Funktion von Zirkonoxid-Sauerstoffsensoren - Wie funktionieren sie?

Funktion des Sauerstoffsensors

Aufbau der Sensorzelle

Das Herzstück der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren von SST ist die Messzelle (Abbildung 1). Die Zelle besteht aus zwei Zirkoniumdioxid (ZrO2)-Quadraten, die mit einer dünnen porösen Platinschicht beschichtet sind. Diese dienen als Elektroden und sorgen für die notwendige katalytische Wirkung, damit der Sauerstoff dissoziieren kann und die Sauerstoffionen in das ZrO2 hinein und aus ihm heraus transportiert werden können.

Die beiden ZrO2-Quadrate sind durch einen Platinring getrennt, der eine hermetisch abgeschlossene Sensorkammer bildet. An den Außenflächen befinden sich zwei weitere Platinringe, die zusammen mit dem mittleren Platinring die elektrischen Verbindungen zur Zelle herstellen.

Abbildung 1

Zwei äußere Aluminiumoxid (Al2O3)-Scheiben filtern und verhindern, dass Partikel aus der Umgebung in den Sensor gelangen, und entfernen außerdem unverbrannte Gase. Dadurch wird eine Verunreinigung der Zelle verhindert, die zu instabilen Messwerten führen kann. Abbildung 2 zeigt einen Querschnitt durch die Messzelle, in dem alle wichtigen Komponenten hervorgehoben sind.

Abbildung 2

Abbildung 3

Die Zelle ist von einer Heizspirale umgeben, die die für den Betrieb erforderlichen 700 °C erzeugt. Die Zelle und die Heizspirale sind dann in einer porösen Edelstahlkappe untergebracht, um größere Partikel und Staub zu filtern und den Sensor vor mechanischen Beschädigungen zu schützen. Abbildung 3 zeigt den kompletten Sensoraufbau.

Pumpenplatte

Abbildung 4

Das erste ZrO2-Quadrat fungiert als elektrochemische Sauerstoffpumpe, die die hermetisch verschlossene Kammer evakuiert oder wieder mit Druck versorgt. Je nach Richtung der Gleichstromquelle bewegen sich die Sauerstoffionen durch die Platte von einer Elektrode zur anderen, was wiederum die Sauerstoffkonzentration und damit den Sauerstoffdruck (P2) in der Kammer verändert. Das Pumpen wird so gesteuert, dass der Druck im Inneren der Kammer stets geringer ist als der Umgebungssauerstoffdruck außerhalb der Kammer. Abbildung 4 zeigt die elektrischen Anschlüsse der Zelle.

Messplatte

Eine Sauerstoffdruckdifferenz über dem zweiten ZrO2-Quadrat erzeugt eine Nernstspannung, die logarithmisch proportional zum Verhältnis der Sauerstoffionenkonzentrationen ist. Da der Sauerstoffdruck in der Kammer (P₁), ist die Spannung am Sensor in Bezug auf den gemeinsamen Druck immer positiv.
Diese Spannung wird gemessen und mit zwei Referenzspannungen verglichen, und jedes Mal, wenn einer dieser beiden Referenzwerte erreicht wird, wird die Richtung der Konstantstromquelle umgekehrt. Bei einem hohen ppO2-Wert dauert es länger, bis die Umkehrspannungen der Pumpe erreicht werden, als in einer Atmosphäre mit niedrigem ppO2-Wert. Dies liegt daran, dass eine größere Anzahl von Sauerstoffionen gepumpt werden muss, um die gleiche ratiometrische Druckdifferenz an der Messscheibe zu erzeugen.

Beispiel

P1, der O2-Druck, den wir messen wollen, beträgt 10mbar und die eingestellte Referenzspannung ist erreicht, wenn P2 5mbar beträgt. Wenn man nun P1 auf 1bar ändert, müsste P2 0,5bar betragen, um die gleiche Referenzspannung zu erreichen. Dies würde bedeuten, dass viel mehr Sauerstoffionen evakuiert werden müssten, und da die Stromquelle, die zum Pumpen der Ionen verwendet wird, konstant ist, würde dies sehr viel länger dauern.