DE3010632C2

DE3010632C2 -

Info

Publication number: DE3010632C2
Application number: DE3010632A
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 7130 Muehlacker De Linder; Helmut 7143 Horrheim 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: 1980-03-20
Filing date: 1980-03-20
Publication date: 1987-07-16
Also published as: FR2478817B1; FR2478817A1; JPS56147054A; DE3010632A1; JPS634660B2; US4391691A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem polarographischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei derartigen polarographischen Meßfühlern, die nach dem Diffusionsgrenzstrom-Prinzip arbeiten, wird dieser Diffusionsgrenzstrom bei einer konstanten, an den beiden Elektroden des Meßfühlers anliegenden Spannung gemessen. Dieser Strom ist in einem mager eingestellten Abgas ( g < 1) von Verbrennungsvorgängen von der Sauerstoffkonzentration abhängig, solange 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. Solche Meßfühler sind zwar einfach im Aufbau und eignen sich daher für eine Fertigung in großen Stückzahlen, sie haben aber den Nachteil, daß ihre Anzeige sich aufgrund der Temperaturabhängigkeit des inneren Widerstandes des Festelektrolyten und aufgrund von Alterungserscheinungen der Elektroden ändert, d. h., daß sie eine Temperatur- und Zeitdrift aufweisen. Das führt dazu, daß derartige Meßfühler, wenn es um genaue Messungen des Sauerstoffgehaltes geht, von Zeit zu Zeit nachgeeicht werden müssen.

Aus der DE-OS 27 18 907 ist ein Meßfühler mit in Reihe geschalteten Zellen bekannt. Jedoch handelt es sich hier zum einen um einen potentiometrischen Meßfühler, zum anderen sind die Elektroden jeder Zelle verschiedenartig, nämlich katalytisch aktiv bzw. katalytisch inaktiv; schließlich dient die Reihenschaltung der Zellen hier der Erhöhung der Meßspannung. Eine Reihenschaltung von zwei Zellen zum Zwecke der Kompensierung einer Temperatur- und Zeitdrift bei einem polarographischen Meßfühler ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße polarographische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Temperatur- und Zeitdrift kompensiert wird, so daß die Anzeige unabhängig wird von der Änderung des inneren Widerstandes des Festelektrolyten mit der Temperatur und auch von Alterungserscheinungen, die an den Elektroden auftreten können. Daher ist eine wiederholte Nacheichung derartiger Meßfühler nicht mehr notwendig.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Festelektrolytkörper die Form eines Plättchens aufweist, wobei dieses in seinen Abmessungen und somit auch in seinem Volumen möglichst klein sein sollte, damit es, insbesondere bei Temperaturwechseln, eine möglichst überall gleiche Temperatur aufweist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Meßfühler im Schnitt, zusammen mit einer einfachen elektrischen Schaltung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der Meßfühler besteht aus einem Festelektrolyt-Plättchen 1 von beispielsweise 50 mm × 8 mm × 1 mm aus stabilisiertem Zirkondioxid. Dieses Plättchen trägt vier Elektroden 2, 3, 4 und 5, die entweder aus Platin oder aus einem Gemisch aus Platin und stabilisiertem Zirkondioxid bestehen, wobei dieses Zirkondioxid etwa 40 Vol.-% ausmacht. Über der als Kathode geschalteten Elektrode 2 befindet sich eine Diffusionsschicht 6 von etwa 15 µm Dicke, die derart angeordnet ist, daß das Gas nur durch diese Diffusionsschicht hindurch an die Kathode 2 gelangen kann. Die Diffusionsschicht 6 besteht beispielsweise ebenfalls aus Zirkondioxid und weist eine solche Porosität auf, daß der aus der Kathode 2 und der Anode 3 sowie dem Festelektrolytkörper 1 gebildete Teil des gesamten Meßfühlers über einen möglichst weiten Bereich des Sauerstoffpartialdruckes im Grenzstrombereich arbeitet. Die Elektroden 2, 3, 4 und 5 sowie die Diffusionsbarriere 6 können vorteilhaft durch Aufdrucken entsprechender Pasten aufgebracht werden.

Der Minuspol einer Gleichspannungsquelle 7 liegt an der Kathode 2, während der Pluspol an der Elektrode 4 liegt. In diesen Stromkreis ist ein Strommesser 8 eingezeichnet, mit dessen Hilfe der Grenzstrom gemessen werden kann, an dessen Stelle aber selbstverständlich auch Regeleinrichtungen treten können, die den Grenzstrom als Regelgröße verwenden. Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt und gehören nicht zur Erfindung. Die Elektroden 3 und 5 sind durch eine Leitung 9 miteinander verbunden, so daß die aus dem Festelektrolyten 1 sowie den Elektroden 2 und 3 gebildete Grenzstromsonde einerseits und die aus dem Elektrolyten 1 und den Elektroden 4 und 5 gebildete, als ohmscher Widerstand wirkende Zelle andererseits hintereinander geschaltet sind. Um die Spannung an den Elektroden 2 und 3 der Grenzstromsonde konstant zu halten, wird diese Spannung auf einen Differenzverstärker 10 gegeben, der die Spannungsquelle 7 über eine Regelung 11 so regelt, daß die Spannung an den Elektroden 2 und 3 konstant bleibt und auf einen Wert zwischen 500 und 1000 mV eingeregelt wird.

Da alle vier Elektroden 2, 3, 4 und 5 auf verhältnismäßig kleinem Raum immer der gleichen Gasatmosphäre ausgesetzt sind, ist es unmittelbar einzusehen, daß Effekte, die sich durch Alterung der Elektroden ergeben und zu einer Zeitdrift führen, durch diese Anordnung kompensiert werden. Aber auch die Temperaturdrift, die auf die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Festelektrolyten 1 zurückzuführen ist, wird durch diese Anordnung kompensiert, wie im folgenden schematisch gezeigt werden soll. Der Grenzstrom I _Gr der aus den Elektroden 2 und 3 und dem Festelektrolyten 1 gebildeten Zelle wächst ab einem bestimmten Grundwert I _{Gr, 0} mit steigender Temperatur, und zwar gemäß einer e-Funktion, so daß die folgende Gleichung gilt:

I _Gr = I _{Gr, 0} · e^a(T-T₀), (1)

wobei I _Gr der Grenzstrom bei der Temperatur T, I _{Gr, 0} der Grenzstrom bei der Temperatur T = T₀ und a eine Konstante bedeuten. Der sich durch den Innenwiderstand R des Festelektrolyten 1 zwischen den Elektroden 4 und 5 ergebende Spannungsabfall U _ref ergibt sich durch die Beziehung:

U _ref = I _Gr · R, (2)

wobei für die Temperaturabhängigkeit von R gilt:

R = R₀ · e^-a(T-T₀), (3)

das heißt, daß der Widerstand mit steigender Temperatur abfällt oder, anders gesagt, die Leitfähigkeit des Festelektrolyten 1 mit steigender Temperatur zunimmt, was allgemein bekannt ist. Faßt man nun die Gleichungen (1) bis (3) zusammen, so ergibt sich:

U _ref = I _{Gr, 0} · e^a(T-T₀) · R₀ · e^-a(T-T₀). (4)

Man sieht aus dieser Formulierung, daß bei der gewählten Anordnung der Spannungsabfall an den Elektroden 4 und 5 von der Temperatur unabhängig wird, so daß durch die Benutzung des zweiten Elektrodenpaars 4 und 5 mit dem dazwischenliegenden Elektrolyten 1 als Meßwiderstand mit Temperaturdriftkompensation eine temperaturunabhängige Messung möglich ist.

Selbst wenn der Exponent a in beiden Fällen der Gleichungen (1) und (3) nicht gleich ist, kann durch die entsprechende Wahl von R₀ (z. B. über die Elektrodengröße) eine Anpassung im entsprechenden Temperaturbereich vorgenommen werden.

Claims

1. Polarographischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, der nach dem Diffusionsgrenzstrom-Prinzip arbeitet, mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper, der eine erste Zelle mit einer Anode (3) und einer Kathode (2) trägt, an der eine angelegte Spannung konstant gehalten wird, wobei die Kathode (2) durch eine Poren oder Kanäle aufweisende Schicht (6) als Diffusionsbarriere bedeckt ist und beide Elektroden (2, 3) dem zu messenden Gas ausgesetzt sind, und der eine zweite Zelle trägt, die mit der ersten in Reihe geschaltet ist und deren Elektroden ebenfalls dem zu messenden Gas ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zelle ein Paar gleichartiger Elektroden (4, 5) trägt, das zusammen mit dem Festelektrolyten (1) ein System bildet, das als sauerstoffionenleitender ohmscher Widerstand wirkt.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytkörper (1) die Form eines Plättchens aufweist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (1) aus stabilisiertem Zirkondioxid und die Elektroden (2, 3, 4, 5) aus Platin oder aus einem Gemisch aus Platin und stabilisiertem Zirkondioxid bestehen.