Изобретение относится к электрохимическому газовому датчику, который имеет по меньшей мере один первый и по меньшей мере один второй электроды. Изобретение также относится к способу изготовления и к способу работы электрохимического газового датчика.
Газовые датчики используются сегодня уже во многих областях техники для удовлетворения растущих требований по экологии и безопасности. Варианты использования газовых датчиков состоят, например, в определении аммиака или NH3 в потоке выхлопных газов дизельных двигателей. Он может возникать при избирательном каталитическом восстановлении, так называемом SCR, в результате чего выделение оксидов азота NOx должно быть уменьшено.
Известно о возможности использования для обнаружения аммиака в потоке выхлопных газов автомобиля так называемых датчиков смешанного потенциала. У этих электрохимических газовых датчиков первый и второй электроды, причем второй электрод изготовлен из другого материала, чем первый электрод, находятся в контакте с окружающей газовой средой, в которой, например, должен быть определен аммиак. Оба электрода соединены посредством ионопроводящего, то есть электролитического, материала, например YSZ (двуокиси циркония, стабилизированной иттрием). В зависимости от концентрации газа между электродами устанавливается величина электродвижущей силы (ЕМК), то есть напряжение. Она используется в качестве измерительного сигнала. Второй электрод обычно обозначается как пассивный электрод и состоит, например, из платины. Первый электрод обозначается обычно как активный электрод и состоит из комплексной смеси оксида металлов, например оксида висмута и ванадия, BiVO4, с добавлением, например, такого металла, как 5% магний. Комплексные смеси материалов должны отвечать при этом ряду требований. Так, они должны быть в достаточной степени электропроводящими. Далее, они должны быть достаточно стабильными термически и химически в отношении зачастую горячей и агрессивной окружающей среды, в которой они должны применяться. И, наконец, комплексные смеси материалов должны быть, по возможности, избирательными катализаторами, то есть в измеряемой газовой среде они должны обеспечивать как можно меньшее количество химических реакций, в идеальном случае одну. Недостатком известных датчиков является то, что их конструкция, в частности конструкция комплексного первого электрода, является очень дорогостоящей.
Задачей, лежащей в основе изобретения, является создание электрохимического газового датчика, а также способа его изготовления, с помощью которого может быть реализована упрощенная конструкция этого датчика. Далее должны быть предоставлены сведения о принципе работы такого газового датчика, который позволяет добиться расширения функциональных возможностей.
В отношении электрохимического газового датчика задача решается посредством электрохимического газового датчика с признаками пункта 1 формулы изобретения. Касательно способа изготовления задача решается посредством способа изготовления электрохимического газового датчика с признаками пункта 24 формулы изобретения. Наконец, в отношении принципа работы задача решается посредством способа эксплуатации электрохимического газового датчика с признаками пункта 25 формулы изобретения. Последующие зависимые пункты формулы изобретения предпочтительно относятся к вариантам осуществления решения в соответствии с изобретением.
Электрохимический газовый датчик в соответствии с изобретением имеет один первый и один второй электроды. Оба электрода соединены посредством ионопроводящего материала. Первый электрод по меньшей мере частично покрыт первым каталитически активным материалом.
Электрохимический газовый датчик предпочтительно основан на том, что известным образом между электродами при наличии каталитически окисляемых газов возникает электродвижущая сила (ЕМК), то есть электрическое напряжение. Электроды предназначены обычно для измерения этого напряжения; поэтому целесообразно, чтобы электроды имели достаточную проводимость.
Ионопроводящие материалы также называются электролитическими материалами. В электрохимическом газовом датчике в соответствии с изобретением предпочтительно используется твердый электролитический материал. Примерами такого материала являются двуокись циркония, стабилизированная иттрием, известная также как YSZ, или двуокись циркония, стабилизированная скандием, ScSZ.
В электрохимическом газовом датчике электроды обычно не находятся в прямом контакте друг с другом, а находятся в контакте с электролитами для того, чтобы обеспечить возникновение напряжения между электродами в качестве реакции на газы.
При этом имеются различные варианты конструкции датчиков. В предпочтительном варианте датчик реализован в планарном исполнении. Для этого в предпочтительном варианте используется подложка. Ею может являться, например, пластинка оксида алюминия. Другими вариантами возможного исполнения являются, например, сапфировые, кварцевые или кремниевые подложки. Подложка непосредственно или опосредованно несет на себе другие элементы, то есть по меньшей мере электроды, ионопроводящий материал и каталитический слой. Они также реализованы как надстраиваемые друг над другом слои. Следующая конструктивная возможность состоит в варианте не планарной конструкции. В примере такой конструкции веретенообразный алюминиевый корпус несет на себе другие элементы. Электроды могут быть реализованы при этом, например, как проволочки, которые одновременно служат в качестве подвески для датчиков. Подложка не является необходимой во всех случаях. Так, электроды или ионный проводник могут быть реализованы таким образом, что несут на себе электрохимический датчик.
Первый электрод в соответствии с изобретением частично или полностью покрыт первым каталитически активным слоем. В предпочтительном варианте покрытие реализовано в зоне ионопроводящего материала. Предпочтительно, но не обязательно, каталитически активный слой полностью покрывает первый электрод в зоне ионопроводящего материала.
В способе изготовления газового датчика в соответствии с изобретением подготавливается ионопроводящий материал. Первый и второй электроды находятся в соединении с ионопроводящим материалом. Наконец, первый каталитический материал наносится на первый электрод таким образом, чтобы первый электрод по меньшей мере частично покрывался им. При этом последовательность осуществления этапов не играет никакой роли, причем в предпочтительном варианте изготовление осуществляется таким образом, что в датчике существуют зоны, в которых первый каталитический материал и ионный проводник соприкасаются друг с другом, и одновременно становится возможным доступ газа в эти зоны.
При работе электрохимического газового датчика в соответствии с изобретением между первым электродом и вторым электродом определяют электрическое напряжении в качестве измерительного сигнала.
На основании изобретения обнаружилось, что проблема известных электрохимических датчиков с двумя электродами состоит в том, что в них используется как пассивный электрод активный электрод, состоящий из комплексной смеси материалов. Эта смесь материалов должна, во-первых, обладать достаточной проводимостью, чтобы выполнять функцию электрода, а во-вторых, должна быть в достаточной степени химически и термически стабильной в среде измерения. Изготовление таких электродов требует больших затрат, и электроды, которые, например, состоят из смеси оксида металлов, такого как BiVO4, с 5% Mg, не обладают оптимальной проводимостью.
В предпочтительном варианте изобретения реализуется существенно более простая конструкция и тем самым более простой и благоприятный вариант изготовления датчика, если указанные функции электродов разделены. Для этого в соответствии с изобретением первый электрод соединен с первым каталитически активным материалом.
В предпочтительном варианте возможно объединить несколько датчиков в систему датчиков, причем эта система в таком случае может иметь множество первых и вторых датчиков. Избыточные элементы могут быть в таком случае исключены; при планарной конструкции может использоваться только одна подложка или, например, только один ионопроводящий слой для множества электродов. Система может быть предназначена, например, для получения большего объема информации по составу газа или может определять подобную информацию в качестве дополнительной опции.
Таким образом может быть реализован и первый электрод, который в зависимости от варианта осуществления датчика может обозначаться также как активный электрод, который предпочтительно по всей своей длине обладает лучшей проводимостью, чем известный активный электрод. Одновременно касательно первого каталитически активного материла в предпочтительном варианте можно прибегнуть к тому материалу, который известен, например, из окружающей среды при очистке ОГ легковых автомобилей или топочных установок. Удельное электрическое сопротивление материала при этом не является важным параметром, так как материал не должен быть электропроводящим, и может быть высоким или низким. Известные материалы зачастую легче в использовании, и их химическая и термическая стабильность известна и/или оптимизирована.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения первый электрод по меньшей мере на 20% состоит из металла. В других вариантах осуществления электрод по меньшей мере на 50% или по меньшей мере на 95% состоит из металла. Вариант осуществления из 20%, 50% или 95% смеси металлов или сплава при этом также возможен. В особо предпочтительном варианте осуществления электрод полностью состоит из металла, смеси металлов или сплава. Благодаря этому достигается особенно простое изготовление, а также более простая и экономичная конструкция, причем электрическая проводимость электрода в оптимальном варианте очень высока. Например, в качестве возможных для использования металлов рассматриваются золото и платина, которые подходят, в частности, для использования при высоких температурах. В зависимости от целей применения могут использоваться и другие металлы, например алюминий или сплав вольфрам-титан.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения возможно также, что смесь металлов не является однородной за счет того, что, например, один металл наносится на другой металл для обеспечения, например, улучшенной адгезии всего электрода. Следующая возможность для осуществления слоистой конструкции состоит в том, чтобы предусмотреть у первого электрода слой материала, который затрудняет диффузию инородного материала, например, из электролита.
Особо предпочтительно, если электроды в соответствии со следующими вариантом осуществления изобретения состоят из одинакового материала. Это делает возможным упрощенное изготовление, так как оба электрода могут быть получены, например, за один рабочий проход.
В качестве альтернативы возможно, однако, также использовать для обоих электродов различные материалы. Это может быть предпочтительным, например, если для первого электрода используется материал, который затрудняет диффузию инородного материала, например, из первого каталитически активного материала. Второй электрод может быть изготовлен в этом случае из более простого или экономичного материала.
Следующий предпочтительный вариант осуществления электрохимического газового датчика выявляется за счет того, что он имеет по меньшей мере дополнительный первый электрод. В предпочтительном варианте он по меньшей мере частично покрыт дополнительным каталитически активным материалом. Как и для первого электрода, в данном случае возможен один или несколько каталитических материалов. Вследствие этого становится возможным определение и оценка относительных напряжений между несколькими электродами по отношению друг к другу. Это может привести к инициированию избыточных, а потому гарантированных сигналов или к получению дополнительного объема информации.
Для этого в предпочтительном варианте между каждым первым электродом и вторым электродом определяется напряжение и используется в качестве измерительного сигнала.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения первый каталитически активный материал выбирается отличным от другого каталитически активного материала. Это означает, что оба или несколько первых электродов находятся в контакте, соответственно, с различными каталитическими материалами. Это делает возможным получение дополнительных независимых измерительных сигналов, которые позволяют, например, получить более точные данные о составе газа. Например, на основании сигналов с двух электродов можно сделать заключение о концентрации двух газов, даже если один или оба электрода в некоторой степени реагируют на оба газа. Таким образом, посредством двух или большего количества первых электродов можно реализовать интегрированную матрицу датчиков, то есть устройство, включающее в себя несколько датчиков. Преимущество в соответствии с изобретением в отношении сравнительно простого изготовления и конструкции в данном случае также остается неизменным за счет того, что функции электропроводимости и каталитической активности разделяются между электродом и соответствующим каталитически активным материалом.
Возможно сконструировать датчик, в котором для каждого первого электрода предусмотрен второй электрод, обычно обозначаемый как электрод сравнения. В предпочтительном варианте датчик имеет, однако, именно второй электрод, так как вследствие этого возможна экономия места и более упрощенная конструкция.
В предпочтительном варианте используется первый каталитически активный материал, который при температуре менее 800°C имеет удельное сопротивление по меньшей мере 1 мкОм·м. В других альтернативных вариантах материал при температуре менее 800°C имеет удельное электрическое сопротивление по меньшей мере 1 мОм·м; или при температуре менее 400°C он имеет удельное электрическое сопротивление по меньшей мере 1 мкОм·м или 1 мОм·м.
Следующий вариант осуществления изобретения состоит в том, что второй электрод по меньшей мере частично покрыт вторым каталитически активным материалом. Это означает, что по меньшей мере первый и второй электроды сконструированы аналогично или одинаково. В этом случае разделение электродов на активный и пассивный невозможно, напротив, электроды являются равноправными. В таком случае в предпочтительном варианте первый каталитически активный материал отличается от второго каталитически активного материала. Вследствие этого становится возможным газовый сигнал, если оба электрода находятся в среде измерения, то есть измеряют, в основном, одну и ту же газовую смесь.
В качестве альтернативы также может использоваться одинаковый каталитический материал. В таком случае целесообразным является, если электроды подвергаются воздействию различных газовых сред за счет того, что, например, один из электродов подвергается воздействию окружающей воздушной среды, а другой - среды измеряемого газа.
В соответствии со следующим альтернативным вариантом второй электрод по меньшей мере частично покрыт защитным материалом, в частности перовскитным, керамическим или каталитическим защитным материалом. Вследствие этого может быть обеспечена повышенная химическая стабильность.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый, второй и/или следующий каталитический материал имеет SCR-катализатор, например цеолит или оксид металла, такой как окись титана или окись ванадия, или NOx - накопительный катализатор, такой, например, как платина с барием. Под SCR-катализаторами понимаются известные сами по себе материалы, которые используются для избирательного каталитического восстановления (=SCR). Они известны как химически и термически стабильные и поэтому идеальны для использования. Они также не трудоемки в изготовлении.
Если в соответствии со следующим предпочтительным вариантом осуществления изобретения первый, второй и/или последующий каталитический материал является пористым материалом, то следствием этого является улучшенное проникновение газа и тем самым улучшенный сигнал датчика.
В предпочтительном варианте электрохимический газовый датчик имеет нагревательный элемент. В случае планарной конструкции датчика такой нагревательный элемент может быть выполнен, например, как нагревательный элемент в виде меандра, то есть как электрический нагреватель сопротивления. Альтернативным вариантом является проволочная нагревательная спираль, на которой выполнен датчик, например, на керамическом покрытии. Возможно также предусмотреть и более одного нагревательного элемента. Например, для каждого первого электрода может использоваться по нагревательному элементу. Следующий пример состоит в том, что датчик имеет один первый и один второй электроды, и для каждого электрода - нагревательный элемент.
Нагревательный элемент или нагревательные элементы предназначены для нагрева датчика, в частности для того, чтобы довести каталитически активные материалы до оптимальной рабочей температуры. Значение оптимальной температуры зависит от типа материала и определяемого газа. Таким образом, предпочтительно осуществлять и использовать нагреватель или нагреватели таким образом, чтобы по меньшей мере одна часть электродов в процессе работы постоянно могла нагреваться до различных температур. Таким образом, например, независимо друг от друга каждый из электродов может поддерживаться при собственной оптимальной температуре, что обеспечивает широкий спектр вариантов использования датчика. Значения температуры электродов различаются предпочтительно по меньшей мере на 20°C, в частности по меньшей мере на 100°C.
Чтобы избежать негативного влияния падения напряжения в нагревателе на процесс измерения, между нагревателем и электродами может быть предусмотрено экранирование, например, в виде эквипотенциального слоя между нагревательным элементом и электродами.
Электрохимический газовый датчик имеет в предпочтительном варианте температурный датчик, например он может быть реализован в элементе, который может быть также нагревателем, например, в виде платинового нагревательного меандра.
Особо предпочтительно, если в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения создается комбинированный газовый датчик, у которого дополнительно к электрохимическому газовому датчику реализован резистивный газовый датчик. Для этого по меньшей мере третий электрод выполнен таким образом, чтобы могла быть определена проводимость первого каталитического материала, или второго, или дополнительного каталитического материала. Для этого в предпочтительном варианте третий электрод находится в прямом контакте с первым, вторым или дополнительным каталитическим материалом. При этом очевидно, что для измерения первого каталитического материала целесообразно, чтобы третий электрод находился в прямом электрическом контакте с первым или вторым электродом не одновременно.
Вследствие этого создается возможность для того, чтобы наряду с электрохимическим измерительным сигналом или с электрохимическими измерительными сигналами получать дополнительный независимый сигнал, который в зависимости от материала может соответствовать сигналу резистивного газового датчика. Особо предпочтительным является то, что необходимые обычно для резистивного датчика конструктивные элементы, такие как нагревательный элемент или электрический считывающий элемент, реализуются с минимальными затратами или уже имеются.
В варианте осуществления изобретения возможно также использовать два собственных третьих электрода для считывания электрического сопротивления. Они могут быть выполнены как так называемые встречно-штыревые контакты, то есть в виде пальчиковых или гребенчатых зубчатых контактов. Это является особенно предпочтительным, если каталитический материал имеет высокое электрическое сопротивление, так как посредством встречно-штыревых контактов измеряется уменьшенное сопротивление.
Возможно также осуществлять в варианте осуществления изобретения несколько резистивных газовых датчиков, в случае если имеется несколько каталитически активных материалов. При этом за счет материала, расположенного внизу электродов, например золота и платины, может быть задано различие в чувствительности одинаковых каталитически активных материалов. Для этого предпочтительно для каждого из каталитически активных материалов выполняется по меньшей мере один третий электрод.
Следующая альтернативная или дополнительная возможность осуществления изобретения состоит в реализации 4-точечной измерительной конструкции для определения электрического сопротивления каталитических слоев посредством соответствующего осуществления третьих электродов.
Третьи электроды в предпочтительном варианте по меньшей мере частично располагаются на первом, втором или дополнительном каталитически активном материале. В качестве альтернативы один или несколько третьих электродов могут быть расположены на первом или других электродах и под первым, вторым или дополнительным каталитически активным материалом, причем в предпочтительном варианте между этими третьими электродами и первым электродом предусмотрен электрически изолирующий пористый материал.
Описанные датчики в предпочтительном варианте могут быть использованы в системе датчиков. В одном из вариантов осуществления по меньшей мере у одной части газовых датчиков в зоне, соответственно, одного из электродов может быть создано парциальное давление кислорода, которое может быть определенным, например, посредством того, что соответствующий электрод находится в контакте с окружающим воздухом, в то время как другие электроды находятся в контакте с измеряемым газом.
Предпочтительными вариантами использования системы или датчика являются следующие:
- в системе отвода выхлопных газов легкового автомобиля или грузового автомобиля, в частности, в дизельных транспортных средствах, например, для обнаружения аммиака в SCR или же для обнаружения других важных отработавших газов,
- в топочных установках, электростанциях или газовых турбинах для определения отходящих газов,
- в сочетании с катализаторами, состояние которых может быть проконтролировано на основании измерений датчика или системы датчиков,
- в грузовых автомобилях для обнаружения аммиака, по превышению содержания которого может быть установлено наличие карбамида для SCR,
- для определения аммиака при изготовлении удобрений,
- для обнаружения утечек в охлаждающих установках, использующих аммиак.
В примерах, главным образом, указаны варианты использования для обнаружения аммиака, однако датчик ни в коем случае не ограничивается только этим. Газы, которые могут быть обнаружены, в предпочтительном варианте за счет соответствующего выбора каталитически активных материалов могут быть очень гибко отрегулированы.
Другие преимущества и детали изобретения разъясняются на основании представленных на чертеже примеров вариантов осуществления. Фиг.1 и 2 демонстрируют электрохимический газовый датчик с двумя электродами на виде сверху и на виде сбоку. Фиг.3 и 4 демонстрируют электрохимический газовый датчик с тремя электродами, опять же на виде сверху и на виде сбоку. Фиг.5 и 6 демонстрируют комбинированный электрохимический и резистивный газовый датчик на виде сверху и на виде сбоку. Наконец, фиг.7 и 8 демонстрируют комбинированный электрохимический и резистивный газовый датчик на виде сверху и на виде сбоку. Фиг.9 схематично демонстрирует зависимость измерительных сигналов двух каталитически активных материалов от концентрации NO и NH3. Фиг.10 и 11 схематично демонстрируют временную характеристику реакций электрохимических и комбинированных датчиков на различные концентрации NO и NH3.
Фиг.1 и 2 схематично демонстрируют возможный вариант осуществления изобретения, причем фиг.1 демонстрирует вид сверху фрагмента первого электрохимического газового датчика 10, а фиг.2 демонстрирует тот же самый газовый датчик 10 на виде спереди. Первый электрохимический газовый датчик 10 реализован так же, как и другие представленные в качестве примеров датчики 20, 30, 40, в виде планарного датчика. Это означает, что важные элементы датчика в виде слоев нанесены на керамическую подложку 1, причем слои в большинстве своем тонкие в сравнении с их продольной длиной. Возможно также изготавливать датчики в соответствии с изобретением не в планарной технике. Например, газовые датчики также с успехом изготавливаются на трубках из оксида алюминия.
Первый вариант датчика 10 в соответствии с фиг.1 и 2 собран на керамической подложке 1. Она состоит, например, из оксида алюминия Al2O3. Одна сторона подложки, которая на фиг.2 изображает нижнюю сторону, имеет нагревательный меандр 12, в данном случае из платины. Другая сторона керамической подложки 1 имеет слой 2 электролита, например, из стабилизированного иттрием оксида циркония, обозначаемого обычно как YSZ. На слое 2 электролита рядом друг с другом предусмотрены один первый платиновый электрод 4 и один второй платиновый электрод 3. Они выступают за пределы слоя 2 электролита и служат для не показанного на фигурах более детально электрического отвода газового датчика 10. Первый платиновый электрод 4 в зоне слоя 2 электролита покрыт слоем 5 катализатора.
Первый вариант датчика 10 в предпочтительном варианте реализован, таким образом, посредством легко изготавливаемой конструкции за счет того, что используются два, например, полностью аналогичных платиновых электрода 3, 4. Разная реакция на различные газы достигается за счет слоя 5 катализатора на первом платиновом электроде 4.
Второй вариант датчика 20 схематично показан на фиг.3 и 4. Второй вариант датчика 20 собран частично аналогично первому варианту датчика 10, и в дальнейшем мы остановимся на их различиях. Второй вариант датчика 20 имеет в отличие от первого варианта датчика 10 дополнительный первый платиновый электрод 6, причем дополнительный первый платиновый электрод 6 покрыт следующим слоем 7 катализатора. Предпочтительно следующий слой 7 катализатора отличается от материала слоя 5 катализатора. За счет этого в предпочтительном варианте регулируется различная чувствительность на газ дополнительного первого платинового электрода 6 и первого платинового электрода 4, вследствие чего второй вариант датчика 20 может предоставить больше информации по сравнению с первым вариантом датчика 10.
В примере осуществления изобретения используется первый катализатор, чувствительный к NH3 и NO. Другой первый электрод имеет второй катализатор, который реагирует лишь на NH3. От электродов можно получить сигналы, которые схематично представлены на фиг.9. Можно увидеть, что второй катализатор не реагирует на NO. Посредством соответствующего сравнения измерительных сигналов, например, линейной комбинации, на основании измерительных сигналов можно определить концентрации NO и NH3. Фиг.10 схематично демонстрирует реакцию, то есть измерительный сигнал, который для обоих катализаторов может быть снят на электродах при подаче различных концентраций NO и NH3 в окружающую среду такого газового датчика.
Фиг.5 и 6 схематично демонстрируют первый комбинированный датчик 30. Для лучшей наглядности на фиг.5 при этом не изображена керамическая подложка 1.
Первый комбинированный датчик 30 имеет по аналогии с первым вариантом датчика 10 первый 4 и второй 3 платиновые электроды, причем первый платиновый электрод 4 также покрыт слоем 5 катализатора. В отличие от первого датчика 10 первый комбинированный датчик 30 имеет третий электрод 8, который частично располагается на слое 5 катализатора. Благодаря этому наряду с первым платиновым электродом 4 посредством третьего электрода 8 создается следующий электрический контакт для слоя 5 катализатора. Посредством первого платинового электрода 4 и третьего электрода 8 могут быть распознаны и сняты изменения электропроводимости слоя 5 катализатора. Эти изменения электропроводимости могут использоваться в качестве измерительного сигнала дополнительно к электрохимическому измерительному сигналу, который снимается посредством первого 4 и второго 3 платиновых электродов. Слой 5 катализатора в соединении с третьим электродом 8 и первым платиновым электродом 4 функционирует, таким образом, как резистивный газовый датчик. Если слоем 5 катализатора является слой оксида металла, то речь идет о резистивном металлооксидном газовом датчике. Первый комбинированный датчик 30 представляет собой, таким образом, комбинацию из электрохимического газового датчика и резистивного газового датчика.
Следующий альтернативный вариант конструкции в соответствии с изобретением в виде второго комбинированного датчика 40 схематично представлен на фиг.7 и 8. Второй комбинированный датчик 40 также имеет на слое 2 электролита первый платиновый электрод 4 со слоем 5 катализатора. Наряду с этим на втором платиновом электроде 3 предусмотрен следующий слой 7 катализатора. При этом предпочтительно слой 7 катализатора и слой 5 катализатора состоят из различных материалов. Для того чтобы второй комбинированный датчик 40 также реализовывал резистивный газовый датчик, предусмотрены третий электрод 8 и дополнительный третий электрод 9. Частично они располагаются на слое 5 катализатора и в зоне слоя 5 катализатора выполнены в виде так называемых встречно-гребенчатых контактов. У второго комбинированного датчика 40 проводимость слоя 5 катализатора определяется, таким образом, посредством третьего 8 и дополнительного третьего 9 электродов. Первый платиновый электрод 4 не должен принимать участие в процессе.
Предпочтительно слой 7 катализатора имеет высокое удельное электрическое сопротивление или вместо слоя 7 катализатора укладывается изолирующий защитный слой над вторым платиновым электродом. В этом случае дополнительный третий электрод 9, как представлено на фиг.7, может выполняться в данном альтернативном варианте осуществления над вторым платиновым электродом 3 со слоем 7 катализатора или с защитным слоем, без существенного искажения измерительных сигналов.
На фиг.11 представлена схематичная характеристика сигнала для такого комбинированного датчика. Во-первых, показана реакция напряжения между электродами, то есть электрохимический сигнал, во-вторых, реакция проводимости катализатора, то есть резистивный сигнал, который аналогичен резистивному сигналу металлооксидного газового датчика. И в данном случае посредством соответствующей комбинации измерительных сигналов, например линейной комбинации, можно определять концентрации целевых газов, в данном случае, например, NO и NH3.
Благодаря возможностям вариантов осуществления, которые предоставлены посредством второго варианта датчика 20 и второго комбинированного датчика 40, особо предпочтительная возможность осуществления состоит в том, чтобы выполнять нагревательный меандр 12 таким образом, чтобы он нагревал керамическую подложку 1, а в результате этого и соответствующий датчик 20, 40 в различных местах с различной интенсивностью. Посредством этого может быть достигнуто то, что различные слои 5, 7 катализатора на датчике имеют соответственно различную оптимальную температуру. Альтернатива состоит в том, чтобы использовать несколько приводимых в действие отдельно друг от друга нагревательных меандров. Следующая предпочтительная возможность осуществления, представленная в данном примере на фиг.2, 6 и 8, состоит в использовании так называемого эквипотенциального слоя 11. Этот металлический проводящий слой 11 в виде плоскости интегрирован в керамическую подложку 1 и предотвращает влияние нагревательного меандра 12 на напряжение, измеряемое между электродами 3, 4, 6, обусловленное падением напряжения на нагревательном меандре. Удобно также использование нагревателя 12 одновременно в качестве температурного датчика.
Изобретение относится к газовым датчикам, используемым во многих областях техники для удовлетворения растущих требований по экологии и безопасности. Изобретение касается комбинированного газового датчика, содержащего электрохимический газовый датчик с первым и вторым электродами и резистивный газовый датчик, реализованный посредством третьего электрода, при этом первый и второй электроды соединены посредством ионопроводящего материала, причем первый электрод по меньшей мере частично покрыт первым каталитически активным материалом, а третий электрод размещен в непосредственном контакте с первым каталитически активным материалом и не находится в непосредственном контакте с первым электродом. Изобретение также относится к системе датчиков, способу изготовления комбинированного газового датчика, способу работы комбинированного газового датчика. Технический результат - упрощение конструкции датчика, расширение функциональных возможностей. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 11 ил.
1. Комбинированный газовый датчик, содержащий электрохимический газовый датчик с первым и вторым электродами и резистивный газовый датчик, реализованный посредством третьего электрода, при этом первый и второй электроды соединены посредством ионопроводящего материала, причем первый электрод по меньшей мере частично покрыт первым каталитически активным материалом, а третий электрод размещен в непосредственном контакте с первым каталитически активным материалом и не находится в непосредственном контакте с первым электродом.
2. Комбинированный газовый датчик по п.1, в котором первый электрод по меньшей мере на 20% состоит из металла, в частности из золота или платины.
3. Комбинированный газовый датчик по п.1 или 2, в котором первый и второй электроды состоят из одинакового материала.
4. Комбинированный газовый датчик по п.1, характеризующийся тем, что содержит по меньшей мере один дополнительный первый электрод, который по меньшей мере частично покрыт по меньшей мере дополнительным каталитически активным материалом.
5. Комбинированный газовый датчик по п.4, в котором первый каталитически активный материал отличается от указанного дополнительного каталитически активного материала.
6. Комбинированный газовый датчик по п.1 или 4, характеризующийся тем, что содержит один второй электрод.
7. Комбинированный газовый датчик по п.1, в котором первый каталитически активный материал при температуре ниже 800°С имеет удельное сопротивление по меньшей мере 1 мкОм·м.
8. Комбинированный газовый датчик по п.1 или 4, в котором второй электрод по меньшей мере частично покрыт вторым каталитически активным материалом.
9. Комбинированный газовый датчик по п.8, в котором первый каталитически активный материал отличается от второго каталитически активного материала.
10. Комбинированный газовый датчик по п.8, в котором первый, второй и/или дополнительный каталитический материал является SCR-катализатором или NOx-накопительным катализатором.
11. Комбинированный газовый датчик по п.8, в котором первый, второй и/или дополнительный каталитический материал (5, 7) является пористым материалом.
12. Комбинированный газовый датчик по п.1 или 4, в котором второй электрод по меньшей мере частично покрыт защитным материалом, в частности, перовскитным, керамическим или каталитическим защитным материалом.
13. Комбинированный газовый датчик по п.1, который содержит по меньшей мере один нагревательный элемент.
14. Комбинированный газовый датчик по п.4, который содержит по нагревательному элементу на каждый первый электрод.
15. Комбинированный газовый датчик по п.13 или 14, в котором нагревательный элемент выполнен таким образом, что электроды одновременно нагреваются до различных температур.
16. Комбинированный газовый датчик по п.13 или 14, который содержит эквипотенциальный слой между нагревательным элементом и первым и вторым электродами.
17. Комбинированный газовый датчик по любому из пп.1, 4, 13, 14, характеризующийся тем, что содержит температурный датчик.
18. Комбинированный газовый датчик по п.17, в котором температурный датчик и нагревательный элемент выполнены в виде одного элемента.
19. Комбинированный газовый датчик по п.1, характеризующийся тем, что содержит дополнительный третий электрод.
20. Комбинированный газовый датчик по п.19, в котором третьи электроды выполнены в виде встречно-гребенчатых электродов.
21. Комбинированный газовый датчик по п.1, в котором третий электрод по меньшей мере частично размещен на первом каталитически активном материале.
22. Комбинированный газовый датчик по п.1, в котором на первом электроде и под первым каталитически активным материалом выполнен один или несколько третьих электродов, причем между этими третьими электродами и первым электродом размещен электрически изолирующий пористый материал.
23. Система датчиков, характеризующаяся тем, что содержит по меньшей мере один комбинированный газовый датчик по любому из пп.1-22, при этом первый или второй электрод, по меньшей мере, части газовых датчиков находится в контакте с окружающим воздухом, имеющим определенное парциальное давление кислорода.
24. Способ изготовления комбинированного газового датчика по любому из пп.1-22, характеризующийся тем, что
- обеспечивают ионопроводящий материал,
- выполняют первый электрод в соединении с ионопроводящим материалом,
- выполняют второй электрод в соединении с ионопроводящим материалом,
- наносят на первый электрод первый каталитически активный материал так, чтобы по меньшей мере частично покрыть первый электрод,
- выполняют третий электрод, реализующий резистивный газовый датчик, в непосредственном контакте с первым каталитически активным материалом, но без непосредственного контакта с первым электродом.
25. Способ работы комбинированного газового датчика по любому из пп.1-22, характеризующийся тем, что определяют электрическое напряжение между первым электродом и вторым электродом в качестве измерительного сигнала.
26. Способ по п.25, в котором используют газовый датчик по меньшей мере с двумя первыми электродами, причем для первых электродов определяют соответствующее электрическое напряжение между соответствующим первым электродом и вторым электродом в качестве измерительного сигнала.
27. Способ по п.25, в котором определяют электрическое сопротивление по меньшей мере одного из каталитических слоев в качестве дополнительного измерительного сигнала.
28. Способ по любому из пп.25-27, в котором обеспечивают в зоне первого или второго электрода постоянное парциальное давление кислорода.
| DE 102006016033 A1, 11.10.2007 | |||
| US 20070125664 A1, 07.06.2007 | |||
| DE 4408504 A1, 21.09.1995 | |||
| Электрохимический датчик кислорода | 1984 |
|
SU1182375A1 |
| US 4839019 A, 13.06.1989 | |||
| ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ ДАННОГО ДАТЧИКА | 1994 |
|
RU2106621C1 |
| ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С ТВЕРДЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ | 1993 |
|
RU2037918C1 |
