SE437889B - Givare for metning av syrekoncentrationen i gaser - Google Patents

Description

7 8 Û 3 0 4 5 - 9 2 10-6 atmosfärer. Vid högre syrekoncentrationer kommer nämligen den teoretiskt förväntade diffusionsgränsströmmen att bli så stark, att styrkan av den uppmätta strömmen ej längre begränsas av mängden till mätelektroden inkommande syre utan av aktiveringsenergin för laddnings- genomgången genom fasgränsen vid elektrodytan.

Till grund för uppfinningen ligger uppgiften att med utgångspunkt från denna teknikens ståndpunkt utveckla en givare för mätning av syrekoncentration, vilken ger tillförlitliga mätresultat även vid jämförelsevis hög syrehalt i den gas, som skall undersökas.

Enligt uppfinningen löses denna uppgift med en givare, som upp- visar de i patentkravet 1 angivna kännetecknen.

Grundtanken i föreliggande uppfinning är alltså att med hjälp av en mätelektroden täckande beläggning begränsa mängden till mätelektro- den inkommande syre till sådana värden, att varje till mätelektoden inkommande syremolekyl omedelbart omvandlas genom elektrodreaktionen och att det mellan givarens elektroder erhålles en ström, vars styrka bestämmes enbart av diffusionen. Vid givaren enligt uppfinningen minskas med andra ord den gasmängd, som skall diffundera, med hjälp av beläggningen så mycket att det uppstår förhållanden liknande dem vid mätning av syrekoncentratíonen i vätskor, där diffusionshastigheten är mindre med en faktor ca 105.

Givaren enligt uppfinningen är speciellt lämpad för mätning av syrekoncentratíonen i avgaser från förbränningsmotorer, vilka åt- minstone tidvis drives med ett bränsleluftförhållande (A), som avviker från värdet Ä = 1 och exempelvis ändrar sig mellan Ä = 0,8 och A = 1,8. För bestämning av syrekoncentratíonen i avgaserna är nämligen s.k. Å-sonder olämpliga under dessa betingelser, eftersom sondspän- ningen endast är logaritmiskt beroende av syrepartialtrycket, varför det i praktiken huvudsakligen endast är möjligt att utvärdera det karakteristiska språnget i utgångsspänningen vid värdet X = 1. I detta sammanhang skall påpekas, att det vid X-sonderna är känt att förse katalytiskt aktiva mätelektroder med en gasgenomsläppande beläggning, varvid denna beläggning dock är avsedd att skydda mätelektroden mot nedsmutsning, särskilt mot blybeläggningar, och i övrigt är uppbyggd med så grova porer, att den ej kan förhindra störande konvektions- fenomen vid mätelektroden, vilka dock skall undertryckas enligt upp- finningen.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till åtföljande ritningar, där fig 1 och 2 visar schematíska tvärsnitt genom föredragna utföríngsformer av givare enligt uppfinningen och 3 7303045-9 fig 3 visar ett ström-spänningsdiagram för en givare enligt uppfin- ningen.

Den i fig l visade givaren har en stomme 10 av ett fast- elektrolytmaterial, exempelvis stabiliserad Zr02-keramik. Stommen 10 har formen av ett i ena änden slutet rör, varvid rörets slutna sida under drift skjuter in i den gas eller gasblandning, som skall under- sökas. På insidan av röret respektive stommen 10 finnes en motelektrod 12, som exempelvis kan bestå av platina. Stommens utsida är med undan- tag för sin avrundade spets försedd med ett isolerande skikt 14, företrädesvis en icke-ledande glasyr, på vars utsida en elektriskt ledande remsa 16 sträcker sig till givarens spets. Givarens spets, dvs utsidan av stommens 10 avrundade, slutna ände är försedd med en mätelektrod 18 av inert metall, exempelvis platina. Mätelektroden 18 kan anbringas på stommens 10 spets genom utnyttjande av något känt förfarande, exempelvis påångning, kemisk utfällning, pastabeläggning eller plasmasprutning. Mätelektroden 18 är förhållandevis tunn och har jämförelsevis stor yta. Dessutom står mätelektroden 18 i ledande förbindelse med den ledande remsan 16.

Enligt uppfinningen är mätelektroden 18 försedd med en belägg- ning 20, som har definierat diffusionsmotstånd för syre. Beläggningen 20 skall täcka mätelektrodens 18 utsida fullständigt och framställes företrädesvis så, att medelst plasmasprutning uppbygges till att börja med ett ca }00Am\tjockt skikt av något grövre, ej utflytande spinell med en medelkorndiameter av ca 50 um,varefter ett andra relativt tjockt skikt pålägges med en tjocklek av exempelvis 2 mm, bestående av väl utflytande finkornig spinell med en medelkorndiameter av ca l0;m_ En annan möjlighet att anbringa beläggningen 20 på mätelektroden 18 är att en kåpliknande formdel av ett material med de eftersträvade diffusionsegenskaperna förtillverkas och därefter anbringas över mät- elektroden 18. Härvid skall den av kåpan bildade beläggningen just be- röra mätelektrodens 18 yta utan att kvarlämna några större hålrum.

I princip är givaren enligt fig 2 uppbyggd på samma sätt som beskrivits i anslutning till fig 1. Dess olika komponenter, som för- setts med samma hänvisningssiffror som i fig l, har endast annan geometrisk form och är vad stommen 10, elektroderna 12, 18 och be- läggningen 20 beträffar utformade som plattor. Dessutom har givaren enligt fig 2 en rörformig mantel 22, vilken möjliggör inskjutning av den egentliga mätcellen tillräckligt långt in i den gasström, som skall undersökas, varvid manteln 22 eventuellt kan ersätta den ledande 7803045-9 H remsan 16 och direkt vara förbunden med ena polen av den ej visade polarisationsspänningskällan. e Väsentligt är att beläggningen över mätelektroden har ett fin- porigt skikt av ett fast material, i vilket praktiskt taget ingen gaskonvektion längre sker. Detta finporiga skikt, som med hänsyn till de erforderliga arbetstemperaturerna i fastelektrolyten måste vara värmebeständigt, kan exempelvis bestå av spinell, aluminiumoxid eller ett lämpligt keramikmaterial. På grund av förekomsten av det fin- poriga skiktet måste gasen för att nå fram till mätelektrodens yta först diffundera genom porerna i detta skikt. Det finporiga skiktet tjänar alltså till att förhindra konvektion, minska diffusionsarean och öka diffusionssträckan, varför diffusionsgränsströmmen även vid högre syrepartialtryck är märkbart svagare än utbytesströmmen (den kinetiska storheten för den reversibla laddningsgenomgången vid en elektrod). I detta fall bestämmer nämligen enbart diffusionen elektrodreaktionens hastighet. 7 Dessutom är det viktigt att det som diffusionsskikt tjänst- görande finporiga skiktet visserligen minskar diffusionsarean, men ej får minska den effektiva elektrodytan i samma utsträckning. Detta upp- nås exempelvis därigenom att såsom ovan beskrivits beläggningen upp- bygges av två olika skikt, av vilka det yttre är jämförelsevis tätt och endast har ett fåtal små porer under det att det inre skiktet har så grovporig struktur som möjligt och i minsta möjliga mån minskar den effektiva elektrodytan. Det finporiga diffusionsskiktet får så- ledes ej direkt angränsa till elektrodytan. Vid utformning av belägg- ningen som en förtillverkad kåpa kan detta uppnås genom lämplig form- givning av kåpans insida och/eller elektroden och genom val av lämp- ligt förfarande för fastsättning av kåpan.

När de ovan angivna kraven vad beträffar beskaffenheten och/eller utformningen av beläggningen 20 är uppfyllda visar sig givaren enligt uppfinningen utomordentligt känslig, vilket framgår av diagrammet i fig 3. Denna figur visar hur den genom givaren flytande strömmen I är beroende av den pålagda polarisationsspänningen för olika procentuella syrekoncentrationer. Exemplet avser en givare med en totalt 2 mm tjock spinellbeläggning på mätelektroden.

Claims (3)

V -V..._,.....___....-_ _ s 7803045-9 Patentkrav

1. l. Givare för mätning av syrekoncentrationen i gaser, med en gasgenomsläppande mätelektrod, till vilken den för undersökning avsedda gasen är tillförbar, med en gasgenomsläppande motelektrod, till vilken en referensgas med känd syrekoncentration är tillför- bar, och med en fastelektrolyt mellan de båda elektroderna, k ä n n,e t e c k n a d av att mätelektroden (18) är täckt med en beläggning (20), vilken uppvisar definierat diffusionsmot- stånd för syre och består av ett relativt tunt finporigt yttre skikt och ett relativt grovporigt inre skikt.

2. Givare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att belägg- ningen (20) är bildad av åtminstone ett direkt på mätelektroden (18) företrädesvis genom plasmasprutning anbragt skikt.

3. Givare enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att beläggningen (20) är utförd som en förtillverkad, mätelektroden (18) täckande komponent.