DE1950196A1 - Sauerstoff-Messfuehler - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER 1950196

Patentanwalt
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Düsseldorf, 2. Okt. 1969

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6986

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

.Sauer st off-Meßfühler

.Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoff-Meßfühler mit einem hochtemperaturbeständigen festen Elektrolyten als Fühler oder Zelle. Das feste Elektrolytmaterial kann den in der US-Patentschrift 3 400 054 (R. Ruka et al) beschriebenen Aufbau haben. Ferner beschreibt die US-Patentschrift 3 347 767 (W. Hickam) den speziellen Aufbau eines Sauerstoff-Meßfühlers, bei dem derartige feste Elektrolytmaterialien Verwendung finden.

Wenngleich Meßvorrichtungen dieser Art genau arbeitende Instrumente darstellen, so ergeben sich doch insbesondere dann einige Probleme, wenn damit dynamische Messungen auf dem medizinischen Gebiet durchgeführt werden sollen. Es wurde beobachtet, daß die Sauerstoff-Meßfühler (oxygen sensors) auf Gasströmungswerte infolge von Temperaturgefällen und Druckänderungen ansprachen. Das von dem Meßfühler abgegebene Ausgangssignal ist von Schwankungen des Gesamtdrucks des Bezugsgases abhängig. Der Aufbau bisheriger Meßfühler war zerbrechlich, die Abdichtung kritisch.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Sauerstoff-'Meßfühlers mit Festelektrolyt, mit dem die Nachteile bisheriger Sauerstoff-Meßfühler vermieden werden.

0 0 9 816/1313

Telefon (0211) 3208 68

Telegramme Cuatopat

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Sauerstoff^Meßfühler mit einer Elektrolytzelle, die einen zwischen ersten und zweiten Elektroden angeordneten Elektrolyten aufweist, erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vorbeileiten eines ersten und eines zweiten Gasstromes an den ersten bzw. zweiten Elektroden sowie eine Einrichtung, um den Druck des ersten und des zweiten Gases im wesentlichen gleich groß zu halten.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen fe Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Sauerstoff-Heßfühlers nach der Erfindung; .

Fig. 2 einen Längsschnitt durch Fig. 1 längs der Linie II-II;

Fig. 3 in auseinandergezogener Darstellung teilweise im Schnitt eine perspektivische Ansicht des Sauerstoff-Meßfühlers der Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Aufbau der Festelektrolytplatte der Fig. 3 mit den zugeordneten Elektroden und Zuleitungsdrähten;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch" Fig. 4 längs der Linie V-V; und

■ Fig. 6 in vergrößertem Maßstab einen Ausschnitt aus Fig. 5,

der weitere Einzelheiten der Verbindung einer Elektrode mit einem zugehörigen Zuleitungsdraht erkennen läßt.

Im einzelnen ist mit den Fig. 1-3 der Gesamtaufbau eines Sauerstoff-Meßfühlers nach der Erfindung wiedergegeben. Dieser Meßfühler weist ein Außengehäuse 10 mit einem rohrförmigen Mantelteil 12 aus einem geeigneten Material wie Aluminium sowie einer rückwärti gen Endplatte 14 auf, die in das Gehäuse 10 eingesetzt ist und ein Ende des Mantelteiles abschließt. Die rückwärtige Endplatte 14 ist mit einer 0-Ringdichtung 16 versehen, die für eine hermetische Abdichtung zwischen dem Mantelteil 12 und der rückwärtigen Endplatte

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sorgt. Das andere Ende des Mantelteiles 12 ist ebenfalls mittels einer vorderen Endplatte 18 abgeschlossen, die ihrerseits mit einer O-Ilingdichtung 20 im Verhältnis zu dem Außengehäuse 10 hermetisch abgedichtet ist. An der vorderen Endplatte IS sind zwei Armaturen 24 und 23 angebracht, die als Einlaß für Gaszuleitungen 34 und 36 zvi dem 4ußengehruse K- dienen. Die Gaszuleitungen 34 und 36 sind an Platinröhrchen 28 bzw. 30 angeschlossen, deren Durchmesser etwa 0,5 ran (0,021 Inch) betragen kann.

Mittels einer geeigneten Armatur 40 (Fig. 1) ist ferner durch die Seitenwand der vorderen Endplatte 18 hindurch eine Auslaßleitung ⁱ 38 (Fig. 1, 2) angeschlossen, die durch die Viand des Gehäuses 10 hindurch in einen zentrisch angeordneten Auslaßkanal 42 übergeht. Auf der der Armatur 40 gegenüberliegenden Seite der vorderen Endplatte I" ist eine elektrische Verbindung 44 angebracht, über die elektrische Energie für die Heizung des Sauei^stoff-Meßfühlers zugeführt, außerdem elektrische Energie von der elektrolytischen Zelle des Sauerstoff-Meßfühlers abgenommen werden kann.

Eine massive elektrolytische Platte 50, wie sie mit Fig. 4 dargestellt ist, besteht aus einem geeigneten Material entsprechend der eingangs erwähnten US-Patentschrift 3 400 054 und kann insofern etwa aus einem Material wie mit Kalziumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid bestehen. Die Elektrolytplatte 50 ist mit zwei Elektroden 52 und 54 aus Platin ausgestattet. Die beiden Elektroden 52 und 54 sind in der mit Fig. 5 bzw. 6 wiedergegebenen Weise mit Zuleitungsdr^f;hten 5G bzw. 58 vereinigt. Die Zuleitungsdrnhte 56 und 5? bestehen aus etwa 0,2 mm (0,CC° Inch) starkem Platindraht, der durch eine entsprechende Öffnung in der Elektrolytplatte 50 geführt und durch Verdrillung festgelegt ist. Die Öffnung der Elektrolytplatte 50 wird vor dem Einführen eines Drahtes 56 bzw. 58 mit einer nastenförmigen Platinmasse ausgeschmiert. Nach der Verdrillung der Drähte 56 und 58 wird eine zweite Schicht aus pastenförmiger Platinmasse aufgebracht, die dann eine Abdeckschicht 51 bildet unddimit einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Draht 56 bzw. 58 und der Elektrode 52 bzw. 54 gewährlei-

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Die Elektrolytplatte 5Ö ist sandwichartig zwischen zwei Zellenhälften 60 und 62 eingeschlossen, wie das mit Fig. 3 angedeutet ist. Die Zellenhälften 60 und 62 bestehen aus einem geeigneten Material' mit ausreichend großem elektrischen Widerstand und hoher Temperaturbeständigkeit wie etwa Lava. Die Zellenhnlften 60 und 62 werden normalerweise geformt und bearbeitet und dann vor dem Zusammenbau ausgebacken. Die beiden Zellenhälften GG und 62 entsprechen in ihrer Form der Darstellung der Fig. 3 und sind durch eine zylindrische Außenfläche 64 sowie eine ebene Innenfläche 66 begrenzt. An der ebenen Innenfläche 66 ist eine flache nutartige Ausnehmung 68 vorgesehen, durch die das Gas an der Elektrode 54 vorbeiströmen

fe kann, ähnlich ist die ebene Innenfläche der Zellenhälfte 60 mit einer flachen nutartigen Ausnehmung 70 ausgestattet, durch die das Gas an der Elektrode 52 vorbeiströmen kann. Die Zellenhnlfte 62 weist ferner eine kanalartige Längsöffnung 78 auf, in der sich das Platinröhrchen 28 erstreckt, das die eindringende Luft zu einem kleinen, zu der Längsachse quergerichteten Durchlaß 82 leitet, der die eingedrungene Luft bzw. das eingedrungene Gas von der öffnung 78 zu der flachen nutartigen Ausnehmung 68 gelangen läßt. Entsprechend ist in dem oberen Bereich der Zellenhälfte 60 eine kanalartige Längsöffnung8O vorgesehen, durch die sich das Platinröhrchen 30 erstreckt, das über einen' ebenfalls zu der Längsachse quergerichteten Durchlaß 34 mit der flachen nutartigen Ausnehmung 70 in Verbindung steht und so das zugeführte Gas längs der Elektrode 52

P strömen läßt.

Im zusammengebauten Zustand werden die beiden Zellenhälften 60 und 62 zusammen mit der Elektrolytplatte 50 in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise von einem Rohrstück "6 aufgenommen, das aus einem ähnlichen Material wie die Zellenhälften 60 und 62 bestehen und mit einer Heizwicklung 88 für. die Zufuhr der notwendigen Hitze zu dem Meßfühler ausgestattet sein kann. Die normale Arbeitstemperatur liegt bei 850 ⁰C.

Wie mit Fig. 2 gezeigt, sind drei im Aufbau ähnliche Muffenstücke 90, 92 und 94 für die Abstützung der Sauerstoff-MeßfühlereelIe vorgesehen. Diese Muffenstücke 90, 92 und 94 sind in der darge-

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stellten Weise aneinandergefügt und enthalten einen mittleren Kanal 96, über den Luft in den Auslaßkanal 42 und die Auslaßleitung 38 abgeführt werden kann. Die Muffenstücke 90, 92 und 94 können durch ein Bindemittel im Verhältnis zueinander festgelegt sein, während das Muffenstück 90 normalerweise einfach an die Zellenhnlfteii GO und 62 angepaßt ist. Die Zuleitungsdrähte 56 und 50 laufen durch den mittleren Kanal 96, wobei der Zuleitungsdraht 56 durch einen Isoliermantel 98 abgedeckt sein kann. Das Huffenstüek 94 faßt in eine Zwischenhülse ICO, die ihrerseits in einen Ansatz 102 der vorderen Endplatte 18 eingreift. Die Zuleitungsdi'ähte 56 und 5Π können durch eine Öffnung in der Zwischenhülse 100 geführt sein und sind an die elektrische Verbindung 44 angeschlossen. Die Muffenstücke 90, 92 und 94 enthalten ferner Öffnungen 106 und 108, durch die sich die Platinröhrchen 28 und 3ü erstrecken. Weitere Längskanäle 110 und 112 können für die Aufnahme von Temperaturfühlern in Nähe der Sauerstoff-Meßfühlerzelle dienen. Ein aus dem gleichen Material wie die.Zellenhälften 60 und 62 bestehendes Hülsenrohr 114 kann den gesamten Aufbau aus Zellhälften und Muffenstücken zusammen mit einer Abdeckkappe 116 einfassen. Das Hülsenrohr 114 ist von einem Isoliermaterial 115 umgeben, das den freien Raum zwischen dem Hülsenrohr 114 und dem Äußengehäuse 10 ausfüllt.

Die Stellen, an denen die Zuleitungsdrähte 56 und 58 durch die Zwischenhülse 100 geführt sind, dienen gleichzeitig als Auslaß für in dem Isoliermaterial 115 und in dem Ringraum zwischen dem Hülsenrohr 114 und der Meßfühlerzelle enthaltene Gase. Auf diese Weise wird Leckage von den Ausnehmungen 68 und 70 abgezogen und eine Beeinträchtigung des Meßergebnisses verhindert.

Bei Betrieb des Meßfühlers nach der Erfindung wird die Heizwicklung 88 mit entsprechender Energie (von etwa 20 V/) gespeist, so daß das rtohrstück 86 sich auf einer Temperatur voaetwa 850 °C befindet, über eine der beiden Gaszuleitungen 34 oder 36 wird atmosphärische Luft oder ein anderes bekanntos Bezugsgas zugeführt. Dabei können beide Zuleitungen bzw. Armaturen verwendet werden, wobei eine Vertauschung der Bezugs- und der Meßgröße jedoch eine Polaritätsumkehr des abgegebenen Ausgangssignals mit sich bringt. Zur Erhöhung

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der Genauigkeit kann es zweckmäßig*sein, die atmosphärische Luft zunächst durch ein Trockenmittel zu leiten. In der als Bezugsgröße dienenden atmosphärischen Luft ist ein Sauerstoffanteil von 20,99 % enthalten.

Die andere Zuleitung kann zur ^:'?berwaehung der Atmung einer Untersuchungsperson oder zur Auswertung eines unbekannten Gases und damit als Meßleitung dienen. Das Meßgas strömt dann an der einen Elektrode 52 oder 54 vorbei, v/ährend das Bezugsgas an der anderen Elektrode 54 oder 52 vorbeigeleitet wird. Die Auslaßleitung 3'ß ist mit einem Absaugsystem verbunden, das einen Vakuumdruck von etwa 200 mm Hg aufbaut, so daß eine gleichmäßige Strömung sowohl des Bezugs- als auch des Meßgases längs der entsprechenden Elektroden sichergestellt ist.

Die mit den Elektroden 52 bzw. 54 verbundenen Zuleitungsdrähte 56 bzw. 58 sind an ein geeichtes Instrument angeschlossen, das die von der Zelle erzeugte Spannung mißt. Die Ausgangsspannung der Zelle ist dem Logarithmus von TB/TA proportional, wobei TA der auf die eine Elektrode einwirkende, TB dagegen der auf die andere Elektrode einwirkende partiale Sauerstoffdruck ist. Die Spannung wird durch den Transport der Sauerstoffionen in der massiven Elektrolytplatte erzeugt, so daß sich eine lediglich auf Sauerstoff ansprechende Zelle ergibt. In der oben erläuterten Weise wird eine Anzeige der Sauerstoffmenge, die in dem zugeführten Meßgas enthalten ist, mittels des Eichinstrumentes registriert. Der erfindungsgemäße Meßfühler eignet sich infolge seines Aufhaus auch dazu, mehrere gesonderte Zellen in einer Einheit unterzubringen, die dann unabhängig voneinander betrieben und angeschlossen oder aber auch in Reihe geschaltet sein können, um ein Ausgangssignal erhöhter Intensität zu erhalten. Darüber hinaus können auchtnehrere Elektroden in Reihe Verwendung finden, um einen höheren--Störpegelabstand zu erhalten..'

Patentansprüche:

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Claims (1)

1950136

— ι —

ate η t a η s ρ r ü c h c

1J Sauerstoff-Meßfühler mit einer ."lektrolytzelle, die einen zwischen ex'sten und zweiten Elektroden angeordneten Elektrolyten aufweist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vorbeileiten eines ersten und eines zweiten Gasstromes an den ersten bzw. zweiten Elektroden sowie eine Einrichtung, um den Druck dos ersten und des zweiten Gases im wesentlichen gleich groß zu halten.

2» Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine feste, ebene Platte (50) ist, längs der sich auf gegenüberliegenden Seiten eine erste Elektrode (52) und eine zweite Elektrode (54) erstrecken.

0. Meßfühler nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die .ünrichtung zum Vorbeileiten eines ersten und zweiten Gasstx'OMos einen ersten und einen zweiten UXnIa¹J zu einem ersten bzw. zweiten Durchgangskanal aufweist und daß die Durchgnngskannle .jeweils teilweise durch eine Oberfläche der ebenen Elektrolytplatte (50) begrenzt sind, außerdem an einem Ende der Elektrolytplatte (50) in einen gemeinsamen Absaugraum ausmünden. '

'". Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Absaugraum die Elektrolytzelle vollkommen umgibt und dabei eine Mischung der ersten und z\veiten Gase im Bereich der Elektroden (52, 54) verhindert·.

5. Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektroden (52, 54) ,jeweils ZuleitungsdrShte- (56, 58) zur Messung der elektrolytischen Zellenspannung befestigt sind.

KN/sch 3

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Leers ei t e