FR2734907A1 - SENSOR FOR MEASURING PARTIAL OXYGEN PRESSURES - Google Patents
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- G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
Abstract
La présente invention concerne un détecteur destiné à mesurer des pressions partielles d'oxygène basé sur le principe du "courant limite", comprenant une cellule de pompage d'oxygène (1) électrochimique, qui est reliée, de manière étanche au gaz, à une barrière de diffusion gazeuse (2), la barrière de diffusion gazeuse (2) étant composée d'un matériau choisi dans le groupe formé par du verre, du métal ou de la vitrocéramique.The present invention relates to a detector for measuring partial pressures of oxygen based on the "limit current" principle, comprising an electrochemical oxygen pumping cell (1), which is connected in a gas-tight manner to a gas diffusion barrier (2), the gas diffusion barrier (2) being composed of a material chosen from the group formed by glass, metal or glass-ceramic.
Description
II
CAPTEUR DESTINÉ A MESURER DES PRESSIONS PARTIELLES SENSOR FOR MEASURING PARTIAL PRESSURES
D'OXYGÈNEOXYGEN
La présente invention concerne un capteur destiné à mesurer des pressions partielles d'oxygène basé sur le principe du "courant limite", comprenant une cellule de pompage d'oxygène, qui est reliée, de manière étanche au gaz, à une barrière de diffusion gazeuse. Dans les capteurs d'oxygène basés sur le principe du "courant limite", des électrodes sont disposées sur un élément en oxyde de zirconium sur deux faces opposées de celui-ci et on applique une pression à la cellule en oxyde de zirconium ainsi créée, de façon à "pomper" l'oxygène de la cathode vers l'anode de la cellule, étant donné que le transport de charge à l'intérieur de la cellule est effectué par les ions oxygène. Lorsqu'on augmente la tension appliquée, le courant atteint une valeur de saturation dépendant de la teneur en The present invention relates to a sensor for measuring partial pressures of oxygen based on the principle of "limit current", comprising an oxygen pumping cell, which is connected in a gas-tight manner to a gas diffusion barrier . In oxygen sensors based on the "limit current" principle, electrodes are placed on a zirconium oxide element on two opposite faces thereof and a pressure is applied to the zirconium oxide cell thus created, so as to "pump" oxygen from the cathode to the anode of the cell, since the charge transport inside the cell is carried out by oxygen ions. When the applied voltage is increased, the current reaches a saturation value depending on the content of
oxygène de l'atmosphère environnant la cellule. oxygen from the atmosphere surrounding the cell.
Dans ce mode de réalisation simple du capteur, le courant de saturation n'est pas stable, car il dépend directement de la décomposition de la cathode. C'est pourquoi la cathode est entourée d'une barrière de diffusion. Celle-ci est réalisée de manière étanche au gaz et elle est munie d'un petit alésage à travers lequel l'atmosphère peut parvenir jusqu'à la cathode. L'alésage est réalisé de façon suffisamment petite pour que le courant de saturation atteint dépende uniquement de la diffusion gazeuse à travers cet alésage. Une légère décomposition de la cathode n'a ainsi aucune influence sur la valeur du In this simple embodiment of the sensor, the saturation current is not stable, since it depends directly on the decomposition of the cathode. This is why the cathode is surrounded by a diffusion barrier. This is made gas tight and has a small bore through which the atmosphere can reach the cathode. The bore is made small enough that the saturation current reached depends only on the gas diffusion through this bore. A slight decomposition of the cathode thus has no influence on the value of the
courant de saturation.saturation current.
Etant donné que la conductibilité des ions oxygène de la cellule dépend fortement de la température, on prévoit une résistance chauffante pour le capteur dans presque tous les capteurs d'oxygène en Since the conductivity of the oxygen ions in the cell is highly dependent on temperature, a heating resistance is provided for the sensor in almost all oxygen sensors in
oxyde de zirconium.zirconium oxide.
Dans les modes de réalisation connus jusqu'à présent de ces capteurs en oxyde de zirconium, la barrière de diffusion gazeuse ainsi que la cellule de pompage d'oxygène se composent d'oxyde de zirconium. Ce matériau est toutefois d'un prix élevé et son usinage est difficile; il est en particulier difficile de percer un alésage ayant un In the hitherto known embodiments of these zirconium oxide sensors, the gas diffusion barrier as well as the oxygen pumping cell consist of zirconium oxide. This material is however of a high price and its machining is difficult; it is particularly difficult to drill a bore having a
diamètre suffisamment petit.sufficiently small diameter.
Pour ces raisons, le capteur est relativement onéreux du fait que la barrière de diffusion doit être réalisée de façon à avoir un volume nettement plus important que celui de la cellule de pompage d'oxygène. La présente invention a pour objet de fournir un capteur du type indiqué ci-dessus, dans lequel la barrière de diffusion gazeuse est facile à usiner et peut, en particulier, être munie de manière simple For these reasons, the sensor is relatively expensive because the diffusion barrier must be produced so as to have a volume significantly greater than that of the oxygen pumping cell. The object of the present invention is to provide a sensor of the type indicated above, in which the gas diffusion barrier is easy to machine and can, in particular, be provided in a simple manner.
d'un alésage de faible diamètre.a small diameter bore.
Selon la présente invention, cet objet peut être atteint avec une barrière de diffusion gazeuse se composant d'un matériau choisi According to the present invention, this object can be achieved with a gas diffusion barrier consisting of a chosen material
dans le groupe formé par du verre, du métal ou de la vitrocéramique. in the group formed by glass, metal or glass-ceramic.
La présente invention a, par conséquent, pour objet un capteur destiné à mesurer des pressions partielles d'oxygène basé sur le principe du "courant limite", comprenant une cellule de pompage d'oxygène électrochimique qui est reliée, de manière étanche au gaz, à une barrière de diffusion gazeuse, caractérisé par le fait que la barrière de diffusion gazeuse se compose d'un matériau choisi dans le groupe The present invention therefore relates to a sensor intended to measure partial pressures of oxygen based on the principle of "limit current", comprising an electrochemical oxygen pumping cell which is connected in a gas-tight manner, to a gas diffusion barrier, characterized in that the gas diffusion barrier consists of a material chosen from the group
formé par un verre, un métal ou une vitrocéramique. formed by a glass, a metal or a ceramic glass.
Ces matériaux sont relativement moins onéreux que l'oxyde de zirconium, sont plus faciles à usiner, et permettent, en particulier, le perçage d'alésages plus petits que ceux réalisés dans l'oxyde de zirconium. Ainsi la température de fonctionnement du capteur selon la présente invention peut être maintenue à un niveau plus faible que dans le cas d'un capteur muni d'une barrière en oxyde de zirconium, ce qui permet d'obtenir une plus faible puissance absorbée These materials are relatively less expensive than zirconium oxide, are easier to machine, and allow, in particular, the drilling of smaller bores than those produced in zirconium oxide. Thus the operating temperature of the sensor according to the present invention can be kept at a lower level than in the case of a sensor provided with a zirconium oxide barrier, which makes it possible to obtain a lower absorbed power.
ainsi qu'une plus grande fiabilité. as well as greater reliability.
Les matériaux énumérés présentent néanmoins toutes les The materials listed nevertheless show all the
propriétés nécessaires pour réaliser des barrières de diffusion gazeuse. properties necessary to produce gas diffusion barriers.
Dans ce contexte, il peut être prévu, dans un autre mode de réalisation de la présente invention, que la cellule de pompage d'oxygène soit reliée de manière étanche au gaz à la barrière de In this context, it can be provided, in another embodiment of the present invention, that the oxygen pumping cell is connected in a gas-tight manner to the light barrier.
diffusion au moyen de verre.diffusion by means of glass.
Ainsi, il est possible de créer de manière simple une liaison parfaitement étanche au gaz entre la cellule de pompage Thus, it is possible to easily create a perfectly gas-tight connection between the pumping cell
d'oxygène et la barrière de diffusion gazeuse. oxygen and the gas diffusion barrier.
Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, il peut être prévu que des rails de platine munis de fils de connexion en platine soient disposés comme résistance chauffante pour In a preferred embodiment of the present invention, it can be provided that platinum rails provided with platinum connection wires are arranged as a heating resistor for
le capteur, sur la face externe de la barrière de diffusion. the sensor, on the external face of the diffusion barrier.
De cette façon, la résistance chauffante peut être fabriquée de manière simple et étant donné qu'elle est disposée directement sur la In this way, the heating resistor can be manufactured in a simple manner and since it is arranged directly on the
barrière de diffusion, elle permet un chauffage efficace du capteur. diffusion barrier, it allows efficient heating of the sensor.
Il peut être avantageux, dans un autre mode de réalisation de la présente invention, que des éléments entourant respectivement les fils de connexion en platine utilisés comme décharge de traction pour les fils de connexion en platine sur la surface de la barrière de diffusion ou sur la surface de la cellule de pompage d'oxygène soient en pâte de verre. Cette décharge de traction est facile à fabriquer et offre une protection efficace contre les charges de traction anormalement élevées. Dans ce contexte, un autre mode de réalisation de la présente invention peut consister en ce que pour l'adaptation mutuelle des propriétés de matériaux du verre et de la pâte de verre, ceux-ci soient constitués d'un mélange de poudres de verre différentes et d'un It may be advantageous, in another embodiment of the present invention, for elements respectively surrounding the platinum connection wires used as strain relief for the platinum connection wires on the surface of the diffusion barrier or on the surface of the oxygen pumping cell are made of glass paste. This strain relief is easy to manufacture and provides effective protection against abnormally high tensile loads. In this context, another embodiment of the present invention may consist in that, for the mutual adaptation of the properties of the materials of the glass and the glass paste, these consist of a mixture of different glass powders. and a
liant organique.organic binder.
Une telle mesure permet de traiter conjointement les deux matériaux. Un mode de réalisation préféré de la présente invention peut consister en ce que le verre et la pâte de verre se composent de matériaux choisis dans le groupe formé par SiO2, Na203, BaO, K20, Such a measure makes it possible to treat the two materials jointly. A preferred embodiment of the present invention can consist in that the glass and the glass paste consist of materials chosen from the group formed by SiO2, Na203, BaO, K20,
A1203 et B203.A1203 and B203.
Cette composition permet d'obtenir un verre doté d'un coefficient de dilatation thermique qui est adapté à celui de la cellule de This composition makes it possible to obtain a glass provided with a coefficient of thermal expansion which is adapted to that of the
pompage d'oxygène fabriquée en oxyde de zirconium. oxygen pumping made of zirconium oxide.
La présente invention est décrite ci-après selon un mode de réalisation préféré d'un capteur d'oxygène selon la présente invention The present invention is described below according to a preferred embodiment of an oxygen sensor according to the present invention
représenté en coupe sur le dessin. shown in section in the drawing.
La cellule de pompage d'oxygène 1 présente une plaque 20 formée d'un matériau conducteur des ions oxygène, par exemple de l'oxyde de zirconium stabilisé avec de l'oxyde d'yttrium. Sur les faces inférieure et supérieure de cette plaque 20, sont disposées des électrodes en platine 4, 5, qui sont connectées à une source de tension 11 par l'intermédiaire de fils de platine 6, 12. On obtient une estimation de la valeur de la pression partielle d'oxygène à mesurer en évaluant le courant que la source de tension 11 fournit au capteur. Dans le mode de réalisation représenté sur le dessin, cette évaluation The oxygen pumping cell 1 has a plate 20 formed of a material that conducts oxygen ions, for example zirconium oxide stabilized with yttrium oxide. On the lower and upper faces of this plate 20, platinum electrodes 4, 5 are arranged, which are connected to a voltage source 11 by means of platinum wires 6, 12. An estimate of the value of the partial pressure of oxygen to be measured by evaluating the current that the voltage source 11 supplies to the sensor. In the embodiment shown in the drawing, this evaluation
s'effectue à l'aide d'un ampèremètre 13. is carried out using an ammeter 13.
La cellule de pompage d'oxygène 1 est reliée de manière The oxygen pumping cell 1 is connected in a way
étanche au gaz à une barrière de diffusion 2 au moyen d'un verre 3. gas-tight to a diffusion barrier 2 by means of a glass 3.
La barrière de diffusion 2 se compose d'un matériau étanche au gaz présentant un alésage 7. Il s'agit de manière préférée pour ce matériau, de vitrocéramique. En principe, on peut utiliser au sens de la présente invention des matériaux qui présentent: 1.) environ le même coefficient de dilatation thermique que celui de la cellule de pompage d'oxygène 1; 2.) une stabilité thermique jusqu'à environ 700 C; 3.) une totale étanchéité au gaz; 4.) une grande facilité d'usinage 5.) la possibilité de percer des alésages de très faible diamètre et The diffusion barrier 2 consists of a gas-tight material having a bore 7. It is preferably for this material, glass ceramic. In principle, materials can be used within the meaning of the present invention which have: 1.) approximately the same coefficient of thermal expansion as that of the oxygen pumping cell 1; 2.) thermal stability up to about 700 C; 3.) total gas tightness; 4.) great ease of machining 5.) the possibility of drilling very small diameter bores and
6.) un faible prix.6.) a low price.
La vitrocéramique répond particulièrement bien à ces exigences, ce matériau permettant notamment de percer des alésages de diamètre plus faible que dans l'oxyde de zirconium; mais le verre et le Glass ceramic meets these requirements particularly well, this material making it possible in particular to bore bores of smaller diameter than in zirconium oxide; but the glass and the
métal répondent également aux conditions posées. metal also meet the conditions.
La vitrocéramique offre avec le verre 3 une mouillabilité particulièrement bonne, ce qui permet d'éviter d'éventuelles fuites Glass ceramic offers, with glass 3, particularly good wettability, which avoids possible leaks.
entre le verre 3 et la barrière de diffusion 2. between the glass 3 and the diffusion barrier 2.
La résistance chauffante pour le capteur est disposée sur la face externe de la barrière de diffusion 2. Elle se compose comme les électrodes de la cellule de pompage d'oxygène 1 de rails en platine 8 qui sont connectés à une source de tension par l'intermédiaire de fils de The heating resistor for the sensor is arranged on the external face of the diffusion barrier 2. It is composed, like the electrodes of the oxygen pumping cell 1, of platinum rails 8 which are connected to a voltage source by the intermediate son
platine 9.platinum 9.
Des éléments en pâte de verre 10 entourant respectivement les fils de connexion en platine 6, 9 sont disposés comme décharges de traction pour les fils de connexion en platine 9, 6 sur la surface de la barrière de diffusion 2 ou sur la surface de la cellule de pompage Glass paste elements 10 respectively surrounding the platinum connection wires 6, 9 are arranged as strain reliefs for the platinum connection wires 9, 6 on the surface of the diffusion barrier 2 or on the surface of the cell pumping
d'oxygène 1.oxygen 1.
Les compositions du verre 3 et de la pâte de verre 10 formant les décharges de traction sont choisies de façon que ces matériaux présentent les mêmes propriétés thermiques adaptées à la vitrocéramique. Ainsi les deux matériaux, la pâte de verre 10 et le verre 3, peuvent être transformés conjointement, c'est-à-dire fondus, The compositions of the glass 3 and of the glass paste 10 forming the tensile discharges are chosen so that these materials have the same thermal properties adapted to the glass ceramic. Thus the two materials, the glass paste 10 and the glass 3, can be transformed together, that is to say melted,
dans la même étape de fabrication. in the same manufacturing step.
Le verre 3 et la pâte de verre 10 sont préparés à partir Glass 3 and glass paste 10 are prepared from
d'un mélange de poudres de verre différentes et d'un liant organique. a mixture of different glass powders and an organic binder.
Il s'est révélé avantageux que le verre 3 et la pâte de verre se composent de matériaux choisis dans le groupe formé par SiO2, Na203, BaO, K20, A1203 et B203, un rapport du mélange de 55 % de SiO2, de 5 % de Na203, de 17 % de BaO, de 6 % de K20, de 3 % de A1203, de 14 % de B203 donnant un verre dont le coefficient de dilatation thermique est particulièrement bien adapté au coefficient de dilatation thermique de la cellule de pompage d'oxygène. Afin de rendre cette poudre compressible, on ajoute comme liant environ 5 % It has been found advantageous that the glass 3 and the glass paste consist of materials chosen from the group formed by SiO2, Na203, BaO, K20, A1203 and B203, a mixture ratio of 55% of SiO2, of 5% Na203, 17% BaO, 6% K20, 3% A1203, 14% B203 giving a glass whose coefficient of thermal expansion is particularly well suited to the coefficient of thermal expansion of the pumping cell d 'oxygen. In order to make this powder compressible, about 5% is added as a binder.
de Plextol.from Plextol.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus et représenté sur le dessin annexé. On pourra prévoir d'autres modes de réalisation, sans pour autant sortir du Of course, the invention is not limited to the embodiment described above and shown in the accompanying drawing. We can provide other embodiments, without departing from the
cadre de l'invention.part of the invention.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (1)
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