SE452913B - Elektrokemisk metgivare for bestemning av syrehalten i gaser - Google Patents

Description

15 20 25 30 452 913 Ritning Ett utföringsexempel av uppfinningen beskrives nedan närmare under hänvisning till åtföljande ritning, där fig. 1 visar ett längdsnitt genom en förstorat återgiven elektrokemisk mätgivare enligt uppfinningen, vilken arbetar enligt den polarografiska mätprincipen och utnyttjar luftsyre som re- ferensämne, fig. 2 visar framifrån den första plansidan av givarelementet hos mätgivaren enligt fig. 1, fig. 3 visar framifrån den andra plansidan hos mätgivaren enligt fig. 1 och fig. U är ett tvärsnitt längs linjen A-B genom givar- elementet enligt fig. 3, återgivet i ännu större skala.

Beskrivning av utföringsexempel Den i fig. 1-U visade, enligt den polarografiska mätprincipen arbetande elektrokemíska mätgívaren 10 för bestämning av syrehalten i gaser består huvudsakligen av ett plattformigt givarelement 11, ett företrädesvis av metall bestående hus 12, tvâ i den längsgående borrningen 13 i huset 12 fast in- spända keramiska hållare lä och 15 med tätning 16 och av en skyddsmantel 17, som på avstånd omger det för mätgasen ut- satta längdpartiet av givarelementet 11 och uppvisar en gas- inloppsöppning 18.

Mätgivarhuset 12 har för att möjliggöra inmontering i ett ej visat, mätgasförande rör en yttergänga 19 och en nyckelsex- kant 20. I den längsgående borrningen 13 är huset 12 försett med en ringansats 21, mot vilken en fläns 22 hos skyddsman- teln 17 anligger. Skyddsmanteln 17 består av keramik, men kan alternativt vara tillverkad av ett annat värmebeständigt material (exempelvis ett korrosionsbeständigt stål) och kan alternativt vara fäst vid huset 12. I stället för en enda gasinloppsöppning 18 kan alternativt ett flertal gasinlopps- öppningar anordnas och eventuellt även vara utrustade med i och för sig kända gaslednäsor. Under det att undersidan av skyddsmantelflänsen 22 anligger mot husansatsen 21 anligger mot översidan av denna fläns 22 den av keramik bestående hållaren 15, som centralt uppvisar en genomloppsöppning 23 och en mot anslutníngssidan öppnande ficka 2U för upptagning av tät- ningen 16 för givarelementet 11. Som tätning 16 kan kítt, 10 15 20 25 30 55 452 913 glas, keramiskt glas eller liknande utnyttjas. Tätningen 16 är i och för axiell fixering av givarelementet 11 förankrad i urtagningar 25 i givarelementet 11 och uppdelar detta i ett närmast mätgasen liggande längdparti 11/1 och ett från mätgasen avlägset längdparti 11/2. Den av keramik bestående hållaren 14 ligger med sin undersida an mot hållaren 15 och tätningen 16, varvid de båda hållarna lä och 15 inom sitt be- röringsomrâde är fixerade inbördes med hjälp av ett utsprâng 26. Hållaren lü är på utsidan utformad med en ringansats 27, mot vilken husets 12 omvikta kant 28 anligger och sammanhål- ler mätgivaren 10. Vid behov kan mellan hållarens 1U ringan- sats 27 och den omvikta kanten 28 infogas en ej visad tät- ningsríng. Genom i och för sig känd värmekrympning av huset 12 kan förbandet sammanpressas ännu intensivare. Huset är för detta ändamål på sin utsida försett med ett ringspår 29, vilket efter ovan beskrivna montering upphettas med hjälp exempelvis av en induktionsspole, varefter huset 12 hop- stukas i längdriktningen. Under bibehållande av stuknings- kraften avkyles därefter huset.

Hållaren lä är på utsidan av sitt för mätgasen avlägsna område dessutom försedd med ett fixeringsspâr 30, som är av- sett för lägesriktig påskjutning av en ej visad elektrisk anslutning. Som förlängning av hållarens 15 genomloppsöpp- ning 23 finns i hållaren lü en central genomgående borrning 31, genom vilken det från mätgasen avlägsna längdpartiet 11/2 av givarelementet 11 sträcker sig och som på sitt från mätgasen avlägsna ändparti uppvisar en uppborrning 32, i vilken givarelementets 11 anslutningsomrâde 11/3 inskjuter.

Givarelementet 11 är anordnat med fritt spel i den centrala borrníngen 31 i hållaren lä med hjälp av en styrhylsa 33, som består av en härdplast och med sin styrdel 3U skjuter in i borrningen 31. .

Ovan beskrivna konstruktion utgör ej del av uppfinningen och är endast en av ett flertal tänkbara utföringsformer, vid vilka uppfinningen kan tillämpas. Avvikelser från den ovan beskrivna konstruktionen är således möjliga inom upp- finningens ram. I 10 15 20 25 30 55 452 913 ï Det långsträckta, plattformade givarelementet 11 har en syre-_ jonledande fastelektrolyt (exempelvis av stabiliserad zirkon- dioxid) som plattformig bärare 35, vilken är 1 mm tjock och vars första, i fig. 2 visade plansida har hänvisningssiffran 36. Denna bärare 35 är 8 mm bred och är på sin plansida 36 å belagd med ett elektriskt isolerande skikt 37, som består av aluminiumoxid, är 15 pm tjockt och bildar ett i det nära mätgasen liggande längdpartiet 11/1 beläget fönster 38 på plansidan 36. Fönstret 38 är N mm brett och 12 mm långt.

I detta fönster 38 är på bäraren 35 änbragt en mätelektrod 39, som består av platina, är porös och har en tjocklek av 8 pm. Från denna mätelektrod 39 sträcker sig en på det iso- lerande skiktet 37 löpande ledarbana 39' till givarelementets 11 anslutningsområde 11/3. Såväl mätelektroden 39 som till- hörande, företrädesvis även av platina bestående ledarbana 39' år anbragta på givarelementet 11 med hjälp av ett känt förfarande såsom exempelvis duktryck. Det längs fönstret 38 belägna, med isolerskikt 37 täckta området av givarelementet 11 och även det mellan fönstret 38 och den mot mätgasen vända änden HO belägna, med isolerande skikt 37 täckta området är påtryckta ett skiktformigt värmeelement H1, som företrädesvis även består av platina, är 12 pm tjockt och har mäanderform.' Med hjälp av ledarbanor 41/1 och 41/2, som är anordnade till vänster och höger om ledarbanan 39' och består av platina, är värmeelementet H1 elektriskt förbundet med givarelementets 11 anslutningsområde 11/3. På mätelektroden 39, eventuellt även så att det fyller hela fönstret 38 i det elektriskt isolerande skíktet 37, samt på det sig till mätgasänden NO anslutande området är ett grovt poröst, síntrat fyllämne H2 anbragt. Detta fyllämne 42 består exempelvis av zirkondioxíd med en kornstorlek av 10 pm och är 25 pm tjockt. Vid till- verkning av detta porösa fyllämne H2 innehåller detta fort- farande en s.k. hålrumsbildare (ej visad), vilken exempelvis består av vid sintreringsförloppet försvinnande plast (såsom exempelvis polyuretangranulat). Det med hålrumsbildaren för- sedda fyllämnet H2 anbringas på det beskrivna området med hjälp av ett känt förfarande, företrädesvis genom duktryck.

Med undantag av ett ca 1 mm brett, närmast mätgasänden lig- gande kantområde H3, som sträcker sig parallellt med den mät- 10 15 20 25 30 55 452 913 gasnära änden NO, täckes det mätgasnära längdpartiet 11/1 med hjälp av ett gastätt tunneltäckskikt ÄH, som består av aluminiumoxid eller magnesiumspinell med en tjocklek av H0 pm. Detta tunneltäckskikt ÄH täcker även värmeelementet H1 och tjänstgör här som skyddsskikt mot mätgasen. Den av fyll- ämnet U2 och tunneltäckskiktet HU bildade tunneln bildar framför mätelektroden 39 en diffusionsbarriär för syremole- kyler. Det i beroende av önskad tillämpning erforderliga diffusionsmotståndet kan inställas genom val av porstorle- ken hos fyllämnet H2 samt av längd, bredd och höjd hos kanalen.

Fíg. 3 visar den andra plansidan 45 av bäraren 35. Även denna plansida H5 är täckt av ett elektriskt isolerande skikt H6, som motsvarar isolerskiktet 37 på den första plansidan 36 och ävenledes uppvisar ett fönster H7, som till arrangemang och storlek motsvarar den första plansidans 36 fönster 38.

I detta fönster U? finns en referenselektrod U8, som till ämnesarrangemang och dimensioner huvudsakligen motsvarar mät- elektroden 39 på den första plansidan 36. Den med denna re- ferenselektrod H8 förbundna ledarhanan H8' motsvarar ledar- banan 39' hos mätelektroden 39 och leder likaledes över det elektriskt isolerande skiktet H6 till gívarelementets 11 an- slutningsområde 11/3. På referenselektroden H8, eventuellt så att det fyller hela fönstret H7, och på det sig till fönstret H7-anslutande, mot anslutningsområdet 11/3 sträckande området är ett fyllämne H9 av kraftigt poröst material an- bragtg vilket exempelvis liksom fyllämnet H2 på mätelektroden 39 kan bestå av grovkorníg zirkondioxid (kornstorlek ca 10 Pm). Detta fyllämne H9 kan påtryckas i en eller ett flertal över varandra liggande remsor, varvid det likaledes skall 'innehålla en ej visad hålrumsbildare. Med undantag för an- slutningsområdet 11/3 hos plansidan H5 och ett ca 1 mm brett kantområde 50 på anslutningssidan är hela plansidan H5 täckt med ett gastätt tunneltäckskikt 51, som motsvarar tunneltäckskiktet HH på den första plansidan 36. Även detta tunneltäckskíkt 51 är ca Ä0 Pm tjockt.

Enligt ett föredraget tillverkningsförfarande anbringas samt- l 10 15 20 25 30 35 452 913 liga på de båda plansidorna 36 och 45 belägna skikten på den i förväg sintrade hållaren 35 i tur och ordning medelst kända tryckförfaranden (speciellt duktryckförfarande) och torkas vid ca 100°C, varefter det sålunda förberedda givar- elementet 11 färdigsíntras í sin helhet vid ca 150000.

Sedan fyllämnet H2 på mätelektroden 39 och fyllämnet H9 på referenselektroden H8 blivit porösa efter síntringsför- loppet kan mätgas nå mätelektroden 39 genom det som diffu- sionsbarriär för syremolekyler tjänstgörande fyllämnet H2 och luftsyre nå referenselektroden 48 genom det numera po- rösa fyllämnet H9. Det beskrivna givarelementet 11 utnyttjas för mätning av syrehalten i mätgasen enligt den polaro- grafiska mätprincipen, varvid en konstant likspänning på- lägges mätelektroden 39 och referenselektroden H8. Storleken av den i mätkretsen flytande strömmen utgör ett mått på syrehalten i mätgasen.

I det fall referenselektroden H8 ej kan eller skall utsättas för luftsyre som referensgas, kan fyllämnet H9 och tunnel- täckskiktet 51 undvaras. I stället är referenselektroden H8, som i detta fall även är utsatt för mätgasen och på grund härav företrädesvis skall bestå av ett poröst material såsom guld eller silver, täckt med ett ej visat poröst skyddsskikt, som exempelvis kan bestå av aluminiumoxid.

Nämnas bör att dylika tunnlar (H2, HH; H9, 51) även kan ut- nyttjas vid sådana givarelement, där såväl mätelektroden 39 som referenselektroden H8 är belägna på en och samma plan- sida (36 eller H5) av bäraren 35. I stället för en bärare 35, som helt består av fastelektrolyt, kan vid dylika givarele- ment en billigare isoleringsplatta utnyttjas, som vid områ- det för elektroderna är täckt med ett tunnare fastelektrolyt- skikt.

Förutom vid enligt den polarografíska mätprincipen arbetande givarelement 11 kan dylika tunnlar över referenselektroden även utnyttjas för sådana elektrokemiska mätgivare, som ar- betar enligt den potentiometriska mätprincipen och utnyttjar 10 15 452 913 luftsyre som referensämne.

Dessutom kan tunnlar med fyllämne utnyttjas som gas- eller lufttillförselkanaler för elektroder, som är belägna i mel- lan- eller anslutningsområdet hos givarelementet. Fyllämnet utgör dessutom poröst skyddsskikt på elektroderna.

I stället för ett värmeelement H1 på den första plansidan 36 av givarelementet 11 kan vid behov ett dylikt värmeelement anbringas även på den andra plansidan H5. Vid andra till- lämpníngar kan eventuellt värmeelement på givarelementet 11 helt utelämnas.

Givarelement 11 med ovan beskrivna konstruktion är speciellt robusta, eftersom deras tunneltäckskikt UU, 51 är uppstagade med hjälp av de porösa fyllämnena H2, 49.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 452 915 Patentkrav

1. l. Elektrokemisk mätgivare för bestämning av syrehalten i ga- ser med ett hus, som innefattar en längsgående borrning, i vilken en väsentligen lângsträckt plattliknande givare är fast och tätt inmonterad. vilken givare har en fri ände. som ligger 1 omrâdet för en öppning i huset vid ena änden av borrningen och som är avsedd att vetta mot gasen som skall mätas. k ä n n e t e c k n a d av att givaren innefattar två åtskil- da, porösa skiktliknande elektroder (39,48). vilka är anordna- de på en syrejonledande fastelektrolyt (35) . och av att (1) en gastät tunnel (44), vilken har en öppen och en sluten ände och vilken är fylld med sintrat. poröst gasgenomträngligt fyllämne (42), är anordnad över en elektrod med tunnelns öppna ände riktad mot mätgasen eller mot en referensgas. eller att (ii) en separat gastät tunnel (44,5l) är anordnad över varje elektrod (39.48), varvid den ena tunnelns (44) öppna ände är riktad mot mätgasen och den andra tunnelns (51) öppna ände är riktad mot en referensgas, eller att (iii) en separat gastät tunnel (44.51) är anordnad över varje elektrod (39,48), varvid den öppna änden hos varje tunnel är riktad mot mätgasen.

2. Givare enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att gi~ varelement (ll) bär åtminstone ett medelst ett elektriskt iso- lerande skikt (37) från fastelektrolyten (35) skilt. skiktfor- migt värmeelement (41). vilket företrädesvis är täckt med ett isolerande skikt (44).

3. Givare enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att det isolerande skiktet (44) på värmeelementet (41) bildas av en del av ett tunneltaket bildande täckskikt (44).

4. Givare enligt något av kraven 1-3. n a d k ä n n e t e c k - av att en elektrod (39.48) är anordnad pâ'vardera plan- sidan (36,4S) av den som bärare (35) tjänstgörande fastelekt- rolyten. 10 452 913

5. Givare enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k - n a d av att bada elektroderna (39,48) är anordnade led ln- bördes avstånd på samma plansida (36 eller 45) hos bäraren (45).

6. Givare enligt något av kraven 1-5, n a d k ä n n e t e c k - av att de vid anslutningssidan belägna ândpartierna av elektrodernas ledarbanor (39',48') är fria från täckskikt för att nedgiva förbindelse med en spänningsnätapparat (potentie- metrisk mätprincip) eller med en llkspänningskälla och en strömmätapparat (polarografisk mätprlncip).