DE2703689A1

DE2703689A1 - Sauerstoffsonde

Info

Publication number: DE2703689A1
Application number: DE19772703689
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl Phys Koertvelyessy
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1977-01-29
Filing date: 1977-01-29
Publication date: 1978-08-03

Description

Fl SAUERSTOFFSONDE
Zweck dieser Erfindung ist die Messung des Sauerstoffinhaltes in einem Gas, durch ein Zirkonoxyd-Festkörperelektrolit. Diese neue Sauerstoffsonde ist reparierbar durch Verwendung austauschbarer Bauelemente, und ist gleichzeitig stabiler als die bisher bekannten Sonden.
Diese Erfindung ermöglicht auch für unerfahrene Leute die defekten Teile der Sauerstoffsonde auszutauschen, also die Kosten der Gasanalyse werden dadurch stark gesenkt.
Der Stand der Technik der Gasanalyse ist jetzt die Messung durch Infrarot-Absorbtion der asymetrischen Moleküle; Messung durch paramagnetische Susceptibilität oder die Messung durch Massenspektrometer.
In den letzten Jahren ist auch die Verbreitung der Zirkonoxyd-Sauerstoffsonde zu beobachten. Diese Sonden bestehen aus einem stabilisierten Zirkonoxyd oder Gefäß, dessen innere und äußere Oberfläche mit je einer Platinelektrode versehen ist. Über etwa 4000C liefert diese Sonde elektrische Spannung, wenn die Sauerstoffkonzentration innerhalb und ausserhalb des Rohres unterschiedlich ist. Normalerweise ist das Rohrinnere mit Luft als Referenzgas gespült und gibt das zu messende Gas das Zirkonoxyd-Rohr um.
Diese Ausführung ist seit Jahrzehnten bekannt. Es gibt kein Messgerät, das so einfach das Gas analysieren könnte, wie diese Sauerstoffsonde, trotzdem ist die Anwendung der Sauerstoffsonde immer noch nicht durchgesetzt.
Die Ursachen der zögernden Verbreitung der Sauerstoffsonde sind die hohen Kosten, Instabilität und die unterschiedlichen Kennkurven der einzelnen Sonden.
Diese Rfindung löst alle 3 Probleme mit einem Konzept: mit der Austauschbarkeit.
Für die Austauschbarkeit der einzelnen Bauelemente der Sauerstoffsonde waren folgende konstruktive Verbesserungen notwendig: Die Instabilität der bisher bekannten Sauerstoffsonden hat nach unseren Erfahrungen mehrere Gründe, die alle zu der Instabilität der Kontaktierung der Elektroden führten.
Wichtigste Ursache der Instabilität ist die Verschmutzung und Ablösung der äusseren Elektrode von der Zirkonoxyd-Oberfläche. Hier sind schon viele Lösungen gescheitert, die die Elektrode an die Oberfläche gedampft, gedrückt galvanisiert haben.
Alle diese bekannten Lösungen haben eines gemeinsam: Die Sammlung der Sauerstoffionen auf der Zirkonoxyd-Oberfläche. (Hier sollte man erwähnen, daß Sauerstoffsonden auch von anderen Metalloxyden herstellbar sind.) Nach unserer Erfahrung ist die Stabilisierung hier dadurch zu erreichen, daß die äußere Elektrode aus zwei Teilen besteht. Ein Teil ist auf der Oberfläche als Netz oder Folie, der zweite Teil ist aber unter der Oberfläche eingesintert. Dieser erfindungsgemässe Teil besteht aus feinem "Drahthaar", z.B. aus einem oder mehreren o,5 bis 500 Mikrometer starken Drähtchen oder Bändchen. Ein Teil dieser Drähtchen oder Bändchen -mindestens o,2 bis 5 Millimeter lang- ist im Zirkonoxyd eingesintert, der andere Teil -mindestens o,3 bis 10 Millimeter lang- ragt heraus.
Als Material für dieses "Drahthaar" kommen vorzugsweise Platinrhodium oder andere Edelmetalle in Frage. Besonders günstig ist die Verwendung von Platin mit 30 % Rhodium.
Diese zwei Teile der oben beschriebenen Elektrode sind leicht miteinander in metallischen Kontakt zu bringen. Nach unseren Erfahrungen kann Schmutz nur in einigennMillimetern tief ins Zirkonoxyd eindringen, also die hier vorgeschlagene eingesinterten Drähtchen werden immer gute und reproduzierbare Kontaktierung mit dem Zirkonoxyd-Rohr haben.
Die Instabilität der inneren Elektrode ist nach unseren Erfahrungen auf eine ungenügende Luftspülung zurückzuführen.
Die verwendeten keramischen Rohre oder Kapillare werden oft auch für die Isolierung der inneren Elektrode oder des Thermoelements benutzt. Die schmalen Röhrchen brechen oft und die Kapillare werden oft verstopft.
Wenn die Luft nicht bis zur inneren Elektrode gelangen kann, verschmutzt diese Elektrode und die Verschmutzung führt zu einer Instabilität.
Diese Instabilität wird erfindungsgemäss so ausgeschaltet, daß für die Isolierung der Elektroden und Thermoelemente und für die Zuführung der Luft ein einziges Kapillar verwendet wird, das 3 oder mehrere Bohrungen hat. Die Luftspülung wird durch eine ganz leere Bohrung bis zur inneren Elektrode gebracht. So bleibt die innere Elektrode immer blank und die Kontaktierung stabil Die Luftzufuhr muss also auf das oben geschriebenen Kapillar eine Anschlußmöglichkeit haben, z.B. in Form eines eingeklebten Röhrchens oder eingesteckten Konus am Ende der freien Bohrung.
Durch diese Verbesserung wurde die Sauerstoffsonde austauschbar. Die abgegebene Spannung hängt nicht mehr von der Herstellung und von dem Verschmutzungsgrad der Kontaktierung ab.
Bei einem Thermoschock kann das Zirkonoxyd-Rohr brechen.
Bei der erfindungsgemässen Sauerstoffsonde ist es erstmals möglich die Sonde in diesem Fall auseinanderzunehmen, die kaputten Teile gegen neue Teile auszutauschen und dann die Sonde wieder zusammenzubauen ohne die Sonde nochmals eichen zu müssen.
Dieses Auseinanderbauen wird dadurch erleichtert, daß die Metalloxyd-Rohre und Kapillare, Drähte und Thermoelemente, Luftzufuhr- und Luftabfuhr-Röhrchen alle in einer elastischen Dichtung zentriert und untergebracht sind.
Diese elastische Fassung gleicht die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Teile der Sauerstoffsonde aus, dichtet gegen zu messende Gase und hält im Kopf der Sonde alle Bestandteile elastisch.
Ein Beispiel für die oben beschriebene reparierbare Sauerstoffsonde ist in Figur 1 veranschaulicht.
In Figur 1 bedeutet 1 das Zirkonoxyd-Rohr, 2 die äußere Elektrode, 3 deren Leitung, 4 die innere Elektrode, 5 deren Leitung, 6 das Schutzrohr mit ein oder mehreren Fenstern, die hier mit 7 bezeichnet sind (poröses Schutzrohr ist auch verwendbar), 8 ist das Kapillar mit drei oder mehreren Bohrungen, mit 9 sind die teils eingesinterten, teils herausragenden Drahthärchen bezeichnet, 10 ist das Thermoelement, 11 ist das Luftzuflußrohr, 12 ist das Luftabflußrohr, 13 ist die elastische Dichtung, 14 ist eine Presssplatte, die die 13 Gummidichtungen auf das 1 Rohr und 8 Kapillar drückt, wenn diese Preissplatte auf dem 15 Halter befestigt ist, 16 ist das Halterohr, in dem das 6 Schutzrohr mit Kleber oder Zement oder auf andere Weise befestigt ist.
Leerseite

Claims

Patentansprche: Q Sauerstoffsonde bestehend aus stabilem Zirkonoxyd- oder anderem Metalloxyd-Rohr oder Gefäß, mit einer inneren und einer äußeren Elektrode und mit Referenzgasspülung dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß in der äußeren Schicht des Zirkonoxyd-Rohres unter der Elektrodenoberfläche feine Platinrhodium- oder andere(EdelmetalXdrähtchen mit einem Durchmesser von o,5 bis 500 Mikrometer eingesintert sind, so daß ein Teil der Drähtchen -mindestens o,2 bis 5 Millimeter lang- sich im Zirkonoxyd befindet und ein Teil der Drähtchen -mindestens o,3 bis 10 Millimeter lang- aus der Metalloxydoberfläche herausragt.
2. Sauerstoffsonde im Patentanspruch 1 definiert: dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Referenzgaszuleitung innerhalb des Metalloxyd-Rohres ein Kapillar mit 3 oder mehr Bohrungen ist und der Referenzgasanschluß in einer der leeren Bohrung mit eingeklebten Röhrchen, durch eingesteckten Konus oder auf andere Weise ermöglicht ist.
3. Sauerstoffsonde im Patentanspruch 1 und/oder 2 definiert: dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das im Patentanspruch 1 definierte Metalloxyd-Rohr und das im Patentanspruch 2 definierte Kapillar mit einer elastischen Dichtung befestigt ist.