NL8105116A

NL8105116A - Sensor voor het bepalen van het zuurstofgehalte in een fluidum.

Info

Publication number: NL8105116A
Application number: NL8105116A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1981-11-12
Filing date: 1981-11-12
Publication date: 1983-06-01
Also published as: DE3277080D1; EP0079652B1; US4770761A; CA1198345A; JPH0423212B2; JPS5888645A; EP0079652A1

Description

*> * Λ ΡΗΝ 10,195 1 N.V. Philips' Gloeilampenfahrieken te Eindhoven "Sensor voor het bepalen van het zuurstofgehalte in een fluidum"

De uitvinding heeft betrekking op een sensor voor het bepalen van het zuurstofgehalte in een fluidum.

Bekend zijn dergelijke sensoren (bijvoorbeeld uit DE-OS 2742278} waarbij een vast elektrolyt, dat ionengeleiding vertoont, wordt 5 toegepast in de vorm van een scheidingswand die aan beide zijden van elektrodebekleedsels is voorzien. Aan een zijde van de scheidingswand bevindt zich fluidum met een bekend zuurstofgehalte als referentie-fluidum en aan de andere zijde fluidum waarin de zuurstof In een onbe-kende concentratie aanwezig is. Tussen de beide elektrodebekleedsels 10 ontstaat hierdoo-r een EMK-verschil, hetgeen een strocm door het mate-riaal teweegbrengt, die door de zuurstof-ionen in de vaste elektrolyt wordt gedragen. Deze strocm heeft een waarde, die evenredig is met de verhouding van de zuurstofconcentraties aan beide zijden van de scheidingswand en hiermede kan de onbekende zuurstofconcentratie dus warden 15 berekend.

Nu is de beweeglijkheid van de ionen in de vaste elektrolyt sterk afhankelijk van de temperatuur en deze tenperatuurafhankeX j, jkhej.d maakt dat ook de zuurstofbepaling een tenperatuurafhankelijke gevoelig-heid heeft. Bij de meting moet de tsiperatuur in de praktijk tenminste 20 250°C bedragen.

Een nadeel van dit bekende type zuurstof sensoren is, dat een referentiegas met nauwkeurig constant gehouden zuurstofconcentratie essen-tieel is.

Doel van de uitvinding is een sensor, die zander een dergelijke 25 referentie functioneert.

De sensor van het bovencmschreven type onder toepassing van een vast elektrolyt met ionengeleiding, dat aan beide zijden van elektrodebekleedsels is voorzien is volgens de uitvinding daardoor geken-merkt, dat de vaste elektrolyt bestaat uit gestabiliseerd Bi202 in de 30 vorm van een pastille die van elektrodebekleedsels is voorzien en geheel is cmgeven door het te analyser en fluidum en dat als zuurstofpartiaal-drukafhankelijke grootheid de weerstand tussen de elektrodebekleedsels wordt gemeten.

8105116 j /-¾ \ PHN 10/195 2

Het Βΐ-2®3 °P bekende wijze gestabiliseerd door toe- voeging van yttriumoxide, een oxide van een element uit de lanthanide groep met atoomgewicht tussen 62 en 70/ niobiumoxide, tantaaloxide of wolfraamoxide. Door, stabilisering verkrijgt het materiaal een vlak-5 gecenterd kubisch rooster en slechts in deze structuur is het als sensor bruikbaar.

De sensor volgens de uitvinding is gebaseerd op verandering van de electrodeweerstand als funktie van de zuurstofpartiaalspanning. Met behulp van een gelijkspanning wordt de weerstand van de electrode/ 10 electrolyt combinatie gemeten. Hiervoor geldt:

Relektrode _Rtotaal ^elektrolyt

R R

totaal is de te meten grootheid; elektrolyt en ook K zijn grootheden, die onafhankelijk zijn van de zuurstofpartiaalspanning en 15 een bekende funktie van de temperatuur. Bij keuze van een bepaalde tem- peratuur zijn beide constanten. Ook in dit geval moet de meting dus bij een ingestelde/ constant gehouden temperatuur Borden uitgevoerd.

Dit geldt voor een bepaalde gekozen elektrodemorfologie; K

zowel als de exponent n in de bovenstaande vergelijking zijn van de 2n elektrodemorfologie afhankelijk. Voor een gaaselektrode is bijvoor--3 beeld n = /8 en voor een gesputterde elektrode n = -1/2.

Bij een juiste keuze van de elektrodemorfologie en de afmeting van de pastille is de weerstandswaarde van de elektrolyt klein ten qp- zichte van de totaalweerstand en kan dan verwaarloosd worden. Het meet- 25 traject waarbinnen betrouwbare waarden kunnen warden verkregen, hangt af .van de gekozen temperatuurzuurstofpartiaalspanning-combinatie van de sensor en van de aard van de elektroden -en li.gt in het algemeen in het temperatuurgebied van 500-800°C en een traject van zuurstofparti--3 aalspanning van 10 -1 atxnosfeer. Zo verschuift een klein kontaktopper- 3Q vlak van de elektroden met de vaste elektrolyt het trajekt naar hogere waarden van de zuurstof-partiaalspanning.

Het bijzondere van het onderhavige systeem is, dat het tem-peratuurgebied waarin het bruikbaar is veel lager is dan bij andere systemen, zoals Zr02 gestabiliseerd door Y203, ^ wel 20 laa9 c&t oude-35 ring een onmeetbaar klein effekt heeft. Bovendien vertoont de weerstand als funktie van de zuurstofdruk een monotoon verloop in tegenstelling tot andere systemen, waarbij een minimum binnen het meettrajekt op-treedt.

8105116 ft r <4 EHN 10,195 3

De elektrodebekleedsels van de sensor volgens de uitvinding bestaan nit edelmetaal, zoals Bd of M, doch de voorkeur gaat uit naar platina. Een voordeel is oak, dat de sensor volgens de uitvinding zich voor miniaturisatie leent.

5 Zoals boven reeds cpgemerkt is ook bij de sensor volgens de uitvinding zoals bij andere systanen het bezwaar aanwezig van de noodzaak van het gebruik van een thermostaat. Dit kan echter ondervangen warden door met een tweetal wisselstroanfrekwenties, een lage en een hoge waarde, de elektrolytweerstand te ms ten. Met behulp van de impedantie- 10 cirkel, waarmede het reeele en het imaginaire deel van de impedantie. beschreven is, kan de teitperatuur bepaald warden. Bij hoge frekwentie snijdt bedoelde cirkel de as en geeft dan de weerstand van de elektrolyt, bij lage frekwentie snijdt de cirkel eveneens de as en levert daarmpta £e waarde van de son elektrolyt plus elektrode op. De grootte van de weer- 15 stand bij hoge frekwentie (dat wil zeggen 10kHz of hoger) kan in een ijkcurve als funktie van de temperatuur worden uitgezet. Op deze wijze kan de tanperatuur, eventueel met behulp van een in een microprocessor opgeslagen referentie-curve worden afgelezen. Een thermokoppel is dan bij de sensor niet nodig, wel uiteraard een generator van het wisselspannings- 20 signaal en eventueel een microprocessor met een daaraan gekoppelde scha-keling.

Bij wijze van voorbeeld volgt thans de beschrijving van een tweetal uitvoeringen van een zuurstofsensor volgens de uitvinding. Voorbeeld 1 25 Een gesinterde pastille van de samenstelling (Bi2°3)0,80(Er2°35O^2a met een diameter van 7 ran en een dikte van 1,5 ran werd aan beide zijden door opsputteren van een 0,7 ^um dikke platinalaag voor-zien. Voor deze uitvoering is in bovenstaande formule de waarde n = -1/2.

30 Bij 700°C werden de volgende waarden gene ten:

Relektrode (100% 02) = 2,6 -TL

" (1,6% 02) = 22,311

^elektrolyt 2,5 XL

35 K = 2,7 + 0,1

en bij 550°C

Relektrode (100% 02) = 62 Λ 8105116 v /S.

* % . EHN 10/195 4

Relektrode (1,6% 02) - 420 XL

Relektrolyt 130 SL

K = 58 + 4 5

Voorbeeld 2

Tegen een pastille van dezelfde sairenstelling werd aan beide . 2 zijden een platinagaas met een maaswijdte van 200 mazen/σα gedrukt.

Voor deze constellatie geldt in bovenstaande formule een waarde van 10 n = ”3/®·

Bij 700°C werden de volgende waarden gemeten;

Relektrode (100% 02) =73 X2

" (1,6% 02) = 353 SI

15 Relektrolyt 5 XI

K = 74 + 1 en bij 550°C de volgende:

Relektrode (100% 02) =1420 XL

Relektrode (1,6% 0„) =5400 XL

20 R

elektrolyt 490 XL

K = 1300 + 100 25 30 35 8105116

Claims

1. Sensor voor het hepalen van het zuurstofgehalte in een fluidum, onder toepassing van een vast elektrolyt, dat ionengeleiding verfcoont en dat aan beide zijden van elektrodebekleedsels is voorzien, met het kenmerk, dat de vaste elektrolyt bestaat uit gestabiliseerd 5. van 6611 pastille, die van elektrodebekleedsels is voorzien en gebeel is omgeven door het te analyseren fluidum en dat als zuurstofpartiaaldruk-afharikelijke grootheid de weerstand tussen de elektrodebekleedsels wordt ganeten.

2. Sensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de elektrode-10 bekleedsels bestaan uit platina.

3. Meetinrichting, cmvattende een sensor volgens conclusie 1 of 2.

4. Meetinrichting, cmvattende een sensor volgens conclusie 1 of 2 en middelen voor het meten van de weerstand van de vaste elektrolyt bij een frekwentie van tenminste 10kHz en bepaling van de temperatuur 15 uit de verkregen weerstandswaarde, eventueel met behulp van een in een microprocessor qpgeslagen ref erentiecurve- 20 25 30 35 8105116