DE3820881A1

DE3820881A1 - Apparatus for measuring the oxygen partial pressure

Info

Publication number: DE3820881A1
Application number: DE19883820881
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Bieler & Lang GmbH
Current assignee: Bieler & Lang GmbH
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1989-12-28

Abstract

The invention relates to an apparatus for measuring the oxygen partial pressure or the oxygen content in gases, in which the gas to be measured is compared on a zirconium dioxide disc as a solid electrolyte with a reference gas present in a closed space and the pressure of the reference gas is automatically maintained at the desired level by means of a pressure switch. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Sauer stoff-Partialdruckes bzw. des Sauerstoff-Gehalts in Gasen, bei der die eine Seite einer Zirkondioxydscheibe als ionenleitender Festelektrolyt, beheizt auf ca. 650°C, mit einem Referenzgas, wie zum Beispiel Luft mit einem Druck p ₂=1013 mbar,und die andere Seite mit dem zu messenden Gas mit einem Druck p ₁ beaufschlagt wird und beide Seiten der Zirkondioxydscheibe mit Platin beschichtet sind, wobei die dem Sauerstoff-Gehalt entsprechenden Ströme an den Platin-Schichten als Elektroden abgegriffen werden.The invention relates to a device for measuring the oxygen partial pressure or the oxygen content in gases, in which the one side of a zirconia disk as an ion-conducting solid electrolyte, heated to about 650 ° C, with a reference gas, such as air with a Pressure p ₂ = 1013 mbar, and a pressure p _{1 is} applied to the other side with the gas to be measured and both sides of the zirconium dioxide disc are coated with platinum, the currents corresponding to the oxygen content being tapped off at the platinum layers as electrodes .

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Messung des Sauerstoff- Gehaltes von Gasen bekannt geworden. Bei einer üblichen Vor richtung (DE-OS 35 43 818 Al) wird als Referenzgas Luft mit einem Sauerstoff-Anteil von 20,9% und einem Partialdruck des Sauerstoffs von 209 mbar verwendet, welche die eine Seite der Zirkondioxydscheibe beaufschlagt. Der Nachteil besteht darin, dass nur an wenigen Tagen im Jahr ein Luftdruck von 1013 mbar vorhanden ist.There are various devices for measuring the oxygen Content of gases. With a usual pre direction (DE-OS 35 43 818 Al) air is used as the reference gas an oxygen content of 20.9% and a partial pressure of Oxygen of 209 mbar is used, which is one side of the Zirconia disc applied. The downside is that only a few days a year an air pressure of 1013 mbar is available.

Es ist daher vorgeschlagen worden (DE-OS 36 33 194 Al), aus einer das zu messende Gas enthaltenden Kammer den Sauerstoff selektiv mittels eines Festelektrolyten abzupumpen und das dann in der Kammer erhaltene Gas mit dem zu messenden Gas zu vergleichen, wodurch im Sensor eine Spannung erzeugt wird, welche dem Sauer stoffgehalt des zu messenden Gases entspricht. Der Aufwand ist aber nicht bei der Herstellung des Sensors sondern auch bei der Auswertung der Meßwerte beträchtlich, weil meist Mikrocomputer verwendet werden müssen.
It has therefore been proposed (DE-OS 36 33 194 Al) to selectively pump out the oxygen from a chamber containing the gas to be measured by means of a solid electrolyte and to compare the gas then obtained in the chamber with the gas to be measured, which results in a sensor in the sensor Voltage is generated which corresponds to the oxygen content of the gas to be measured. However, the effort is not considerable in the manufacture of the sensor but also in the evaluation of the measured values, because mostly microcomputers have to be used.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu vermeiden und eine Möglichkeit zu schaffen, das Referenzgas in einen ge schlossenen Raum, welcher mit der Zirkondioxydscheibe verbunden ist, und unter stets gleichem Druck, der einstellbar ist, zu halten.The present invention is therefore based on the object to avoid the disadvantages of the known devices and a way to create the reference gas in a ge closed room, which is connected to the zirconium dioxide disc and always under the same pressure that is adjustable hold.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß an der einen Seite der Zirkondioxydscheibe ein geschlossener Raum angeordnet ist, in dem mit einem einstellbaren Druckschalter ein Druck p₂ aufrecht erhalten wird und das Referenzgas in dem geschlossenen Raum vorhanden ist.The solution to this problem is that a closed space is arranged on one side of the zirconium dioxide disc, in which a pressure p ₂ is maintained with an adjustable pressure switch and the reference gas is present in the closed space.

Vorteilhaft besteht der größte Teil des geschlossenen Raums aus einer Kapillaren.Most of the enclosed space is advantageous from a capillary.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht vor allem darin, daß der Druck p ₂ des Referenzgases immer gleichbleibend auf dem am Druckschalter eingestellten Wert verharrt oder nach gebessert wird. Weiter kann man mit geringsten Mengen des Re ferenzgases auskommen, da der geschlossene Raum wegen der Ka pillaren nur ein sehr kleines Volumen besitzt. Man kann natür lich auch andere Gase messen, wenn man ein anderes Referenzgas verwendet, wobei gegebenenfalls als ionenleitender Festelektro lyt ein anderes Material als Zirkondioxyd verwendet wird, welches bessere Ergebnisse bringt.The advantage of the device according to the invention is above all that the pressure p _{2 of} the reference gas always remains constant at the value set at the pressure switch or is improved. Furthermore, one can get by with the smallest amounts of the reference gas, since the closed space has only a very small volume because of the capillaries. You can of course also measure other gases if you use a different reference gas, whereby a material other than zirconium dioxide is used as an ion-conducting solid electrolyte, which gives better results.

In der Zeichnung ist eine schematische Darstellung der Vorrich tung dargestellt, in der die Zirkondioxydscheibe 11 beiderseits mit einer Platinschicht 12 und 13 als Elektrode beschichtet ist. Auf der Meßseite der Zirkondioxydscheibe 11 ist ein mit einer Zuleitung 14 A und Ableitung 14 B verbundener Raum 15 dicht ange ordnet. Auf der Referenzseite der Zirkondioxydscheibe 11 ist ein Raum 16 dicht angebracht, welcher in eine Kapillare 17 übergeht, welche ihrerseits in einen Druckschalter 18 mündet, der in Abhängigkeit vom Druck p ₂ in dem Raum 16 und der Kapillaren 17 schaltet. Der Druckschalter 18 ist mechanisch oder elektrisch oder elektronisch mit einem weiteren Schalter 19 verbunden und zwar derart, daß der Schalter 19 geschlossen wird, wenn der Druckschalter 18 öffnet und umgekehrt. Die im Referenzraum liegende Platinschicht 13 ist über die Leitung 20 mit Masse verbunden, wohingegen die andere Platinschicht 12 über die elektrische Leitung 21 einmal über den Schalter 19 zu einem Voltmeter 22 und von da zu Masse verläuft und zum anderen über den Druckschalter 18 zu einer Stromquelle 23 und von da zu Masse verläuft.In the drawing, a schematic representation of the device is shown, in which the zirconium dioxide disk 11 is coated on both sides with a platinum layer 12 and 13 as an electrode. On the measuring side of the zirconia disk 11 is connected to a supply line 14 A and 14 B space 15 is tightly arranged. On the reference side of the zirconium dioxide disk 11 , a space 16 is tightly attached, which merges into a capillary 17 , which in turn opens into a pressure switch 18 which switches as a function of the pressure p ₂ in the space 16 and the capillaries 17 . The pressure switch 18 is mechanically or electrically or electronically connected to a further switch 19 in such a way that the switch 19 is closed when the pressure switch 18 opens and vice versa. The platinum layer 13 lying in the reference space is connected to ground via line 20 , whereas the other platinum layer 12 runs via electrical line 21 to switch 19 to a voltmeter 22 and from there to ground and on the other hand to a power source via pressure switch 18 23 and runs from there to mass.

Bei der Benutzung dieser Vorrichtung wird zuerst der Druck schalter 18 geschlossen, da im Raum 16 und 17 kein Druck vor handen ist. Durch die Zuleitung 14 A wird in den Meßraum 15 reiner Sauerstoff gegeben, welcher nach Anlegen einer Spannung zum Fließen eines Stroms von ca. 100 µA führt, wodurch der Sauerstoff durch die Zirkondioxydscheibe 11 hindurch in den Referenzraum 16 und die Kapillare 17 gepumpt wird. Der Druck schalter 18 ist so eingestellt, daß er bei 209 mbar öffnet, das heißt, wenn im Referenzraum 16 und der Kapillaren 17 reiner Sauerstoff mit einem Druck p ₂=209 mbar vorhanden ist. Nun wird der Meßraum 15 gespült und das zu messende Gas ein gegeben. Da beim Offnen des Druckschalters 18 der Schalter 19 geschlossen wurde, wird jetzt am Voltmeter 22 eine Nernst- Spannung angezeigt, welche dem Partialdruck des Sauerstoffs in dem zu messenden Gas entspricht, wobei die am Voltmeter 22 angezeigte Spannung V der FormelWhen using this device, the pressure switch 18 is first closed, since there is no pressure in the room 16 and 17 before. Through the supply line 14 A , pure oxygen is introduced into the measuring space 15 , which leads to the flow of a current of approx. 100 μA after application of a voltage, whereby the oxygen is pumped through the zirconium dioxide disk 11 into the reference space 16 and the capillary 17 . The pressure switch 18 is set so that it opens at 209 mbar, that is, when pure oxygen with a pressure p ₂ = 209 mbar is present in the reference space 16 and the capillaries 17 . Now the measuring chamber 15 is rinsed and the gas to be measured is given. Since the switch 19 was closed when the pressure switch 18 was opened, a Nernst voltage is now displayed on the voltmeter 22 , which corresponds to the partial pressure of the oxygen in the gas to be measured, the voltage V displayed on the voltmeter 22 being of the formula

entspricht, worincorresponds to what

R = Gas-Konstante
T = Temperatur der ZrO₂ Scheibe
F = Faraday-Konstante
p₁ = Druck des zu messenden Gases
p₂ = Druck des Referenzgases R = gas constant
T = temperature of the ZrO₂ disc
F = Faraday constant
p ₁ = pressure of the gas to be measured
p ₂ = pressure of the reference gas

Diese Formel gilt für alle zu messenden Gase, auch dann wenn ein anderer Festelektrolyt verwendet wird.This formula applies to all gases to be measured, even if another solid electrolyte is used.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Sauerstoff-Partialdrucks bzw. des Sauerstoff-Gehalts in Gasen, bei der die eine Seite einer Zirkondioxydscheibe als ionenleitender Festelektrolyt, beheizt auf ca. 650°C, mit einem Referenzgas, wie zum Beispiel Luft mit einem Druck p ₂=1013 mbar, und die andere Seite mit dem zu messenden Gas mit einem Druck p ₁ beaufschlagt wird und beide Seiten der Zirkondioxydscheibe mit Platin beschichtet sind, wobei die dem Sauerstoff-Gehalt entsprechenden Ströme an den Platin-Schichten als Elektroden abgegriffen werden, dadurch gekennzeichnet, daß an der einen Seite der Zirkon dioxydscheibe (11) ein geschlossener Raum (16, 17) angeordnet ist, in dem mit einem einstellbaren Druckschalter (18) ein Druck p ₂ aufrecht erhalten wird und in dem geschlossenen Raum (16, 17) als Referenzgas reiner Sauerstoff vorhanden ist.1. Device for measuring the oxygen partial pressure or the oxygen content in gases, in which the one side of a zirconium dioxide disk as an ion-conducting solid electrolyte, heated to approx. 650 ° C., with a reference gas, such as air with a pressure p ₂ = 1013 mbar, and the other side is subjected to a pressure p ₁ with the gas to be measured and both sides of the zirconium dioxide disk are coated with platinum, the currents corresponding to the oxygen content being tapped off at the platinum layers as electrodes, characterized in that in that on the dioxydscheibe one side of the zirconium (11) a closed space (16, 17) is arranged, is maintained in the with an adjustable pressure switch (18), a pressure p ₂ and when in the closed space (16, 17) Reference gas pure oxygen is present.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Teil des geschlossenen Raums (16, 17) für das Referenz gas aus einer Kapillaren (17) besteht.2. Device according to claim 1, characterized in that the largest part of the closed space ( 16 , 17 ) for the reference gas consists of a capillary ( 17 ).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckschalter (18) am geschlossenen Raum (16, 17) bei Erreichen des eingestellten Referenzdrucks p ₂ den Stromkreis für den Nernst-Strom mit dem Schalter (19) ein- und den Stromkreis für die Pumpwirkung der Zirkondioxydscheibe (11) mit dem Druck schalter (18) ausgeschaltet ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure switch ( 18 ) in the closed space ( 16 , 17 ) on reaching the set reference pressure p _2, the circuit for the Nernst current with the switch ( 19 ) and the Circuit for the pumping action of the zirconia disc ( 11 ) with the pressure switch ( 18 ) is switched off.