DE2817350C3

DE2817350C3 - Sauerstoffühler für die Messung der Sauerstoffkonzentration in industriellen Rauch- bzw. Abgasen und Verfahren zu seiner Herstellung

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Publication number: DE2817350C3
Application number: DE19782817350
Authority: DE
Inventors: Anthony Vincent Hawthorne Woods Ill. Fraioli; Kenneth Robert Wheaton Ill. Janowski; Ming Shung Des Plaines Ill. Shum; Roy Edward North Barrington Ill. Svacha
Original assignee: UOP LLC
Current assignee: Honeywell UOP LLC
Priority date: 1978-04-20
Filing date: 1978-04-20
Publication date: 1981-05-27
Also published as: DE2817350B2; DE2817350A1

Description

auf dem Rohr, die zwischen dessen Enden vorgesehen ist und mit einer Halteeinrichtung in dem Gehäuse zusammenwirkt, so daß das Rohr ortsfest positioniert und in gasdichter Beziehung zu dem Gehäuse abgedichtet ist; mit einer Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolytscheibe, die in einer Ausnehmung in dem Fühlende des Rohrs abgedichtet vorgesehen ist, wobei FOhI- und Bezugselektiodenbeschichiungen aus der Platingruppe auf den Fühl- und Bezugsoberflächen der Elektrolytscheibe vorgesehen sind; und mit leitfähigen Streifen aus den Elektrodenbeschichtungen aus der Platingruppe; sowie mit einem verfilzten KeramiJcfaserfilterteiL Dieser Sauerstoffühler ist insbesondere zur Verwendung in industriellen Luft/Brennstoff-Steuer- und/oder -Regelsystemen bestimmt, wobei in diesem Zusammenhang hier darauf hingewiesen sei, daß aus Abkürzungsgründen nachstehend anstelle der Begriffe »Steuerung und'oder Regelung« bzw. »Steuern und/oder Regeln« nur jeweils der Begriff »Steuerung« bzw. »Steuern« oder »Regelung« bzw. »Regeln« verwendet wird.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sauerstoffühlers mit den folgenden Verfahrensschritten: Man nimmt ein nichtgebranntes, elektrisch nicht leitfähiges, hohles Keramikrohr und bildet eine Ausnehmung von reduziertem Durchmesser in dem inneren Ende oder dem Fühlende desselben aus; man ordnet eine Beschichtung von Glasdichtungsmaterial auf dem Boden der Ausnehmung an; man bringt eine Beschichtung aus einer Platinpastenelektrode auf jeder Seite einer Scheibe aus einem für Sauerstoffionen leitfähigen, festen Elektrolyten auf; man ordnet diese Elektrolytscheibe in der Ausnehmung an, und zwar so, daß sich deren äußere Bezugsoberfläche in Kontakt mit dem Glasdichtungsmaterial befindet; man bringt einen Streifen von Platinpaste an der äußeren Bezugselektrode auf der Scheibe und auf der inneren Oberfläche des Rohrs auf; man bringt einen Streifen von Platinpaste an der inneren Fühlelektrode der Scheibe und auf der äußeren Oberfläche des Rohrs auf; und man brennt das Rohr in Luft bei einer Temperatur von mindestens etwa 954'C.

Fühler, die als Teile von industriellen Luft/Brennstoff-Steuerungssystemen vorgesehen sind, müssen Erfordernisse erfüllen, die der industriellen Luft/Brennstoff-Steuerung eigen sind. Die Steuerung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses in einem industriellen System erfolgt unter Betriebsbedingungen eines Luftüberschusses. Dadurch wird sichergestellt, daß eine vollständige Verbrennung des Brennstoff stattfindet und daß keine sichtbaren Schornsteinrauchausströmungen erzeugt werden. Ein zweiter, vortei'hafter Grund für die Steuerung in diesem Bereich bestand in einer nachweisbaren Verbesserung der Verbrennungsleistung bzw. des Verbrennungswirkungs^rads und einem sich daraus ergebenden, verringerten Brennstoffverbrauch.

Damit ein Fühler diese Erfordernisse erfüllt und noch kommerziell ausführbar ist muß die Fühlerleistungsfähigkeit eine Anzahl von Kriterien erfüllen, die normalerweise für andere Fühleranwendungen nicht signifikant sind. Beispielsweise ist eine Fühler-zu- Fühler- Reproduzierbarkeit wichtig, denn anderenfalls wäre bei jedem Fühleraustausch eine erneute Eichung des Steuersystems erforderlich. Die Stabilität des Fühlersignals über eine lange Zeitdauer der Benutzung ist auch ein wichtiges Merkmal, damit eine häufige Wiedereichung des Systems nicht notwendig wird. Ein weiteres Merkmal, das bei einer industriellen Anwendung wichtig ist, ist eine Einfachheit des Einbaus des Fühlers. Schließlich sind niedrige Fühlerkosten wichtig, insbesondere wenn ein Austausch von Fühlern erforderlich sein kana

Die Anwendung von Sauerstoffmeßfühlern entweder als einfache Überwachungsgeräte für den Sauerstoffgehalt oder als Fühler in Steuersystemen hat in der Technik, z. B. auch in der Patentliteratur, ein beträchtliches Interesse gefunden. Die früheste kommerzielle Anwendung von Sauerstoffühleinrichtungen bestand darin, daß sie als integrale Komponenten in Systemen benutzt wurden, die zum Messen von gelöstem Sauerstoff in geschmolzenen Metallbändern ausgebildet waren. Dieser Bereich ist noch von beträchtlicher kommerzieller Wichtigkeit, wie die US-PS 33 59 188, 33 78 478, 34 03 090 und 37 91 954 zeigen. Die Einrichtungen, die in diesen Patentschriften beschrieben sind, sind alle sehr ähnlich insofern, als sie feste, elektrolytische Fühler sind, die in ein flüssiges Metall eingetaucht werden und ein elektrisches Signal erz°-gen, das eine Funktion des Sauerstoffgehalts des Metalls ist. Die ersten drei Einrichtungen umfassen am Ende geschlossene Rohre aus elektrolytischem Material, während in dem vierten Fühler eine Scheibe aus einem fesv£n Elektrolyt verwendet wird, die in einem Halterohr abgedichtet angebracht ist.

Die meisten der Fühleinrichtungen, die zum Messen des Sauerstoffgehalts in geschmolzenen Metallen verwendet werden, sind zerstörbare Fühler insofern, als sie mit dem der Messung unterworfenen Metall reagieren und und im Verlauf der Messung aufgebracht werden. In der US-PS 32 97 551 ist ein Flüssigmetallfühler beschrieben, der in einem Flüssigmetallwärmeaustauscher eines Kernreaktors benutzt wird, und zwar auf der Basis eines langzeitigen, fortwährenden Gebrauchs. Andere Fühler sind zum Messen des Sauerstoffgehalts speziell in Gasmischungen anstatt in Flüssigmetallen entwickelt worden. Beispielsweise ist in der US-PS 39 74 054 ein mit einem Aluminiumoxidrohr verbunde ner Scheibenelektrolyt beschrieben, der für die Bestim mung von Sauerstoffkonzentrationen in Gasmischungen verwendet wird. Ein anderer Gasfühler, der aus einem rohrförmigen, festen Elektrolyt zusammengesetzt ist, ist in der US-PS 39 89 614 beschrieben.

Vor kurzem wandte man der Messung der Komponenten, aus denen die Fahrzeugmotor-Auspuffgase bestehen, ein beträchtliches Interesse zu. Es wurde eine Anzahl von Einrichtungen für die Messung des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses, das in die Brennkraftmaschinen eintritt, patentiert. Es besteht der Vorschlag, diese Einrichtungen in Verbindung mit Steuersystemen zu benutzten, um die Brennkraftmaschinen-Betriebsbedingungen auf dem stöchiometrischen Wtrt zu halten. Die vorgeschlagenen Einrichtun- gen umfassen sowohl solche, die als elektrische Widerstandsfohlelemente arbeiten, als auch elektrolytische Fühler.

Typische Widerstandsfühler sind in den US-PS 39 11 386. 39 39 794 u«d 39 59 765 beschrieben. Diese Einrichtungen nehmen eine Änderung im elektrischen Widerstand von Keramikelementen wahr, welche eine Änderung des elektrischen Widerstandes zeigen, die mit dem Sauerstoffdruck der Umgebung in Bezug gesetzt werden kann.

Von größerem Interejse sind diejenigen Fahrzeugmotor-Sauerstoffühler, die auf elektrolytischen Prinzipien beruhen bzw. nach diesen Prinzipien arbeiten. Es ist eine Anzahl von Patentschriften in diesem Bereich über

Fühler veröffentlicht worden, die den Elektrolyten in der Form von Rohren oder Scheiben aufweisen.

Patentschriften, die rohrförmige Fühler betreffen, sind z. B. die GB-PS 13 85464 und die US-PS 38 41 987. 39 35 089. 39 60 693 und 39 78 006. Diese Patentschriften beschreiben im einzelnen Fahrzeugmotor-Sauerstcffühler, in denen der feste Elektrolyt die Form eines offenendigen Rohrs hat, wobei sich das offene Ende in Verbindung mit der umgebenden Umweltluft befindet.

Die Nachteile, die solchen rohrförmigen, elektrolytischen Fühlern inhärent sind, haben zur Entwicklung von vereinfachten Fahrzeugmotor-Sauerstoffühlern gefüht. die Elektrolytscheiben anstelle von Rohren aufweisen. Die Nachteile der rohrförmigen Fühler sind insbesondere ihre Kompliziertheit und die sich daraus ergebenden Kosten bei der Herstellung des Elektrolytrohrs, sowie die hohen Kosten und die Schwierigkeiten, die sich beim Aufbringen von großen Mengen an teuren Elektrodenmaterialien über die Oberfläche des Rohres ergeben.

Die Entwicklung von Fühlern, die sehr einfache, elektrolytisch? Scheiben aufweisen, hat z'J einsr Umgehung dieser Problembereiche geführt. Beispiele solcher Fahrzeugmotor-Sauerstoffühler sind in den US-PS 38 19 500, 39 09 385, 37 68 259 und 39 40 327 beschrieben.

Bei der Anwendung jeder der derzeit erhältlichen industriellen Fühler oder Fahrzeugmotorfühler bei Rückkopplungssteuersystemen, die für die Benutzung in der industriellen Verbrennungssteuerung entworfen worden sind, ergibt sich eine Anzahl von Nachteilen. Fühler, die speziell für industrielle Verwendung entworfen worden sind, haben im allgemeinen große Abmessungen, sind nur unter erheblichem Kostenaufwand ersetzbar, arbeiten bei hohen Temperaturen, welche die brauchbare Lebensdauer beschranken, oder sie sind so ausgebildet, daß sie nur einmal verwendet werden können. Dariiberhinaus haben diejenigen industriellen Fühler, die mit rohrförmigen Elektrolyten aufgebaut sind, den gleichen Nachteil, wie rohrförmige Fahrzeugmotorfühler, d. h. hohe Elektrolytkosten und die Notwendigkeit, daß relativ große Elektroden aus teuren Materialien hergestellt werden müssen. Diejenigen industriellen Fühler, die kommerziell erhältlich sind, arbeiten allgemein bei etwa 816°C. Ein kontinuierlicher Betneb bei dieser Temperatur bewirkt eine Zerstörung der Elektrode, wodurch die Leistungsfähigkeit ernsthaft beeinträchtigt wird, wie auch thermische Trägheit in dem Elektrolyten, wenn er Erhitzungszyklen ausgesetzt wird.

Ebenso ist die Anwendung von Fühlern, die für die Verwendung bei Fahrzeugmotoren entwickelt worden sind, bei der industriellen Luft/Brennstoff-Steuerung allgemein nicht erfolgreich gewesen. Eine Fühler-zu-Fühler-Reproduzierbarkeit genügender Genauigkeit konnte mit dieser Fühlerart nicht nachgewiesen werden, die bei der Steuerung eines spezifischen Sauerstoffgehalts, der weit weg vom stöchiometrischen Wert liegt, brauchbar gewesen wäre. Im allgemeinen sind diese Fahrzeugmotorerfüller nur als Indikatoren bzw. Anzeigevorrichtungen des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses anstatt als Fühler, welche den aktuellen Sauerstoffgehalt quantitativ messen, susgebildet worden. Sie sind außerdem so ausgebildet worden, daß sie in der harten Fahrzeugmotorumgebung überleben. Diese Ausbildung ist für industrielle Luft/ Brennstoff-Anwendungen bzw. -Steuerungen nicht notwendig und hat eine beträchtliche, unnötige Kostenerhöhup.g and Aasiegungs- bzw. Aufbaukornpü- ziertheit zur Folge.

Ein Sauerstoffühler der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 27 04 748 bekannt. Dieser für Messungen im Abgasstrom von Kraftfahrzeugen bestimmte Sauerstoffühler hat eine Schwierigkeit, die bei Fahrzeugniotorfühlem auftritt, und zwar ist das die Einfuhrung von unerwünschten, elektrischen Signalen aufgrund von Verbindungen zwischen ungleichen Materialien. Obwohl das keine Schwierigkeit bei

in Fühlern ist, die für die Definition bzw. Bestimmung des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses benutzt werden, können solche Signale außerordentlich schädliche Wirkungen auf Fühler haben, die dazu verwendet werden, den Sauerstoffgehalt quantitativ zu

ι ■> messen, wie es in der außerhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegenden Luft/Brennstoff-Steuerung bei industriellen Anwendungen notwendig ist. Bei dem SauerstoffUhler nach der DE-OS 27 04 748 verläuft nämlich die Verbindung zwischen den Elektroden und dem Meßgerät über mehrere unterschiedliche Metallteile, die an dem die Eieküuuc iragenuen Keramikrohr vorgesehen sind, insbesondere über elektrisch leitfähige Dichtungen, ein metallisches Schutzrohr, das Gehäuse des Keramikrohrs, einen Unterlagring, eine Metallfeder und einen Anschlußstift, wodurch unerwünschte elektrische Signale eingeführt werden.

Außerdem wird die Meßgenauigkeit dieses bekannten Saiierstoffühlers dadurch beeinträchtigt, daß nur an einer Illektrode ein Filter vorgesehen ist, welches sich

so jedoch in beträchtlichem Abstand von der Elektrode befindet, und daß eine gleichförmige Verteilung von

Platin bei den porösen Elektroden nur unzulänglich

erreicht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber einen

» industriell verwendbaren Sauerstoffühler zu schaffen, der be; einfachem Aufbau eine hohe Maßgenauigkeit gewährleistet.

Diesi: Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Weiter-

·"> bildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Sauerstoffühlelektrode ist im Anspruch 7 angegeben.

Die Merkmale, welche die vorgeschlagene Ausbildung gemeinsam mit den meisten Fiihlern in rfpn nhpn

■»i erwähnten Patentschriften hat, sind die, daß sie eine feste, elektrolytische, Sauerstoffionen leitende Zelle mit Edelmetallelektroden ist. Der elektrolyt hat die Form einer Scheibe und hat infolgedessen an den Vorteilen der erwähnten industriellen Scheibensensoren und der erwähnten Fahrzeugmotor-Scheibensensoren, verglichen mit der rohrförmigen Verschiedenheit bzw. Vielfältigkeit an Ausführungsformen von diesen Sensoren, teil. Er ist jedoch im Aufbau viel einfacher ais andere Fühler, und die neuartigen Merkmale dieses Aufbaus, sind, was besonders wichtig ist, so einbezogen worden, daß er in industriellen Luft/Brennstoff-Steuersystemen ohne die Nachteile der anderen Ausbildungen verwendet werden kann. Die elektrolytische Scheibe ist vorzugsweise Z1O2 — 8 Mol-% Y₂O₃. Diese Scheibe wird abgedichtet in das ausgenommene Ende eines fabrizierten Forsteritrohrs eingesetzt, wobei Glas, z.B. Corning 1415, als Dichtungsmittel benutzt wird. Das Forsteritrohr wird vor dem Brennen so bearbeitet, daß eine Halteschulter, eine Ausnehmung, in welche die Elektrolytscheibe abdichtend eingesetzt werden kann, und zwei Nuten auf dem entgegengesetzten Ende des Rohrs erzeugt werden. Die Ausnehmung wird bis zu einer Tiefe

herausgearbeitet, die größer ist als es zur Aufnahme tier F.lektrolytscheibe notwendig ist.

Nach dem abdichtenden Einsetzen der Scheibe in das Rohr wird eine kommerziell erhältliche, fließfähig gemachte Platinpaste, auf den beiden freiliegenden Oberflächen der Scheibe abgelagert bzw. aufgebracht. Zusätzlich wird ein Platinpastenstreifen längs des inneren Durchmessers des Forsteritrohrs aufgemalt, und zwar über das Ende und in die am unteren Ende alisgenommene Nut auf dem äußeren Durchmesser des Rohrs.

Ein zweiter Streifen wird von der obersten Oberfläche der Scheibe längs des äußeren Durchmessers des Rohrs bis zur oberen Nut gemalt. Während die Platinpastenelektroden noch klebrig sind, werden verfilzte Keramikfaserscheiben in die Paste und auf beide Elektroden gedrückt.

Das verfilzte Keramikfasermaterial kann im Handel erhalten werden, und es erfüllt eine Anzahl voti Funktionen. Während des Betriebs der Fühleinrichtung wirkt es als ein Kombinationsfilter zum Entfernen von teilchenförmigen Stoffen und gasförmigen Giften aus dem Rauchgas, an dem die Messungen vorgenommen werden, sowie als eine Barriere, welche die Elektrode vor jeder Gaserosion schützt, die auftreten könnte. Eine andere wichtige Funktion der Keramikfaserscheibe ist ihre Funktion als Docht während der Anwendung von Chlorplatinsäure (nachstehend als CPA abgekürzt), die weiter unten näher erläutert wird. Die offene Faserstruktt"· der Keramikfaserscheibe ermöglicht eine gleichtörmige Ablagerung der CPA auf der Pastenunterlage. Eine Faserscheibendicke von etwa 1,02 mm hat sich als ziemlich zufriedenstellend erwiesen.

Die Offenheit des verfilzten Materials ist wichtig beim Betrieb der Einrichtung für industrielle Anwendungen wegen der relativ geringen Gasströmungsrate, die solchen Anwendungen oft inhärent ist. Versuche, die ausgeführt wurden, um die verfilzte Keramikscheibe durch ein dichteres Material, wie ^-Aluminiumoxid, zu ersetzen, haben sich als nicht erfolgreich erwiesen, und zwar aufgrund dessen, daß das Gas nicht in der Lage ist.

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denmaterial zu erreichen, wo die Sauerstoffionisation stattfindet.

Die Aufbringungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Eindrücken der verfilzten Faserscheibe in die klebrige bzw. zähe Platinpaste und dann das Brennen in einem Ofen bei einer Temperatur von mindestens etwa 954° C in Luft während etwa 30 Minuten, um die Platinpaste auszuhärten und die beiden Keramikfaserscheiben fest an die Platinpaste zu binden.

Dann wird Chlorplatinsäure durch die Keramikfaserscheiben direkt auf die Oberfläche der Platinpastenunterlage zur Einwirkung gebracht. Es wird genügend CPA angewandt, damit eine adäquate Bedeckung des Platinpastensubstrats sichergestellt wird. Das erfordert etwa 0,5 mg Platin oder etwa 0,01 ml CPA pro Fühler, wenn die Elektrolytscheibe einen Durchmesser von etwa 9,86 mm und eine Dicke von etwa 132 mm hat Die erforderliche Menge ist niedrig, und zwar aufgrund der kleinen Fläche des Elektrolyten und der effektiven Dochtwirkung der verfilzten Scheibe. Die Ionisation des Sauerstoffs in der Schornsteingasumgebung findet an der Oberfläche des Elektrolyten statt, und zwar in Gegenwart von sowohl dem Platin, das als das Pastensubstrat abgelagert worden ist als auch des hohen Oberflächen-PT aus der CPA. Wenn auf den

Seiten der Elektrolytscheibe nicht genügend Platinoberfläche vorhanden ist, was der Fall wäre, wenn nur Platinpaste vorhanden sein würde, dann wäre die Oxydation von Restsauerstoff nicht vollständig und daraus würde sich eine nichtreproduzierbare Fühlercharakteristik bzw. -leistungsfähigkeit ergeben. Es ist wichtig, daß beide Oberflächen der Elektrolytscheibe einen genügenden Platinoberflächenbereich aufweisen, damit die lonisations-Deionisations-Reaktionen, die auf diesen Oberflächen stattfinden, vollständig ablaufen. Infolgedessen muß genügend CPA sowohl zu dem Gas als auch zu den Bezugsseiten des Elektrolyten hinzugefügt werden.

Der Zweck, den vorderen und den rückwärtigen, leitfähigen Streifen zu getrennten Nuten zu führen, die in dem Forsteritrohr erzeugt worden sind, besteht darin, sicherzustellen, daß Verbindungen mit unterschiedlichen Materialien ausgeschaltet werden. Es hat sich nämlich erwiesen, daß'derartige Verbindungen nichtreproduzierbare und unerwünschte Signale in das wahre, theoretisch vorhersagbare Zellenausgangssignal einführen. Obwohl das bei stöchiometrischen Fühlern nicht wichtig ist, ist dieses Merkmal von kritischer Wichtigkeit für nichtstöchiometrische. industrielle Steuerung. Indem man alle diese Verbindungen aus der Zelle herausbringt, können diese unerwünschten Spannungen ausgeschaltet und eine Reproduzierbarkeit und Stabilität des Fühlers sichergestellt werden, wenn die anderen Fühlermerkmale, die oben erörtert worden sind, mit vorhanden sind.

Der Zweck der besonders tiefen Ausnehmung in dem Elektrolytende des Forsteritrohres besteht darin, zur Ausschaltung der Erosionswirkungen eines fließenden Gasstroms beizutragen. Dariiberhinaus fördert diese Ausnehmung die Turbulenz in der Strömung am Ort des Fühlerelektrolyten und ermöglicht eine kontinuierliche Wechselwirkung des Schornsteingases mit dem Elektrolyten, wodurch sichergestellt wird, daß die Gasmessungen wahre bzw. gültige Repräsentationen der Gasströmung sind.

Die endgültigen Zusammenbauvorgänge umfassen das Äufmaien bzw. -bringen eines Abdichtungsmaterials, z. B. Graphitpaste, auf das Forsteritrohr an der Anbringungsschulter oder dem Flansch und das Zusammendrücken dieses Dichtungsmaterials zwischen einem Metallkörper und der Druckmutter. Alternativ kann das Forsteritrohr ohne den Anbringungsring hergestellt werden, und es kann eine Kompressionsstopfbüchse für die Abdichtung verwendet werden. Dadurch wird der Aufbau sogar weiter vereinfacht, und auf diese Weise werden die Kosten herabgesetzt.

Die Vorteile des verbesserten Fühlers gemäß der Erfindung sind insbesondere folgende:

1. er ist einfach;

Z er hat sehr wenige Teile;

3. die Menge an Platin, die verwendet wird, ist sehr klein;

4. er ist genau und arbeitet reproduzierbar, so daß er bei industriellen Anwendungen zur Anzeige des wahren Sauerstoffgehalts verwendet werden kann;

5. alle Verbindungen mit unterschiedlichen Materialien sind ausgeschaltet worden: und

6. der Fahler hat gezeigt daß er bei 704⁰C während einer langen Zeitdauer arbeitet, also bei einer Temperatur, die merkbar niedriger als 815° C, die: Betriebstemperatur anderer industrieller Fühler, ist Diese relativ niedrige Betriebstemperatur in einer industriellen Umgebung stellt eine ausge-

prägte Verbesserung gegenüber den derzeit erhältlichen, kommerziellen Fühlern dar. Dariiberhinaiis hai sich gezeigt, daß der Einbau dieses Fühlers direkt in Schornsteingassysteme im Vergleich zu anderen verfügbaren Fühlern sehr einfach durchgeführt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Fig. I und 2 der Zeichnung dargestellten, besonders bevorzugten Ausfühnngsbeispiels näher erläutert; es zeigt

Fig. I eine seitliche Schnittansicht bzw. einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispitis der Erfindung durch dessen Achse; und

F i g. 2 eine Endschnittansicht gemäß der Linie 2-2 der Fig. I.

Der verbesserte Sensor, der allgemein mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein allgemein rohrförmigen Metallkörperteil 12, das vorzugsweise aus einem korrosionswiderstandsfähigen Material, wie rostfreiem Stahl, hergestellt ist. Der Körper 12 weist eine Einrichtung, wie z. B. integrale bzw. daran angeformte (iewindegänge 14. zum Befestigen des Fühlers .in der Wand eines Kanals, der Rauch- bzw. Abgas enthalt, z. B. eines Rauchschornsteins, auf. Das Innere des Körperteils 12 weist ein Innenwandteil 16 und ein abgesetztes Schulterteil 18 auf. Ein elektrisch isolierendes Keramik rohr 22. das aus einem Material hergestellt ist, wie es /. B. Forsterit ist, besitzt einen integralen bzw. damit einstückigen Flansch oder ein umlaufendes Ringteil 24. der bzw. das eine I lalteeinrichtung darstellt, die mit der abgesetzten Schulterhalteeinrichtung 18 bzw. dem abgesetzten Schulterteil 18 in dem Körper 12 zusammenwirkt, so daß eine Abwärtsbewegung des Rohrs 22 relativ zu dem Körper begrenzt wird. Eine Druckmutter 26, die im Gewindeeingriff mit dem Körper 12 steht, verhindert eine Abwärtsbewegung des Rohrs 22 und wirkt mit den Graphitdichtungsteilen 28, 50 zusammen, so daß das Rohr 22 mit ortsfester, gasdichter Beziehung zu dem Körper 12 montiert wird. Das obere Ende oder das Fühlende des Keramikrohrs 22 ist bei 36 ausgenommen, so daß es eine für Sauerstoffionen leitfähige, feste Elektrolytscheibe 40 aufnehmen kann, die mittels einer Glasdichtung 44 in «ei Ausnehmung angebracht ist. Die vordere Elektrode oder die Fühlelektrode 46 und die rückwärtige Bezugselektrode 48 sind in der Form einer Platinpaste «uf den Elektrolyten 40 aufgebracht. Vor dem Brennen iowie während die Pastenelektroden 46, 48 noch naß bzw. fließfähig sind, wird in dieselben ein verfiltes, vorderes Keramikscheibenteil 52 und ein verfitztes, rückwärtiges Keramikscheibenteil 54 hineingepreßt. Ein äußeres, leitfähiges Leiterteil 60. dar vorzugsweise aus dem gleichen Platinpastenmaterial wie n^;e Elektroden 46,48 ausgebildet ist, ist auf die Oberfläche des Rohrs 22 aufgemalt bzw. -gebracht, und zwar so, daß es sich von der Fühlelektrode 46, mit der es in Kontakt steht, um das obere Ende des Rohrs 22 und nach abwärts längs der

Außenseite des Rohrs 22 in einer flachen Ausnehmung 62 erstreckt, bis es in einer oberen, ringförmigen Ausnehmung 64 endet, die mittels einer angemessenen Ausrüstung bzw. Instrumentation (nicht dargestellt) kontaktiert werden kaiin. Der Zweck der Ausnehmung 62 besteht darin, das sehr dünne Leiterteil 60 vor Beschädigung oder Bruch zu schützen, wenn das Rohr 22 gehandhabt oder in das Gehäuse 12 eingefügt wird. Ein inneres Platinpastenleiterteil 70 wird in elektrischen Kontakt mit der Bezugselektrodenoberfläche 48 aufgemalt bzw. -gebracht, und weiter nach abwärts auf der inneren Oberfläche des Rohrs 22, um dessen unteres Ende, und in eine untere, ringförmige Ausnehmung 72. die mit einer elektrischen Schaltung (nicht dargestellt) verbunden werden kann. Die aufgebrachten bzw. ■gemalten Leitungsteile 60, 70 sind natürlich in Kontakt mit den Elektroden 46, 48 aufgebracht bzw. gemalt worden, bevor die Keramikfilterscheiben 52, 54 dadurch angebracht worden sind, daß man sie in Kontakt mit den nassen Pastenelektroden 46,48 gedruckt hut. Dann wird das gesamte Rohr 22 in Luft bei einer Temperatur von mindestens etwa 954T während etwa JO Minuten gebrannt. Dann werden die Elektroden 46, 48 mit Platinmetall imprägniert, indem man eine Lösung aus Chlorplatinsäure benutzt, die auf die Filterscheiben 52, 54 aufgebracht und dann unter Bedingungen gebrannt wird, bei denen die Reduktion des Platinmetalls bewirkt wird. Die Reduktion wird durch Erhitzen des Rohraufbaus in Wassrstoff während etwa 30 Minuten auf eine Temperatur von etwa 454⁰C erzielt, wobei der Aufbau bei etwa 454"C in Wasserstoff während etwa 60 Minuten gehalten wird, und wonach der Aufbau in einer Stickstoffatmosphäre abgekühlt wird. Die reduzierten Platinteilchen 76 sind gleichförmig über die Oberflächen der Elektroden 46,48 verteilt.

Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung einen Sauerstoffühler, der speziell für die Verwendung in einem industriellen Luft/Brennstoff-Steuersystem geeignet ist und die Fähigkeit hat, den aktuellen Sauerstoffgehalt quantitativ in industriellen Situationen zu messen, in denen eine außerhalb des stöchiometnschen Bereichs liegende Luft/Brennstoff-Steueaing gewünscht wird. Der Fühler ist ziemlich einfach, und er kann ieicht verwendet werden, da er genaue, reprodu zierbare Ablesungen bzw. Anzeigen von Fühler zu Fühler und während langer Zeitdauern erbringt. Die Leitungen zu der festen Elektrolytscheibe sind aus dem gleichen Material wie die Elektroden und erstrecken sich zu dem entfernten Ende des Fühlers, so daß Verbindungen aus unterschiedlichen Materialien ausgeschaltet werden. Verfilzte Keramikscheiben, die auf die Naßpastenelektroden vor dem Brennen aufgebracht werden, dienen dazu, die mit dem Fühler in Berührung kommenden Gase zu filtern, und sie wirken als Dochte. die eine gleichförmige Dispersion von Chlorplatinsaure auf den Pastenelektroden ermöglichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sauerstoffühler fOr die Messung der Sauerstoffkonzentration in industriellen Rauch- bzw. Abgasen, mit einem Gehäuse und einer Einrichtung auf dem Gehäuse zum Anbringen des Fühlers an der Wand eines ein Rauch- bzw. Abgas enthaltenden Kanals, so daß das innere Ende oder das Fühlende des Gehäuses den Gasen in dem Kanal ausgesetzt ist, während das äußere Ende oder das Bezugsende der Atmosphäre ausgesetzt ist; mit einem nicht elektrisch leitfähigen Rohr, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist und ein Fühlende hat, das sich über das Fühlende des Gehäuses hinaus erstreckt, sowie ein Bezugsende, das sich über das Bezugsende des Gehäuses hinaus erstreckt; mit einer Halteeinrichtung auf dem Rohr, die zwischen dessen Enden vorgesehen ist und mit einer Halteeinrichtung in dem Gehäuse zusammenwirkt, so daß das Rohr ortsfest positioniert und in gasdichter Beziehung zu dem Gehäuse abgedichtet ist; mit einer Sauerstoffionen leitenden, festen Elektroiytscheibe, die in einer Ausnehmung in dem Fühlende des Rohrs abgedichtet vorgesehen ist, wobei Fühl- und Bezugselektrodenbeschichtungen aus der Platingruppe auf den Fühl- und Bezugsoberflächen der Elektrolytscheibe vorgesehen sind; und mit Ieitfähigrn Streifen aus den Elektrodenbeschichtungen aus der Platingruppe; sowie mit einem verfilzten Keramikfaserfilterteil, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Streifen (60, 70) aus den Elektrodenbeschichtungen kontinuierlich lings im wesentlichen der gesamten Länge des Rohrs (22) erstrecken, *« daß sie die Fühl- und Bezugselektrodenbeschichtungen (46, 48) auf der Elektrolytscheibe (40) mit benachbart dem Bezugsende des Rohrs (22) im Abstand voneinander vorgesehenen Kontaktstellen (64, 72) elektrisch verbinden; daß der verfilzte Keramikfaserfilterteil (52,54) in gebundenem Kontakt mit den Elektrodenbeschichtungen (46, 48) auf jeder Seite der Elektrolytscheibe (40) angeordnet ist und daß eine gleichförmig verteilte bzw. dispergierte Beschichtung aus einem Metall der Platingruppe in Kontakt mit den Elektrodenbeschichtungen (46,48) vorgesehen ist.

2. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (36) tiefer als die kombinierte Dicke der Elektrolytscheibe (40) und eines der Filterteile (52) ist

3. Sauerstoffühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Filterteile (52,54) eine Dicke von etwa t ,02 mm hat.

4. Sauerstoffühler nach einem der Ansprüche t bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer der leitfähigen Streifen (60) in einer Längsnute (62) vertieft angeordnet ist, die in der äußeren Oberfläche des Rohrs (22) ausgebildet ist

5. Sauerstoffühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der eine leitfähige Streifen (60) an die Fühlclektrodenbeschichtung (52) gebunden ist and sich von dieser längs der Wand der Ausnehmung (36), über das Fühlende des Rohrs (22) und längs der äußeren Oberfläche derselben zu einer Endstelle (64) zwischen dem Bezugsende des Gehäuses (12,26) und dem Bezugsende des Rohrs (22) erstreckt; und daß der andere leitfähige Streifen (70) an die Bezugselektrodenbeschichtung (48) gebunden ist und sich längs der inneren Oberfläche des Rohrs (22), über das

Bezugsende des Rohrs (22) zu einer Endstelle (°/2) erstreckt, die näher am Bezugsende des Rohrs (22) liegt als die Endstelle (64) des einen leitfähigen Streifens (60).

6. Sauerstoffühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Streifen (60,70) in einem Paar Ausnehmungen (64,72) enden, die im Umfang des Rohrs (22) benachbart von dessen Bezugsende ausgebildet sind.

7. Verfahren zur Herstellung eines Sauerstoffühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit den folgenden Verfahrensschritten: Man nimmt ein nichtgebranntes, elektrisch nicht leitfähiges, hohles Keramikrohr und bildet eine Ausnehmung von reduziertem Durchmesser in dem inneren Ende oder dem Fühlende desselben aus; man ordnet eine Beschichtung von Glasdichtungsmaterial auf dem Boden der Ausnehmung an; man bringt eine Beschichtung aus der Platinpastenelektrode auf jeder Seite einer Scheibe aus einem für Sauerstoffionen leitfähigen, festen Elektrolyten auf; man ordnet diese Eiektrolytscheibe in der Ausnehmung an, und zwar so, daß sich deren äußere Bezugsoberfläche in Kontakt mit dem Glasdichtungsmaterial befindet; man bringt einen Streifen von Platinpaste an der äußeren Bezugselektrode auf der Scheibe und auf der inneren Oberfläche des Rohrs auf, man bringt einen Streifen von Platinpaste an der inneren Fühlelektrode der Scheibe und auf der äußeren Oberfläche des Rohrs auf; und man brennt das Rohr in Luft bei einer Temperatur von mindestens etwa 954° C, dadurch gekennzeichnet, daß man den Streifen (70), der von der Bezugselektrode (48) ausgeht, längs der inneren Oberfläche des Rohrs (22) bis zu dessen äußerem Ende oder dessen Bezugsende aufbringt; daß man den Streifen (60), der von der Fühlelektrode (46) ausgeht, um das innere Ende des Rohrs (22) und längs dessen äußerer Oberfläche bis zu einer Stelle in der Nähe des Bezugsendes des Rohrs (22) aufbringt; daß m<in eine Keramikfaser-Filterscheibe (52, 54) in die aus Platinpaste gebildeten Elektroden (46, 48) auf jeder Seite der Elektrolytscheibe (40) drückt, bevor man das Rohr (22) an Luft brennt; daß man nach dem Brennen an Luft die Elektroden (46, 48) mit Platinmetall imprägniert indem man eine Lösung aus Chlorplatinsäure benutzt die auf die Filter aufgebracht wird, und daß man dann unter solchen Bedingungen brennt, daß die Reduktion des Platinmetalls bewirkt wird.

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffühler für die Messung der Sauerstoffkonzentration in industriellen Rauch- bzw. Abgasen, mit einem Gehäuse und einer Einrichtung auf dem Gehäuse zum Anbringen des Fühlers an der Wand eines ein Rauch- bzw. Abgas enthaltenden Kanals, so daß das innere Ende oder das Fühlende des Gehäuses den Gasen in dem Kanal ausgesetzt ist, während das äußere Ende oder das Bezugsende der Atmosphäre ausgesetzt ist, mit einem nicht elektrisch leitfähigem Rohr, das innerhalb des Gehäuses angebracht ist und ein Fühlende hat, das sich über das Fühlende des Gehäuses hinaus erstreckt, sowie ein Bezugsende, das sich über das Bezugsende des Gehäuses hinaus erstreckt; mit einer Halteeinrichtune