DE3315654C2

DE3315654C2 -

Info

Publication number: DE3315654C2
Application number: DE3315654A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 7130 Muehlacker De Linder; Helmut 7143 Vaihingen De Maurer; Klaus Dr. 7146 Tamm De Mueller; Franz Ing.(Grad.) 7080 Aalen De Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-04-29
Filing date: 1983-04-29
Publication date: 1990-11-22
Also published as: DE3315654A1; JPH0556464B2; US4496455A; JPS59208454A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem polarographischen Meß fühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei derartigen polarographischen Meßfühlern, die nach dem Diffusionsgrenz stromprinzip 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 messen den Gas ausgesetzt sind, wobei die Kathode eine Diffusions barriere trägt, um ein Arbeiten im Diffusionsgrenzstrombe reich zu erzielen. Die Anode ist ohne eine solche Diffusions barriere 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.

Der fertigungstechnisch einfach aufgebaute polarographische Meßfühler, bei dem sowohl Anode als auch Kathode dem zu messenden Gas ausgesetzt sind, hat den Nachteil, daß seine Anzeige einer Temperatur- und Zeitdrift unterliegt und daher eine regelmäßige Nacheichung notwendig ist.

Zum Zwecke der Kompensation dieser Temperatur- und Zeitdrift wird in der DE-OS 31 04 986 ein Meßfühler vorgeschlagen, der auf dem gleichen Festelektrolytkörper zusätzlich zu der aus Anode und mit Diffusionsbarriere abgedeckter und dem Meßgas ausgesetzter Kathode bestehenden Meßzelle ein zweites System, bestehend aus Anode und Kathode trägt, dessen Kathode einem Referenzgas mit konstantem Sauerstoffpartialdruck, vorzugsweise Luft, ausgesetzt ist.

Der polarographische Meßfühler gemäß der DE-OS 31 04 896 ist als Breitbandsensor einsetzbar, wenn mindestens eine, vorzugsweise aber beide Anoden dem Referenzgas ausgesetzt werden, wodurch das Signal des Meßfühlers stetig aus dem Mageren ins Fette verläuft und in dieser Kurve kein Stromsprung mehr auftritt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße polarographische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß durch die Schaffung einer in ternen Sauerstoffreferenz eine Sauerstoffreferenz er reicht wird, ohne eine Verbindung zur Außenluft herstel len zu müssen. Diese Tatsache führt zu einer Vereinfachung im Aufbau des Meßfühlers und zu einer größeren Beweglich keit in der Wahl des Einbauortes gegenüber solchen Meß fühlern, bei denen die Anode mit der Außenluft als Sauer stoffreferenz in Verbindung steht.

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

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Schnitt durch die Spitze eines er findungsgemäßen Meßfühlers in Plättchenform,

Fig. 2 zeigt die Draufsicht von der Unterseite her und

Fig. 3 die Draufsicht von der Oberseite her.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Meßfühler besteht aus einem Festelektrolytplättchen 1 von beispielsweise 50 mm×8 mm×1 mm aus stabilisiertem Zirkondioxid. Dieses Plättchen trägt zwei Elektroden 2 a und 2 b, die entweder aus Platin oder aus einem Gemisch aus Platin und stabilisiertem Zirkondioxid bestehen, wobei dieses Zirkondioxid etwa 40 Vol.-% ausmacht. Diese aus den Elektroden 2 a und 2 b sowie dem Elektrolyten 1 bestehende erste Zelle stellt die eigentliche Meßzelle dar, an die eine Gleichspannung von einigen Volt gelegt wird derart, daß die Elektrode 2 a die Kathode und die Elektrode 2 b die Anode bildet. Die Kathode 2 a ist vollständig von einer Poren oder Kanäle aufweisenden Schicht 7, einer soge nannten Diffusionsbarriere, von etwa 15 µm Dicke abge deckt, die derart angeordnet ist, daß das Gas nur durch diese Diffusionsbarriere hindurch an die Kathode 2 a ge langen kann. Die Diffusionsbarriere 7 besteht beispiels weise ebenfalls aus Zirkondioxid und weist eine solche Porosität auf, daß der aus der Kathode 2 a und der Anode 2 b 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 Festelektrolyt plättchen 1 in einigem Abstand von den Elektroden 2 a und 2 b zwei weitere Elektroden 3 a und 3 b, die in der gleichen Weise aufgebaut sind wie die zuvor genannten Elektroden. Bei dieser zweiten Zelle bildet die Elektrode 3 a die Katho de und die Elektrode 3 b die Anode. Zwischen den beiden Kathoden 2 a und 3 a ist zunächst eine isolierende Schicht 6 a aus Aluminiumoxid aufgebracht, die ihrerseits eine Leiterbahn 4 a trägt, die teilweise über die Elektroden 2 a und 3 a gezogen ist und diese elektrisch verbindet. Eine weitere Leiterbahn 5 a ist an der Gegenseite der Elektrode 3 a angebracht und übernimmt die elektrische Kontaktierung der beiden Kathoden 2 a und 3 a. Zwischen den beiden Elek troden 2 b und 3 b befindet sich auf dem Festelektrolyten zunächst wieder eine isolierende Schicht 6 b aus Aluminium oxid, die eine weitere Leiterbahn 4 b zur Kontaktierung der Elektrode 2 b trägt, die aber nicht die Elektrode 3 b be rührt. Die Kontaktierung der Elektrode 3 b erfolgt über eine weitere Leiterbahn 5 b. Die Leiterbahnen können eben falls aus Platin oder einem Platin-Zirkondioxid-Gemisch oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material be stehen. Über den Elektroden 2 b und 3 b sowie der Leiterbahn 4 b befindet sich eine in hohem Maße poröse Schicht 8, die beispielsweise aus Aluminiumoxid mit einem hohem Anteil eines Porenbildners wie beispielsweise Ammoncarbonat be stehen kann. Diese poröse Schicht 8 ist mit einer gas dichten Schicht 9 aus einem rekristallisierenden Glas wie z. B. Erdalkalisilikatglas überzogen, wobei diese Schicht 9 um die Elektrode 2 b herumgreift und bis auf den Festelektrolyten 1 reicht, während am anderen Ende auch ein Teil der Leiterbahn 5 b mit dieser Schicht abgedeckt ist.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Kathodenseite des plättchenförmigen Meßfühlers, während Fig. 3 die Anoden seite zeigt. Es ist ersichtlich, daß die Elektroden 2 a und 2 b zentral an der Spitze des Meßfühlers angeordnet sind. Die Elektrode 3 a ist als Ring und die Elektrode 3 b als U ausgeführt. Aufgrund dieser Anordnung können die Leiterbahnen 4 a und 5 a in einem durchgehenden Band zusam mengefaßt werden. Auf der Anodenseite verlaufen die Lei terbahnen 4 b und 5 b getrennt. Die Kathode 2 a ist mit der Diffusionsbarriere 7 überdeckt. In Fig. 3, die die Anoden seite zeigt, wurden die Schichten 8 und 9 weggelassen.

An die Leiterbahnen 5 a und 4 b wird eine Gleichspannungs quelle von etwa einem Volt angelegt, die den Diffusions grenzstrom zur Messung der Sauerstoffkonzentration zwi schen den Elektroden 2 a und 2 b liefert. An die Leiterbahnen 5 a und 5 b wird eine weitere Gleichspannungsquelle von etwa einem Volt angelegt, und zwar derart, daß für beide Fälle an der Leiterbahn 5 a der negative Pol der Gleichspannungs quellen liegt. Die Gleichspannungsquelle zwischen den Lei terbahnanschlussen 5 a und 5 b verursacht nun einen soge nannten Pumpstrom, der dafür sorgt, daß Sauerstoffmole küle von der Elektrode 3 a in Form von Ionen durch den Festelektrolyten 1 hindurch zur Elektrode 3 b wandern, dort wieder entladen werden und somit als Sauerstoffmoleküle zur Verfügung stehen. Diese Sauerstoffmoleküle, deren An gebot höher ist als an der Elektrode 2 b, da die Elektrode 3 a im Gegensatz zur Elektrode 2 a keine Diffusionsbarriere aufweist und die Sauerstoffmoleküle des Meßgases daher ungehindert Zutritt zu der Elektrode 3 a haben, wandern durch die poröse Schicht 8 bis an die Elektrode 2 b, wo die feinen Löcher 10 einen Sauerstoffüberdruck verhindern. Es herrscht aber an der Elektrode 2 b ein Sauerstoffüber schuß, so daß die aus den Elektroden 2 a und 2 b sowie dem Festelektrolyten 1 bestehende Zelle mit einem Sauerstoff überschuß, d. h. einer Sauerstoffreferenz an der Elektrode 2 b arbeiten kann, ohne daß eine Verbindung zum Sauerstoff der Außenluft geschaffen werden muß.

Claims

1. Polarographischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauer stoffgehaltes in Gasen, der nach dem Grenzstromprinzip arbeitet, mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektro lytkörper (1), der eine zu einer ersten Zelle gehörige Anode (2 b) und eine einem Meßgas ausgesetzte Kathode (2 a) trägt, an die eine konstante Spannung anlegbar ist, wobei die Kathode (2 a) durch eine Poren oder Kanäle aufweisende Schicht (7) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (2 b) über einen Kanal (8) mit der Anode (3 b) einer zweiten Zelle in Verbindung steht, deren Kathode (3 a) dem Meßgas direkt ausgesetzt ist, daß an die zweite Zelle (3 a, 1, 3 b) ebenfalls eine Spannung anlegbar ist, so daß an der Anode (2 b) der ersten Zelle ein Sauerstoffüberschuß vor liegt.

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 (2 b) als Überdruck begrenzung wirkende feine Löcher (10) aufweist.

4. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (2 a) und (3 a) mit einer Leiterbahn (4 a) ver bunden sind und einen gemeinsamen Leiterbahnanschluß (5 a) aufweisen, während die Anoden (2 b) und (3 b) je einen Lei terbahnanschluß (4 b) bzw. (5 b) aufweisen.

5. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (4 a) und (4 b) durch Schichten (6 a) und (6 b) gegen den Festelektrolytkörper (1) elektrisch iso liert sind.