Verfahren zum Bestimmen des Partialdruckes eines Gases sowie Sonde zur Ausführung des Verfahrens Method for determining the partial pressure of a gas and probe for carrying out the method
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Partialdruckes eines Gases in einem Medium, wobei man eine bezüglich der Gasionen ionenselektive Materiephase zwischen das auszumessende und ein zweites Medium einführt, und in beide Medien eine Ableitelektrode einführt zur Messung der dazwischenliegenden elektrischen Potentialdifferenz sowie eine Sonde zur Ausführung des Verfahrens mit einem Hohlkörper, der mit seiner Wand einen Raum für ein erstes Medium begrenzt, gegen ein zweites Medium, wobei die Wand mindestens einen ionenselektiven Wandabschnitt aufweist, der für Ionen des Gases durchlässig ist, wobei je eine Elektrode beidseits der Wand angeordnet ist und wobei weiter das erste oder zweite Medium ein Referenzmedium, entsprechend das zweite oder erste das auszumessende ist.The present invention relates to a method for determining the partial pressure of a gas in a medium, in which a phase of matter which is ion-selective with respect to the gas ions is introduced between the medium to be measured and a second medium, and a discharge electrode is introduced into both media for measuring the electrical potential difference therebetween and a probe for Execution of the method with a hollow body which delimits a space for a first medium with its wall against a second medium, the wall having at least one ion-selective wall section which is permeable to ions of the gas, one electrode being arranged on each side of the wall and wherein further the first or second medium is a reference medium, corresponding to the second or first one to be measured.
Stand der TechnikState of the art
Es sind Verfahren zur Bestimmung des Partialdruckes eines Gases bekannt, bei welchen zwischen das auszumessende Medium und ein Referenzmedium eine ionenselektive Materiephase eingelegt wird und bei welchen mittels Ableitelektroden die elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Medien zur Ermittlung des Partialdruckes gemessen wird. Der elektrische Messkreis wird dabei über die ionenselektive Materiephase geschlossen. Bei diesen Verfahren ist es nachteilig, dass das Referenzmedium bezüglich seines absoluten Partialdruckes bekannt und stabil sein muss.
Bezüglich der Sonde eingangs genannter Art ist folgendes bekannt:Methods for determining the partial pressure of a gas are known, in which an ion-selective material phase is inserted between the medium to be measured and a reference medium, and in which the electrical potential difference between the two media is measured by means of lead electrodes to determine the partial pressure. The electrical measuring circuit is closed via the ion-selective matter phase. With these methods, it is disadvantageous that the reference medium must be known and stable with regard to its absolute partial pressure. The following is known regarding the probe of the type mentioned at the beginning:
Es sind derartige Sonden zum Bestimmen des SauerstoffPartialdruckes in einem Medium bekannt, als ionenselektive Membrane, mit einem Rohr aus stabilisiertem ZrO2, beispielsweise beschrieben in "Chemie-Anlagen und Verfahren", Heft 6/1973, Seiten 167 bis 169 und 198 und 199. Bei der dort gezeigten Sonde wird das Medium, dessen Sauerstoffgehalt zu bestimmen ist, durch das Rohr hindurchgesaugt, wobei die Rohraussenseite von einem Referenzgas umgeben ist. Bei dieser Einrichtung ist es nachteilig, dass sie im Einsatz raumbeanspruchend ist und eine Zu- und eine Ableitung für das Medium, dessen Sauerstoffgehalt zu bestimmen ist, erfordert, und dass u.U. ein Messfehler, bedingt durch die Relativbewegung, zwischen auszumessendem Medium und ionenselektivem Wandabschnitt zu berücksichtigen ist.Such probes are known for determining the oxygen partial pressure in a medium, as an ion-selective membrane, with a tube made of stabilized ZrO 2 , for example described in "Chemical plants and processes", issue 6/1973, pages 167 to 169 and 198 and 199. In the probe shown there, the medium, the oxygen content of which is to be determined, is drawn through the pipe, the outside of the pipe being surrounded by a reference gas. With this device, it is disadvantageous that it takes up space in use and requires an inlet and an outlet for the medium whose oxygen content is to be determined, and that a measurement error, due to the relative movement, between the medium to be measured and the ion-selective wall section may is taken into account.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren eingangs genannter Art vorzuschlagen, bei welchem die Kenntnis und die Konstanthaltung eines Referenzmediums wesentlich weniger kritisch ist als bei den bekannten Verfahren.The purpose of the present invention is to propose a method of the type mentioned at the outset, in which the knowledge and the maintenance of a reference medium is considerably less critical than in the known methods.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass man das Volumen des einen Mediums wesentlich kleiner als das des andern Mediums wählt, mindestens einmal eine bestimmte elektrische Ladungsmenge durch die ionenselektive Materiephase schickt und vorgängig und danach die Potentialdifferenz zwischen den Ableitelektroden feststellt und aus den gefundenen Potentialdifferenzen
und der bestimmten Ladungsmenge den Partialdruck im einen und/oder im anderen Medium bestimmt.According to the invention, this object is achieved in that the volume of the one medium is selected to be substantially smaller than that of the other medium, at least once a certain amount of electrical charge is passed through the ion-selective material phase and determined beforehand and then the potential difference between the lead electrodes and from the potential differences found and the determined amount of charge determines the partial pressure in one and / or in the other medium.
Grundsätzlich wird durch den aufgezwungenen Ladungsfluss lediglich der Partialdruck desjenigen Mediums verändert, dessen Volumen wesentlich kleiner ist als dasjenige des andern. Der Partialdruck im "Medium- Meer" des letzterwähnten Mediums wird dadurch nicht verändert.Basically, the forced flow of charge only changes the partial pressure of the medium whose volume is significantly smaller than that of the other. This does not change the partial pressure in the "medium sea" of the latter medium.
Wird das Verfahren mit einer Sonde zur Bestimmung des Sauerstoff-Partialdruckes mit einer Materiephase aus stabilisiertem ZrO2 ausgeführt, so wird vorgängig die Materiephase auf eine Temperatur von mindestens 873 Kelvin erhitzt. Die Erhitzung kann dabei durch das auszumessende Medium selbst, oder durch ein eigens dafür vorgesehenes Organ erfolgen.If the method is carried out with a probe for determining the oxygen partial pressure with a matter phase made of stabilized ZrO 2 , the matter phase is previously heated to a temperature of at least 873 Kelvin. The heating can be carried out by the medium to be measured itself, or by a specially provided organ.
Es versteht sich von selbst, dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit mehrere Male bestimmte Ladungsmengen durch den ionenselektiven Wandabschnitt geschickt werden können, und dass mit entsprechender Paarung gemessener Potentialdifferenzen der erwünschte Partialdruck als Ergebnis der Auswertung verschiedener Messpunkte ermittelt werden kann.It goes without saying that, in order to increase the measurement accuracy, certain charge quantities can be sent through the ion-selective wall section several times, and that the desired partial pressure can be determined as a result of the evaluation of different measurement points by appropriately pairing measured potential differences.
Die Reproduzierbarkeit der Messwerte wird auch dadurch vergrössert, dass zwischen dem Hindurchschicken der bestimmten Ladungsmenge und dem Messen der Potentialdifferenz eine Ausgleichspause eingelegt wird, in welcher sich das System stabilisiert. Weiter wird vorgeschlagen, die Potentialdifferenz jeweils während einer bestimmten Zeitspanne zu messen und über diese Spanne zu mittein
Grundsätzlich ist es relativ unwesentlich, wie dicht die beiden Medien voneinander getrennt sind. Wesentlich ist lediglich, dass die Diffusions-Zeitkonstante der interessierenden Gasmoleküle von einem Medium zum anderen wesentlich grösser ist als die Messzeiten. Um den Einfluss der Diffusion jedoch möglichst gering zu halten, wird jedoch vorgeschlagen, dass Grosse und Polarität der Ladungsmenge so gewählt werden, dass sich der Partialdruck im einen Medium - des kleinvoluminösen - angenähert auf den Partialdruck im zweiten - grossvoluminösen - einstellt.The reproducibility of the measured values is also increased in that a compensation pause is made in which the system stabilizes between the passage of the determined amount of charge and the measurement of the potential difference. It is also proposed to measure the potential difference in each case over a certain period of time and to center it over this period In principle, it is relatively insignificant how closely the two media are separated from one another. It is only essential that the diffusion time constant of the gas molecules of interest from one medium to another is significantly greater than the measuring times. However, in order to keep the influence of diffusion as low as possible, it is proposed that the size and polarity of the amount of charge be selected so that the partial pressure in one medium - the small volume - approximates the partial pressure in the second - large volume.
Eine Sonde eingangs genannter Art, die sich insbesondere zur Ausführung des erwähnten Verfahrens eignet, zeichnet sich dadurch aus, dass der Raum gegen die ümgebungsatmosphäre nach Einbringen des ersten Mediums, vollständig abgeschlossen ist.A probe of the type mentioned at the outset, which is particularly suitable for carrying out the method mentioned, is characterized in that the space against the ambient atmosphere is completely closed after the introduction of the first medium.
Dadurch wird eine äusserst raumsparende Sonde gebildet, die unmittelbar in eines der beiden Medien, das Medium dessen Partialdruck zu bestimmen ist oder ein Referenzmedium, hineingebracht werden kann. Durch das Einschliessen des einen Mediums in den erwähnten Raum, entsprechend bemessen, entstehen überdies, bezogen auf den Umgebungsraum, die zur Ausführung des genannten Verfahrens wesentlichen Volumenverhältnisse.This creates an extremely space-saving probe that can be placed directly into one of the two media, the medium whose partial pressure is to be determined or a reference medium. By enclosing the one medium in the space mentioned, dimensioned accordingly, the volume ratios that are essential for carrying out the above-mentioned method also arise, based on the surrounding space.
Vorzugsweise ist dabei das erste Medium das Referenzmedium, im Raum eingeschlossen, dies insbesondere, wenn die Sonde zur Erfassung sich ändernder Umgebungen, wie in Industrieanlagen, eingesetzt wird. Anderseits ist es dann angezeigt, das zweite Medium als Referenzmedium zu verwenden, wenn vom auszumessen
den Medium nur kleine Volumina als Proben zur Verfügung stehen. Zur Erfassung wechselnder Umgebungen ermöglicht die erfindungsgemässe Sonde unmittelbar in dieses Medium eingebracht zu werden, wobei Spannungsmessgeräte und weitere., allenfalls zugeordnete Aggregate, z.B. auch ein Rechner, mit Abstand davon, z.B. in einer Mess- und Ueberwachungszentrale, aufgestellt werden können.The first medium is preferably the reference medium, enclosed in the room, in particular if the probe is used to detect changing environments, such as in industrial plants. On the other hand, it is then appropriate to use the second medium as a reference medium, if measured by only small volumes are available as samples for the medium. In order to detect changing environments, the probe according to the invention enables it to be introduced directly into this medium, with voltage measuring devices and further units, possibly assigned, for example also a computer, being able to be set up at a distance therefrom, for example in a measuring and monitoring center.
Zur Berücksichtigung der möglicherweise wechselnden Umgebungstemperatur, durch welche insbesondere der ionenselektive Wandabschnitt bezüglich seiner Ionenleitfähigkeit beeinflusst werden kann, wird vorgeschlagen, dass mindestens im unmittelbaren Bereich dieses ionenselektiven Wandabschnittes Mittel zur Temperaturerfassung angeordnet sind. Vorzugsweise sind diese Mittel vorzugsweise als Thermoelement zur Erzeugung einer Thermospannung ausgebildet, was unmittelbar ein Erfassen der Temperatur durch Messung einer elektrischen Spannung ermöglicht.In order to take into account the possibly changing ambient temperature, through which the ion-selective wall section in particular can be influenced with regard to its ionic conductivity, it is proposed that means for temperature detection are arranged at least in the immediate area of this ion-selective wall section. These means are preferably designed as a thermocouple for generating a thermal voltage, which enables the temperature to be detected directly by measuring an electrical voltage.
Wird die Sonde zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes eingesetzt, so wird vorgeschlagen, dass mindestens der Wandabschnitt aus stabilisiertem ZrO2 besteht und vorzugsweise das erste Medium das Referenzmedium ist.If the probe is used to determine the oxygen partial pressure, it is proposed that at least the wall section consists of stabilized ZrO 2 and that preferably the first medium is the reference medium.
Um die Sonde mit den vorgesehenen Mitteln zur Temperaturerfassung möglichst einfach auszubilden, wird weiter vorgeschlagen, dass ein elektrischer Abieiter einer Elektrode, vorzugsweise derjenigen im Referenzmedium, gleichzeitig elektrischer Abieiter der Mittel für die Temperaturerfassung ist.
Eine weitere Vereinfachung des Aufbaues ergibt sich dadurch, dass mindestens ein Teil eines elektrischen Abieiters einer Elektrode, vorzugsweise derjenigen im Referenzmedium oder die Elektrode selbst, Teil eines Thermoelementes ist.In order to make the probe as simple as possible with the means provided for temperature detection, it is further proposed that an electrical conductor of an electrode, preferably that in the reference medium, is at the same time an electrical conductor of the means for temperature detection. A further simplification of the structure results from the fact that at least part of an electrical conductor of an electrode, preferably that in the reference medium or the electrode itself, is part of a thermocouple.
Wird das Referenzmedium im Raum vorgesehen, so kann zur Bildung der Mittel zur Temperaturerfassung, die im Raum angeordnete Elektrode mittels eines Platinleiters innerhalb des Raumes mit einem Rhodiumleiter verbunden sein. Diese Verbindung wirkt dann als Thermoelement.If the reference medium is provided in the room, the electrode arranged in the room can be connected to a rhodium conductor within the room by means of a platinum conductor to form the means for temperature detection. This connection then acts as a thermocouple.
Je nach Anwendungsbereichen kann es wünschenswert sein, die Temperatur mindestens des ionenselektiven WandabSchnittes zu beeinflussen.Depending on the areas of application, it may be desirable to influence the temperature of at least the ion-selective wall section.
Zu diesem Zweck werden entsprechende Organe vorgesehen. Beim Einsatz der Sonde als Messonde für Sauerstoff¬Partialdruck, wobei der ionenselektive Wandabschnitt aus ZrO2 besteht, werden diese Organe so ausgelegt, dass der Wandabschnitt auf mindestens 873° Kelvin erhitzt werden kann, auf eine Temperatur, bei welcher das erwähnte Material erst Sauerstoffionendurchlässig wird.Appropriate organs are provided for this purpose. When the probe is used as a measuring probe for oxygen partial pressure, the ion-selective wall section consisting of ZrO 2 , these organs are designed such that the wall section can be heated to at least 873 ° Kelvin, to a temperature at which the material mentioned only becomes permeable to oxygen ions .
Wird die den Raum begrenzende Wand des Hohlkörpers, mindestens teilweise, von einer gegen die Umgebungsatmosphäre offenen Kammer umgeben, so wird einerseits ein mechanischer Schutz der Wand mit der ionenselektiven Partie erzielt, andererseits ergibt sich ein verbessertes, dynamisches, thermisches Verhalten der Anordnung, was insbesondere dann wesentlich ist, wenn die Temperatur des ionenselektiven Wandabschnittes zu beeinflussen ist.
Kurze Beschreibung der FigurIf the wall of the hollow body delimiting the space, at least partially, is surrounded by a chamber open to the ambient atmosphere, mechanical protection of the wall with the ion-selective part is achieved on the one hand, and on the other hand there is an improved, dynamic, thermal behavior of the arrangement, which in particular is essential if the temperature of the ion-selective wall section is to be influenced. Brief description of the figure
Anschliessend wird anhand der beiliegenden schematischenThen using the enclosed schematic
Zeichnung die Erfindung beispielsweise erläutert.Drawing explains the invention for example.
Insbesondere aufgrund des im dargestellten Ausführungsbeispiels verwendeten ionenselektiven Wandabschnittes aus ZrO2 ist diese Sonde zur Messung des SauerstoffPartialdruckes bestimmt. Der Einsatz anderer ionenselektiver Materialien als Wandabschnitt zur Bestimmung anderer Gas-Partialdrucke, ergibt sich jedoch daraus ohne weiteres.In particular due to the ion-selective wall section made of ZrO 2 used in the exemplary embodiment shown, this probe is intended for measuring the oxygen partial pressure. The use of other ion-selective materials as a wall section to determine other gas partial pressures, however, results from this without further ado.
Beschreibung der EinzelfigurDescription of the single figure
Die gezeigte Messonde weist einen Sockel 1 aus hitzebeständigem Material mit parallelen Bohrungen 2, 3 und 4' auf. Auf einen zylindrischen Fortsatz 5 des Sockels 1 ist ein Rohrstück 6 aus Tonerde aufgesteckt und darauf mittels einer Dichtungsmasse 7 befestigt. Das Rohrstück 6 umhüllt einen Wärmeisoliereinsatz 8 aus Asbestzement, Steingut oder dgl., der eine zylindrische Kammer 9 bildet. Der Isoliereinsatz 8 ist weiter mit Bohrungen 10, 11 und 12 versehen, welche koaxial an die Bohrungen 2 bis 4 anschliessen und in die Kammer 9 münden. Eine Durchbrechung 13 im Isoliereinsatz 8 verbindet die Kammer 9 mit der Umgebungsatmosphäre. Koaxial in die Kammer 9 ist ein ringzylindrischer Heizwiderstand 14 eingesetzt, dessen Anschlussleitungen 15 durch die Bohrungen 2, 3, 10 und 11 nach aussen geführt und darin durch eine Dichtungsmasse 16 gehalten sind.The measuring probe shown has a base 1 made of heat-resistant material with parallel bores 2, 3 and 4 '. A tubular piece 6 made of alumina is placed on a cylindrical extension 5 of the base 1 and fastened thereon by means of a sealing compound 7. The pipe section 6 encases a thermal insulation insert 8 made of asbestos cement, earthenware or the like, which forms a cylindrical chamber 9. The insulating insert 8 is further provided with bores 10, 11 and 12, which connect coaxially to the bores 2 to 4 and open into the chamber 9. An opening 13 in the insulating insert 8 connects the chamber 9 to the ambient atmosphere. An annular cylindrical heating resistor 14 is inserted coaxially into the chamber 9, the connecting lines 15 of which are guided outwards through the bores 2, 3, 10 and 11 and are held therein by a sealing compound 16.
In die Bohrung 12 ist ein zylindrischer Träger 17 gelagert, der aus einem elektrisch isolierenden, keramischen Material besteht. Dieser ist von zwei parallelen
Längsbohrungen 18, 19 durchsetzt. Durch die Bohrung 19 ist ein Platindraht und durch die Bohrung 18 ein Platin-Rhodium-Draht geführt, deren Enden bei 22 zur Bildung eines Thermoelementes miteinander verbunden sind. Der Austritt der Drähte 20 und 21 aus den BohrungenIn the bore 12, a cylindrical support 17 is mounted, which consists of an electrically insulating, ceramic material. This is of two parallel ones Longitudinal bores 18, 19 penetrated. A platinum wire is guided through the bore 19 and a platinum-rhodium wire is passed through the bore 18, the ends of which are connected to one another at 22 to form a thermocouple. The exit of wires 20 and 21 from the holes
18 und 19 ist durch eine elektrisch isolierende Masse 23 gasdicht abgeschlossen. Auf eine Ringrippe 24 des Trägers 17 ist ein einseitig geschlossenes Rohr 25 aus stabilisiertem ZrO2 als ionenselektive Wand aufgesteckt. Der als Referenzmedium ein Referenzgas enthaltende Innenraum 27 des Rohres 25 ist durch den Träger 17 und durch die Isoliermassen 26 und 23 gasdicht abgeschlossen. Aussenseitig an das Rohr 25 ist ein Platinleiter 28 angeschlossen, der bei 29 als poröse Platinelektrode ausgebildet ist. Entsprechend kontaktiert der Platindraht 20 das Rohr 25 auf seiner Innenseite, indem er bei 30 ebenfalls eine poröse Platinelektrode bildet.18 and 19 is sealed gas-tight by an electrically insulating mass 23. A tube 25 made of stabilized ZrO 2 and closed on one side is attached to an annular rib 24 of the carrier 17 as an ion-selective wall. The interior 27 of the tube 25 containing a reference gas as a reference medium is sealed gas-tight by the carrier 17 and by the insulating materials 26 and 23. On the outside of the tube 25, a platinum conductor 28 is connected, which is formed at 29 as a porous platinum electrode. Accordingly, the platinum wire 20 contacts the tube 25 on the inside by likewise forming a porous platinum electrode at 30.
Zum Bestimmen des Sauerstoffgehaltes mittels der beispielsweise beschriebenen Sonde in einem Medium, wie z.B. einer Gasatmosphäre, wird sie in diese Gasatmosphäre gebracht und erforderlichenfalls mit dem Heizwiderstand 14 auf eine Temperatur von mindestens 873 Kelvin gebracht und auf dieser Temperatur gehalten, was mit einem entsprechenden Regelkreis erfolgen kann. Dabei tritt ein Temperaturausgleich zwischen der Kammer 27, dem Rohr 25 und der Umgebungsatmosphäre des Rohres 25 ein, welche durch die Durchbrechung 13 mit der Gasatmosphäre verbunden ist. Der Unterschied der Sauerstoffpartialdrucke zwischen dem Innenraum 27 und der Umgebungsatmosphäre erzeugt zwischen den Elektroden 29 und 30 eine messbare Potentialdifferenz (U). Wird nun nach dem Messen der Potentialdifferenz (U)
mittels des Leiters 20 und 28 eine positive elektrische Ladung aus Q(As) in den Innenraum 27 durch die Wand des ZrO2-Rohres 25 geschickt, so wird gleichzeitig eine entsprechende Anzahl Sauerstoffionen aus der Umgebungsatmosphäre durch die Wand des Rohres 25 hindurchtransportiert und der Sauerstoffpartialdruck im Innenraum 27 um einen Faktor α erhöht. Wird nun erneut die Potentialdifferenz (U) gemessen, so kann der Sauerstoffpartialdruck nach den nachstehenden Gleichungen errechnet werden und in Analogie hierzu wird bei Sonden für die Bestimmung des Partialdruckes anderer Gase vorgegangen.To determine the oxygen content by means of the probe described in a medium, such as a gas atmosphere, for example, it is brought into this gas atmosphere and, if necessary, brought to a temperature of at least 873 Kelvin with the heating resistor 14 and kept at this temperature, which is done with a corresponding control circuit can. A temperature equalization occurs between the chamber 27, the tube 25 and the ambient atmosphere of the tube 25, which is connected to the gas atmosphere through the opening 13. The difference in the oxygen partial pressures between the interior 27 and the ambient atmosphere creates a measurable potential difference (U) between the electrodes 29 and 30. Now after measuring the potential difference (U) by means of the conductors 20 and 28, a positive electrical charge of Q (As) is sent into the interior 27 through the wall of the ZrO 2 tube 25, a corresponding number of oxygen ions from the ambient atmosphere are simultaneously transported through the wall of the tube 25 and the oxygen partial pressure in the interior 27 increased by a factor α. If the potential difference (U) is now measured again, the oxygen partial pressure can be calculated according to the equations below and in analogy to this, the procedure for probes for determining the partial pressure of other gases.
Im Volumen V(cm3) des Innenraumes 27 ist die Zahl n der SauerStoffmoleküle bei einem Partialdruck P (mbar) und einer Temperatur T (K) :In the volume V (cm3) of the interior 27, the number n of the oxygen molecules at a partial pressure P (mbar) and a temperature T (K) is:
oder generell eines Gases or generally a gas
mit k als bekannte Proportionalitätskonstanten. with k as the known proportionality constant.
Wird eine elektrische Ladung Q(As) durch die ionenselektive Wand, hier die des ZrO2-Rohres 25 geschickt - mit den Gasionen als Ladungsträger - und nimmt man an, diese Ladung habe ein positives Vorzeichen, wenn der Strom von aussen nach innen fliesst, so beträgt die Zunahme Δn der Moleküle im Innenraum 27:If an electrical charge Q (As) is sent through the ion-selective wall, here that of the ZrO 2 tube 25 - with the gas ions as charge carriers - and it is assumed that this charge has a positive sign if the current flows from the outside to the inside, the increase Δn of the molecules in the interior is 27:
Δn = 1.56 1018Q, (2)
oder generellΔn = 1.56 10 18 Q, (2) or in general
Δn = kΔ · Q,.DELTA.n = k · Δ Q,
wobei kΔ wiederum eine gasspezifische Proportionalitätskonstante ist.where k Δ is again a gas-specific proportionality constant.
Entsprechend ändert sich im Innenraum 27 der Sauerstoffpartialdruck resp. generell der Partialdruck des Gases von P nach αP, wobei sich α nach der folgenden Gleichung errechnen lässt:The oxygen partial pressure resp. generally the partial pressure of the gas from P to αP, where α can be calculated using the following equation:
letzteres für Sauerstoff.the latter for oxygen.
Wird der SauerStoffpartialdruck, generell der Gaspartialdruck, ausserhalb des Rohres 25 mit Px bezeichnet, so beträgt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 29 und 30, wenn kein Strom fliesst:If the oxygen partial pressure, generally the gas partial pressure, outside the tube 25 is designated P x , the potential difference between the electrodes 29 and 30 is when no current is flowing:
oder, für Sauerstoff or, for oxygen
wobei R die allgemeine Gaskonstante und F die Faradaykonstante darstellen und Z die Wertigkeit der Gasmoleküle, für Sauerstoffmoleküle Z = 4, bezeichnet. Die Masseinheit für die Potentialdifferenz U ist Volt.
Die Spannungsänderung, bedingt durch den elektrischen Ladungsdurchgang beträgt demnach für Sauerstoff: where R is the general gas constant and F is the Faraday constant and Z is the valence of the gas molecules, for oxygen molecules Z = 4. The unit of measurement for the potential difference U is volt. The voltage change due to the electrical charge passage for oxygen is therefore:
ΔU = 0.4964 10-4 T log α. (5)ΔU = 0.4964 10 -4 T log α. (5)
Durch eine Kombination der Gleichungen (3) und (4a) ergibt sich für Sauerstoff, für P die folgende Gleichung:A combination of equations (3) and (4a) gives the following equation for oxygen and P:
Anschliessend soll noch eine derartige Berechnung allgemein dargelegt werden:Such a calculation will then be presented in general:
Wird, bei unbekanntem Partialdruck P im Referenzmedium, hier im Raum 27 angenommen, und ebenso unbekanntem Partialdruck Px im auszumessenden Medium, hier ausserhalb des Raumes 27 angenommen, die Potentialdifferenz an den Elektroden gemessen, so ergibt sich aus dieser ersten Messung nach (4), bei bekannter Temperatur T:If, with unknown partial pressure P in the reference medium, assumed here in space 27, and equally unknown partial pressure P x in the medium to be measured, here assumed outside space 27, the potential difference is measured at the electrodes, this first measurement results from (4) , at a known temperature T:
Wird nun eine bestimmte Ladungsmenge Qo durch die ionenselektive Wand geschickt, so ist allgemein nach (2)If a certain amount of charge Q o is now sent through the ion-selective wall, then according to (2)
Δno = kΔ· Qo (2a).DELTA.n o = k · Δ Q o (2 a)
Aus der zweiten, nach dem Ladungsfluss gemessenen Potentialdifferenz ergibt sich wiederum nach (4)The second potential difference, measured according to the charge flow, again results from (4)
wobei αo·P dem durch die Ladung.smenge Qo geänderten Partialdruck entspricht. where α o · P corresponds to the partial pressure changed by the charge quantity Q o .
Aus (41) (42) ergibt sichFrom (4 1 ) (4 2 ) we get
Gleichzeitig gilt nach (3)According to (3)
OMP
AusOMP Out
sowie (2a) , (1) , (7) ergibt sich and (2 a ), (1), (7) results
woraus sich P zuwhich turns P into
ergibt. Ebenso kann durch Einsetzen von n nach (8) in (3) αo bestimmt werden. Mit P, allenfalls αoP wird in (41) und/oder (42) eingegangen, woraus sich Px ergibt.results. Similarly, by inserting n according to (8) in (3), α o can be determined. P, at most α o P, is used in (4 1 ) and / or (4 2 ), which results in P x .
An dieser Stelle muss betont werden, dass dieses Vorgehen unabhängig davon ist, ob nun das Referenzmedium im kleinvoluminösen Raum eingeschlossen ist, und das auszumessende Medium aussen liegt oder umgekehrt. Wie dargestellt, werden ohnehin die Partialdrücke im Referenz- und auszumessenden Medium berechnet. Zu berücksichtigen ist lediglich, dass beim aufgebrachten Ladungsfluss nur die Molekülkonzentration in demjenigen Medium geändert wird, das im Innenraum 27 vorgesehen ist. Somit ist es durchaus möglich, dass es bei seltenen Mediumsproben vorzuziehen ist, letztere in den Innenraum 27 einzuschliessen und das Referenzmedium ausserhalb vorzusehen, so z.B. bei Entnahme einer Probe und anschliessendem Transport in ein Laboratorium.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Die heute realisierte Sonde wurde beschrieben. Es ist somit dies, allenfalls mit Ersatz der ZrO2-Wand durch eine andere ionenselektive Wand, die heute uns als bester Weg bekannte Ausführung. Ein bevorzugter Messvorgang hingegen, angewendet auf die spezifisch beschriebene Sonde, läuft wie folgt ab:At this point it must be emphasized that this procedure is independent of whether the reference medium is now enclosed in the small-volume space and the medium to be measured is outside or vice versa. As shown, the partial pressures in the reference medium and the medium to be measured are calculated anyway. All that needs to be taken into account is that when the charge flow is applied, only the molecular concentration in the medium that is provided in the interior 27 is changed. It is therefore entirely possible that, in the case of rare medium samples, it is preferable to enclose the latter in the interior 27 and to provide the reference medium outside, for example when taking a sample and then transporting it to a laboratory. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The probe implemented today has been described. It is therefore this, at most by replacing the ZrO 2 wall with another ion-selective wall, the version known to us today as the best way. A preferred measurement process, however, applied to the specifically described probe, runs as follows:
a) Ein konstanter Strom (von z.B. 10 mA) mit positiver Polarität wird während fünf oder zehn Sekunden über die Leitungen 20 und 28 durch das Rohr 25 geschickt.a) A constant current (e.g. 10 mA) with positive polarity is sent through lines 25 and 28 over lines 20 and 28 for five or ten seconds.
b) Das Rohr 25 wird während fünf bzw. zehn Sekunden in einem stromlosen Zustand gehalten, damit sich ein Gleichgewicht einstellen kann.b) The tube 25 is kept in a currentless state for five or ten seconds so that an equilibrium can be established.
c) Im stromlosen Zustand wird die Potentialdifferenz U zwischen Elektroden 29 und 30 während 2,5 Sek. gemessen und über diesen Zeitraum gemittelt.c) In the de-energized state, the potential difference U between electrodes 29 and 30 is measured for 2.5 seconds and averaged over this period.
d) Ein konstanter Strom gleicher Grosse jedoch mit umgekehrter Polarität wird während fünf bis zehn Sekunden durch die Leiter 20 und 28 geschickt.d) A constant current of the same size but with reversed polarity is sent through the conductors 20 and 28 for five to ten seconds.
e) Das Rohr 25 wird während 5 Sekunden im stromlosen Zustand gehalten, damit sich ein Gleichgewicht einstellen kann.e) The tube 25 is kept in the de-energized state for 5 seconds so that an equilibrium can be established.
f) Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 29 und 30 wird während 2,5 Sekunden gemessen und gemittelt.
Die Dauer des Stromflusses beim Verfahrensschritt a wird vorzugsweise von einer vorangehend festgestellten Potentialdifferenz bestimmt. Ist die Spannung negativ (P<Px) beträgt die Dauer 5 Sekunden. Die Dauer des Stromflusses beim Verfahrensschritt d, ist vorzugsweise komplementär zu jener beim Verfahrensschritt a, damit eine vollständige Periode immer die gleiche Länge, vorzugsweise 30 Sekunden, hat. Die Zeit zwischen den Messungen beträgt daher 15 Sekunden. Die Bemessung der transportierten Ladungsmenge sollte generell vorzugsweise so erfolgen, dass sich der Partialdruck des Mediums im Raum 27 möglichst demjenigen des Mediums ausserhalb annähert, um die Auswirkungen allfälliger Leckstellen des Raumes 27 zu minimalisieren.f) The potential difference between electrodes 29 and 30 is measured and averaged over 2.5 seconds. The duration of the current flow in method step a is preferably determined by a potential difference previously determined. If the voltage is negative (P <P x ), the duration is 5 seconds. The duration of the current flow in method step d is preferably complementary to that in method step a, so that a complete period always has the same length, preferably 30 seconds. The time between measurements is therefore 15 seconds. In general, the amount of charge transported should preferably be dimensioned in such a way that the partial pressure of the medium in space 27 approaches that of the medium outside as far as possible in order to minimize the effects of any leaks in space 27.
Beim vorbeschriebenen Vorgehen werden die Sauerstoffpartialdrucke P im Innenraum 27 und die Sauerstoffpartialdrucke Px aus den Gleichungen (4) und (6) zweimal errechnet und der Mittelwert dieser gerechneten Werte als Messwert betrachtet. Dabei errechnet sich der Wert für den Innendruσk P nach Gleichung (6) und jener für den Aussendruck Px kann nach der GleichungIn the procedure described above, the oxygen partial pressures P in the interior 27 and the oxygen partial pressures P x are calculated twice from equations (4) and (6) and the mean value of these calculated values is considered as the measured value. The value for the internal pressure P is calculated according to equation (6) and that for the external pressure P x can be calculated according to the equation
(4a) errechnet werden.(4a) can be calculated.
Gewerbliche VerwertbarkeitCommercial usability
Die beschriebene Sonde und das Messverfahren eignen sich einerseits zum Einsatz in Industrieanlagen zur Ueberwachung der Luft im Sinne des UmweltSchutzes etc, aber auch zur Analyse von Mediumsproben, die weit weg vom Laboratorium, wie im Rahmen der Weltraumforschung, genommen werden, um dann im Labor untersucht zu werden. Selbstverständlich sind die an
gegebenen Anwendungsbereiche, woraus sich zwingend die gewerbliche Verwertbarkeit ergibt, nicht abschliessend aufgezählt.
The probe described and the measuring method are suitable on the one hand for use in industrial systems for monitoring the air in terms of environmental protection, etc., but also for the analysis of medium samples that are taken far from the laboratory, such as in the context of space research, and then examined in the laboratory to become. Of course they are on given areas of application, which necessarily result in commercial usability, are not exhaustively listed.