturer under 40*C - benyttes til måling i fermentorer eller aromastoffer, eller ved medicinske forsøg og undersøgelser.

10 En særlig fordel ved sensoren ifølge opfindelsen ligger i, at man ved eventuel opvarmning i delperioden A hurtigt kan bringe temperaturen i legemet 3 op på den for den pågældende måling bedst egnede temperaturværdi, og at den efterfølgende temperaturmåling i del-15 perioden B omgående giver en indikation om, hvorvidt den aktuelle temperatur i legemet 3 er på den korrekte værdi for den ønskede måling.

Det skal iøvrigt bemærkes, at aktiveringen af sensoren i delperioden A ikke er absolut nødvendig, 20 dersom der foretages måling ved omgivelsernes temperatur, hvorved der kun foretages temperaturmåling (delperiode B) og sensormåling (delperiode C).

Det er i det foregående nævnt, at elektrolytlaget 2 kan bestå af stabiliseret Zr02 eller nasicon, 25 men det bemærkes, at der også kan anvendes andre materialer såsom Na-0"-Al203 eller diverse polymerer.

Valget af passende kombinationer af materialer for måleelektroden 1, elektrolytlaget 2 og legemet 3 giver mulighed for at udforme sensorer til specifik-30 ke måleopgaver.

»

Claims (2)

1. Halvcelle til brug i en ionledende keramisk sensor, hvilken halvcelle omfatter et legeme (3) af et ’ såvel elektron- som ionledende materiale, en kapsel (4), der huser legemet, et lag (2) faststof-elektrolyt-5 materiale påført i kontakt med en første, ikke af kapslen (4) dækket overfladedel af legemet til fuldendelse af legemets indkapsling i kapslen, kendetegnet ved, at den yderligere omfatter to til andre overfladedele af legemet end den første overfladedel 10 forbundne kontakter (5, 6), hvilke to kontakter (5, 6) benyttes både til levering af en målestrøm gennem legemet til måling af impedansen af dette mellem de to kontakter, for bestemmelse af legemets faktiske gennemsnitstemperatur mellem de to kontakter, og fakultativt 15 til levering af en elektrisk strøm til opvarmning af legemet før impedansmålingen og/eller målingen af impedansen for bestemmelsen af legemets faktiske temperatur, idet legemet derved tjener både som en kombineret varmeindretning, temperaturføler og referenceelektrode, 20 og at faststof-elektrolytlaget har en overfladedel til påførsel af en (l) belægning af en opgavespecifik måleelektrode for at tillade anvendelsen af halvcellen i et bredt spektrum af keramiske sensorer med forskellige specialfremstillede elektroder til måling af forskelli-. 25 ge fysiske størrelser.

2. Keramisk sensor, kendetegnet ved, at den omfatter en halvcelle ifølge krav 1, hvor faststof-elektrolytlaget er påført en belægning (1) af en opgavespecifik måleelektrode med en kontakt (7) til 30 afgivelse af en i forhold til en af legemets (3) kontakter (5,6) målt værdi. *