DE3315654A1

DE3315654A1 - Polarographischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoff-gehaltes in gasen

Info

Publication number: DE3315654A1
Application number: DE19833315654
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Linder; Helmut Maurer; Klaus Dr Mueller; Franz Ing Grad Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-04-29
Filing date: 1983-04-29
Publication date: 1984-10-31
Also published as: DE3315654C2; JPH0556464B2; US4496455A; JPS59208454A

Description

e.h.1983 Pf/Jä

R. ^

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Polarographischer Meßfühler für die Bestimmung des ■
Sauerstoff-Gehaltes in Gasen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem polarographischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei derartigen
polarographischen Meßfühlern, die nach dem Diffusionsgrenzstromprinzip arbeiten, wird dieser Diffusionsgrenzstrom bei einer konstanten, an den beiden Elektroden des Meßfühlers
anliegenden Spannung gemessen. Dieser Strom ist in einem
bei Verbrennungsvorgängen entstehenden, mager eingestellten Abgas von der Sauerstoffkonzentration solange abhängig, wie die Diffusion des Gases zur Kathode die Geschwindigkeit der ablaufenden Reaktion bestimmt. Es ist bereits vorgeschlagen worden, derartige polarographische Meßfühler in der Weise
aufzubauen, daß sowohl Anode als auch Kathode dem zu messenden Gas ausgesetzt sind, wobei die Kathode eine Diffusionsbarriere trägt, um ein Arbeiten im Diffusionsgrenzstrombereich zu erzielen. Die Anode ist ohne eine solche Diffusionsbarriere dem Meßgas ausgesetzt, was zur Folge hat, daß an
dieser als Referenzelektrode dienenden Anode kein konstanter Sauerstoffpartialdruck herrscht, was für die Messung im
mageren Bereich nachteilig ist, da die Kennlinie bei Λ_ = 1 einen Stromsprung aufweist und nicht stetig aus dem Mageren ins Fette verläuft.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße polarographische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Schaffung einer internen Sauerstoffreferenz das Signal des Meßfühlers stetig aus dem Mageren ins Fette verläuft und in dieser Kurve kein Stromsprung mehr auftritt, wobei die Tatsache besonders hervorzuheben ist, daß diese Sauer stoffreferenz erreicht wird, ohne eine Verbindung zur Außenluft herstellen zu müssen. Diese Tatsache führt zu einer Vereinfachung im Aufbau des Meßfühlers und zu einer größeren Beweglichkeit in der Wahl des Einbauortes gegenüber solchen Meßfühlern, bei denen die Anode mit der Außenluft als Sauerstoffreferenz in Verbindung steht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und. Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, den die beiden Anoden verbindenden Kanal als poröse Schicht auszubilden, die mit einer gasdichten Schicht abgedeckt ist, wobei diese gasdichte Schicht über der Anode der ersten Zelle feine Löcher aufweist, die als Überdruckbegrenzung innerhalb der porösen Schicht dienen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 den Schnitt durch die Spitze eines erfindungsgemäßen Meßfühlers in Plättchenform, Figur 2 zeigt die Draufsicht von der Unterseite her und Figur 3 die Draufsicht von der Oberseite her.

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Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Meßfühler besteht aus einem Festelektrolytplättchen von beispielsweise 50 mm V 8 mm * 1 mm aus stabilisiertem Zirkondioxid. Dieses Plättchen trägt zwei Elektroden 2a und 2b, die entweder aus Platin oder aus einem Gemisch aus Platin und stabilisiertem Zirkondioxid bestehen, wobei dieses Zirkondioxid etwa Uo Vol.-# ausmacht. Diese aus den Elektroden 2a und 2b sowie dem Elektrolyten 1 bestehende erste Zelle stellt die eigentliche Meßzelle dar, an die eine Gleichspannung von einigen Volt gelegt wird d-srart, daß die Elektrode 2a die Kathode und die Elektrode 2b die Anode bildet. Die Kathode 2a ist vollständig von einer Poren oder Kanäle aufweisenden Schicht 7, einer sogenannten Diffusionsbarriere, von etwa 15 /um Dicke abgedeckt, die derart angeordnet ist, daß das Gas nur durch diese Diffusionsbarriere hindurch an die Kathode 2a gelangen kann. Die Diffusionsbarriere T besteht beispielsweise ebenfalls aus Zirkondioxid und weist eine solche Porosität auf, daß der aus der Kathode 2a und der Anode 2b sowie dem Festelektrolytkörper 1 gebildete Teil des gesamten Meßfühlers über einen möglichst weiten Bereich des Sauerstoffpartialdruckes im Grenzstrombereich arbeitet, Zur Bildung der zweiten Zelle trägt das Festelektrolytplättchen 1 in einigem Abstand von den Elektroden 2a und 2b zwei weitere Elektroden 3a und 3b, die in der gleichen Weise aufgebaut sind wie die zuvor genannten Elektroden. Bei dieser zweiten Zelle bildet die Elektrode 3a die Kathode und die Elektrode 3b die Anode. Zwischen den beiden Kathoden 2a und 3a ist zunächst eine isolierende Schicht 6a aus Aluminiumoxid aufgebracht, die ihrerseits eine Leiterbahn i+a trägt, die teilweise über die Elektroden 2a und 3a gezogen ist und diese elektrisch verbindet. Eine weitere Leiterbahn 5a ist an der Gegenseite der Elektrode 3a angebracht und übernimmt die elektrische Kontaktierung

der beiden Kathoden 2a und 3a. Zwischen den beiden Elektroden 2b und 3b befindet sich auf dem Festelektrolyten zunächst wieder eine isolierende Schicht 6b aus Aluminiumoxid, die eine weitere Leiterbahn Ub zur Kontaktierung der Elektrode 2b trägt, die aber nicht die Elektrode 3b berührt. Die Kontaktierung der Elektrode 3b erfolgt über eine weitere Leiterbahn 5b. Die Leiterbahnen könnnen ebenfalls aus Platin oder einem Platin-Zirkondioxid-Gemisch oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material bestehen. Über den Elektroden 2b und 3b sowie der Leiterbahn Ub befindet sich eine in hohem Maße poröse Schicht 8, die beispielsweise aus Aluminiumoxid mit einem hohem Anteil eines Porenbildners wie beispielsweise Ammoncarbonat bestehen kann. Diese poröse Schicht 8 ist mit einer gasdichten Schicht 9 aus einem rekristallisierenden Glas wie z. B. Erdalkalisilikatglas überzogen, wobei diese Schicht 9 um die Elektrode 2b herumgreift und bis auf den Festelektrolyten 1 reicht, während am anderen Ende auch ein Teil der Leiterbahn 5b mit dieser Schicht abgedeckt ist.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kathodenseite des plättchenförmigen Meßfühlers, während Figur 3 die Anodenseite zeigt. Es ist ersichtlich, daß die Elektroden 2a und 2b zentral an der Spitze des Meßfühlers angeordnet sind. Die Elektrode 3a ist als Ring und die Elektrode 3b als U ausgeführt. Aufgrund dieser Anordnung können die Leiterbahnen Ua und 5a in einem durchgehenden Band zusammengefaßt werden. Auf der Anodenseite verlaufen die Leiterbahnen Ub und 5b getrennt. Die Kathode 2a ist mit der Diffusionsbarriere 7 überdeckt. In Figur 3, die die Anodenseite zeigt, wurden die Schichten 8 und 9 weggelassen.

An die Leiterbahnen 5a und Ub wird eine Gleichspannungsquelle von etwa einem Volt angelegt, die den Diffusions-

grenzstrom zur Messung der Sauerstoffkonzentration zwischen den Elektroden 2a und 2b liefert. An die Leiterbahnen 5a und 5b vird eine weitere Gleichspannungsquelle von etwa einem Volt angelegt, und zwar derart, daß für beide Fälle an der Leiterbahn 5a der negative Pol der Gleichspannungsquellen liegt. Die Gleichspannungsquelle zwischen den Leiterbahnanschlüssen 5a und 5b verursacht nun einen sogenannten Pumpstrom, der dafür sorgt, daß Sauerstoffmoleküle von der Elektrode 3a in Form von Ionen durch den Festelektrolyten 1 hindurch zur Elektrode 3b wandern, dort wieder entladen werden und somit als Sauerstoffmoleküle zur Verfügung stehen. Diese Sauerstoffmoleküle, deren Angebot höher ist als an der Elektrode 2b, da die Elektrode 3a im Gegensatz zur Elektrode 2a keine Diffusionsbarriere aufweist und die Sauerstoffmoleküle des Meßgases daher ungehindert Zutritt zu der Elektrode 3a haben, wandern durch die poröse Schicht 8 bis an die Elektrode 2b, wo die feinen Löcher 10 einen Sauerstoffüberdruck verhindern. Es herrscht aber an der Elektrode 2b ein Sauerstoffüberschuß, so daß die aus den Elektroden 2a und 2b sowie dem Festelektrolyten 1 bestehende Zelle mit einem Sauerstoffüberschuß, d. h. einer Sauerstoffreferenz an der Elektrode 2b arbeiten kann, ohne daß eine Verbindung zum Sauerstoff der Außenluft geschaffen werden muß.

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Claims

6 A. 1983 Pf/Jä ROBERT BOSCH GMBH, TOOO Stuttgart 1 Ansprüche ν 1.JPolarographischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoff gehaltes in Gasen, der nach dem Grenzstromprinzip arbeitet, mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper (1), der eine zu einer ersten Zelle gehörige Anode (2b) und eine einem Meßgas ausgesetzte Kathode (2a) trägt, an die eine konstante Spannung anlegbar ist, wobei die Kathode (2a) durch eine Poren oder Kanäle aufweisende Schicht (T) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2b) über einen Kanal (8) mit der Anode (3b) einer zweiten Zelle in Verbindung steht, deren Kathode (3a) dem Meßgas direkt ausgesetzt ist, daß an die zweite Zelle (3a,

1. 3b) ebenfalls eine Spannung anlegbar ist, so daß an der Anode (2b) der ersten Zelle ein Sauerstoffüberschuß vorliegt.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (8) aus einer porösen Schicht gebildet ist, die mit einer gasdichten Schicht (9) abgedeckt ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichte Schicht (9) über der Anode (2b) als Überdruckbegrenzung wirkende feine Löcher (10) aufweist.

h. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (2a) und (3a) mit einer Leiterbahn (Ua) ver-

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bunden sind und einen gemeinsamen Leiterbahnanschluß (5a) aufweisen, während die Anoden (2b) und (3b) je einen Leiterbahnanschluß (Ub) bzw. (5b) aufweisen.

5. Meßfühler nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (Ua) und (Ub) durch Schichten (6a) und (6b) gegen den Festelektrolytkörper (1) elektrisch isoliert sind.