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WO2006005332A2 - Festelektrolyt-gassenor mit heizelement - Google Patents

Festelektrolyt-gassenor mit heizelement Download PDF

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WO2006005332A2
WO2006005332A2 PCT/DE2005/001241 DE2005001241W WO2006005332A2 WO 2006005332 A2 WO2006005332 A2 WO 2006005332A2 DE 2005001241 W DE2005001241 W DE 2005001241W WO 2006005332 A2 WO2006005332 A2 WO 2006005332A2
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WO
WIPO (PCT)
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conductor
carrier substrate
base plate
gas
heating element
Prior art date
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Ceased
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PCT/DE2005/001241
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English (en)
French (fr)
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WO2006005332A3 (de
Inventor
Dirk Tuchtenhagen
Gunnar Jung
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Aceos GmbH
Original Assignee
Aceos GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority claimed from DE200410048979 external-priority patent/DE102004048979B4/de
Priority claimed from DE200420015400 external-priority patent/DE202004015400U1/de
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Publication of WO2006005332A3 publication Critical patent/WO2006005332A3/de
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
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    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Definitions

  • the invention relates to devices for determining the properties of a gas with a planar at least one heating element with a temperature greater than 290 ° C operated gas sensor on a support substrate for one and thus in a measuring chamber.
  • Solid electrolyte sensors use the property of certain ionic crystals, already discovered in 1899 by W. NERNST, to transport the electric current in the form of ions at elevated temperature.
  • Two basic arrangements are known as
  • Potentiometric (galvanic) solid electrolyte cells as known inter alia from EP 0 861 419 Bl (method and apparatus for the simultaneous measurement of a volumetric flow and gas partial pressures), known to operate according to the NERNST equation, wherein at a known temperature and known potential at the reference electrode the cell voltage is linearly dependent on the logarithm of the activity or the partial pressure of the component to be measured. Furthermore, the solid electrolyte is a pure ion conductor. The absolute size of the cell voltage depends on the difference between the measuring and reference potential. As possible errors increase with increasing difference of these potentials, the difference between measuring and reference gas pressure should not be too large. The ionic conductivity of the solid electrolyte cell is furthermore temperature-dependent.
  • the invention specified in claim 1 is based on the object, simply 2x1 realizing devices for determining the properties of gases with a combintem- perierbaren gas sensor with a high resolution to create.
  • the devices for determination of characteristics of a gas having a planar overschreibs ⁇ least one heating element having a temperature greater than 290 0 C operated gas sensor on a carrier substrate for a and in a measuring chamber are distinguished in particular by a very simple structure, so that this very are economically produced.
  • the gas sensor consists of a carrier substrate with thin layers for at least one heater, a solid electrolyte and electrodes.
  • the substrate substrate consists of known alumina, glass-ceramic or zirconia-Aluminiumoxyid- materials.
  • the devices are advantageously suitable for gas measurement, which require high operating temperatures.
  • the gas sensors are equipped with a heater that allows an operating temperature of more than 290 ° C.
  • the planar gas sensor is arranged on one surface of the carrier substrate and the heating element is arranged on another surface of the carrier substrate.
  • the heating element is an electrical resistance element with at least two supply lines. At least one conductor is connected as a potential tap to the heating element.
  • This heating element consists of tracks on the carrier substrate.
  • the planar gas sensor consists of at least one layer of a solid electrolyte and two applied tracks as electrodes for measuring either the applied electrical voltage or the current flowing through the electrodes electrical current, wherein the carrier substrate at least with the electrical resistance element and thus heated solid electrolyte in the measuring chamber of the Housing are located.
  • the heating element can serve by such an implementation for measuring the temperature and / or the temperature distribution and / or the power input.
  • the Temperatur ⁇ measurement on the device erfogt only the constant temperature range to be maintained, thereby improving the resolution of the temperature measurement at equally accurate measuring devices and errors of the Temperature measurement can be eliminated by heating supply and connection areas.
  • at least one conductor is connected as a potential tap to the electrical resistance element and / or to at least one of the supply lines.
  • the heater is used as an electrical resistance element directly for temperature determination. This reduces the inertia of the control process, whereby the measured variable and the manipulated variable are more directly related and control algorithms can be simplified and accelerated. Influencing the properties of heated components or devices with respect to the flow velocity and the temperature of the inflowing medium is reduced or eliminated. For constant properties, it is necessary to keep the temperature distribution of the electrical resistance element as constant as possible and to ensure only the smallest possible deviations from the setpoint temperature even in the event of disturbing influences. Due to the self-adjusting temperature gradient due to the heat conduction through the component, which can not be completely suppressed, to the component fastening, it is necessary to extend the heat input to the entire apparatus.
  • a major problem in this case is that the electrical resistance of the leads falsifies the precise determination of the electrical resistance of the electrical resistance element and thus its temperature to be kept constant.
  • the ratio of the electrical resistance of the electrical resistance element to the electrical resistances of the supply lines must be as large as possible, so that even very small changes in either a cooling or heating can be detected.
  • a reduction in the electrical resistances of the supply lines is known to minimize their falsifying influences.
  • the electrical resistance of the leads can not be reduced arbitrarily. Borders are given by the space and the warmth of the entire facility.
  • the sensitive area and the supply area can thus be detected separately by measurement.
  • conductors as Potentialabgriffe the electrical resistance of the electrical resistance element and thus the average temperature can be determined accurately.
  • the influence of the supply lines is completely eliminated and the manipulated variable of the control process can be calculated so that the electrical resistance of the electrical Resistance element and not the electrical resistance of the electrical marss ⁇ element including the leads is kept constant.
  • the heating element is further characterized by a reduced dependence of the flow rate, since the supplied heating power is a direct measure of the flow parameters to be determined. There may be a measurement of both magnitude and direction by determining the temperature distribution on the device. Depending on the flow conditions, a characteristic temperature or resistance distribution is formed. The higher the flow velocity, the greater the temperature differences of the individual regions of the device compared to the state without flow. At a fluid temperature that is lower than the temperature of the device, areas that are more heavily flowed will cool more strongly than areas that are less affected. These effects can be used to determine the magnitude and the one- and multi-dimensional direction of a flow with the aid of a single electrical resistance element. A subdivision into additional areas enables the detection of further directional components of the flow.
  • the resistance element according to the embodiment of claim 2 has the shape of a meander, a polygon, a conic or at least a combination of two of these forms and a web-shaped conductor as potential tap is centrally located on the sheet-shaped resistor element and connected thereto. This makes it possible to determine the electrical resistance of both the one half and the other half of the device. Temperature differences between the halves can be demonstrated by the specific electrical resistance of the webs. Several web-shaped conductors as potential taps advantageously lead to an increase in the resolution of the temperature distribution over the electrical resistance element.
  • the temperature distribution can be determine via the device so that a two-dimensional direction detection of a flow is possible.
  • successive layers of the solid electrolyte, electrodes with connection tracks and an diffusion barrier covering an electrode up to its connection track are arranged as an oxygen sensor on a region of the carrier substrate.
  • the solid-state electrolyte consists of a doped and ion-conducting zirconium oxide, the chemical interaction between the gas component as oxygen and the solid electrolyte in conjunction with the electrodes causing an electrical charge transport.
  • the diffusion barrier is a printed layer of a glass, aluminum oxide or a combination thereof.
  • the oxygen measurement is based on an amperometric circuit based on the principle of the diffusion limit current probe. With the aid of a direct voltage applied to the two electrodes, an electric current flows through the solid electrolyte as a functional ceramic with the transported oxygen ions as a circuit. In this case, molecular oxygen is converted into ionic oxygen at the cathode, transported to the anode by the applied voltage and converted there back into molecular oxygen. If the solid electrolyte is a pure ion conductor, Faraday's laws apply. The first Faraday's law is used in the form of coulometric measurement methods, the mass of the electrochemically reacted substance being proportional to the amount of electricity flowed.
  • the electrical conductivity of a solid is determined primarily by its atomic lattice structure.
  • the charge transport in a ceramic solid electrolyte takes place above all through defects.
  • the cause of these defects may be thermal or contaminant-induced disordering of the lattice structure, as well as macroscopic lattice disturbances, for example, as dislocations or grain boundaries.
  • the charge transport can occur by changing the location of the atomic lattice defects (ion transport) or by the migration of electrons or holes between the charged lattice defects walk.
  • Every ceramic is basically a mixed conductor. If the density of the defects is low, such as in an undisturbed crystal, then there is an insulator. Ionically conductive ceramics are formed by increasing the number of ionic defect sites through the targeted introduction of impurities (dopants). An increase in the concentration of any kind of defects can be achieved by increasing the temperature.
  • the base material for the electrolyte is zirconium dioxide. This material has good mechanical and thermal properties. Pure zirconia is present at ambient temperature in a monoclinic lattice structure. From about 1150 ° C, this transforms into a tetragonal and from 2370 ° C in a cubic lattice structure.
  • pure zirconium dioxide is doped with diyttrium trioxide.
  • a stabilization of the highly conductive cubic phase is achieved, which is then also at room temperatures.
  • the ionic conductivity of this ceramic is comparable to liquid electrolytes at temperatures above 600 ° C.
  • Solid-state gas sensors convert the chemical interaction between gas component and sensor material (ion conduction) into an electrical signal.
  • the interaction between the gas component and the solid can only be converted into an electrical signal through the exchange and transport of electrons. This presupposes the presence of metallically conductive or semi-conductive surface areas and electrodes in the area of the gas-solid interaction, since the solid electrolyte itself has no or only a negligible electron conduction.
  • the noble metals used as electron conductors have no transport properties for oxygen or for ions. Therefore, in the gas-solid-state reaction toward electric charge transport, a chain of physicochemical phenomena at the gas / electrode / solid electrolyte interface, also known as the three-phase boundary, proceeds.
  • the reaction at the Fest redesignober ⁇ surface is preceded by the arrival and Abdiffusion the gaseous components in the gas space.
  • the primary step in the interaction between the solid surface and the gas component is adsorption / desorption.
  • the inflow of oxygen to the cathode is limited by a diffusion barrier, wherein Due to the physical properties of the diffusion, the measurable sensor current in the range of 0-100% oxygen is linearly dependent on the oxygen concentration.
  • the two-point calibration customary with potentiometric sensors is dispensed with and thus the use of reference gas (reference chamber) for calibrating the sensor becomes superfluous.
  • reference gas reference chamber
  • the materials of the electrodes perform two functions. On the one hand, these are the electrical conductors for the closure of the measuring circuit and on the other hand, in combination with the solid electrolyte, they influence the gas exchange with the environment.
  • the volume flow can be determined on the basis of the required heating power to ensure these temperatures.
  • the gas sensor is cooled and it is a larger heat output for a constant temperature necessary.
  • the volume flow is dependent on the difference between the heating power in the streamed state and the heating power in the non-streamed state.
  • the solid electrolyte is advantageously according to the embodiment of claim 5, a layer of a zirconium oxide doped with Diyttriumtrioxid with a layer thickness of the doped zirconia greater than or equal to 1 micron and less than or equal to 500 microns as Fest redesign ⁇ electrolyte.
  • the layers as a solid electrolyte, electrodes with connection tracks, diffusion barrier and heating element with connection tracks are advantageously applied according to the embodiment of claim 6 by means of the known screen printing technique.
  • the layer is pressed by a stencil which is on a sieve-like fabric or part of the sieve-like fabric of a printing frame by doctor blade on the plate-shaped support.
  • a wiring of the sensor according to the embodiment of claim 7 both the oxygen and the volume or the flow of a gas can be measured with a sensor.
  • layers of the solid-state electrolyte and electrodes as a measuring electrode and a reference electrode, each with a connecting path according to the embodiment of claim 8, are arranged successively as a carbon monoxide sensor.
  • the reference electrode consists of either platinum or a platinum-YSZ mixture and the measuring electrode is a metal or a metal mixture.
  • the solid electrolyte consists of an yttrium-stabilized zirconium oxide, wherein between the measuring electrode and the reference electrode, a voltage potential in dependence of the carbon monoxide partial pressure is applied.
  • Layers of the solid-state electrolyte, electrodes as a measuring electrode and a reference electrode, each with an attachment path and metal carbonate on the measuring electrode according to the embodiment of patent claim 9, are successively arranged as a carbon dioxide sensor on a region of the carrier substrate.
  • the reference electrode and the measuring electrode are made of either gold or a gold-sodium ion conductor mixture.
  • the solid electrolyte consists of a sodium ion conductor, wherein a voltage potential is applied between the measuring electrode and the reference electrode as a function of the carbon dioxide partial pressure.
  • the development of claim 10 leads to sensors, which are characterized in particular by a thermal insulation between the sensor element and the sensor holder / sensor attachment with simultaneous alignment and positioning relative to an easily fixable base plate.
  • the base plate is advantageously at the same time the Sensorbe ⁇ consolidation.
  • the base plate has an opening for receiving the end region with the gas sensor and the heating element opposite end region of the carrier substrate, so that the heated gas sensor is arranged at a distance from the base plate.
  • the opening is advantageously at the same time the fixation of the carrier substrate, so that predetermined positions of the gas sensors, for example, in the measuring space of the housing can be easily realized.
  • the dimensions can be chosen so that a clamping connection between Susun ⁇ substrate and base plate is given, so that a fixed position of the carrier substrate gegen ⁇ on the base plate is already present during the joining.
  • a very accurate alignment of the gas sensors and heating elements is easily possible, so that easily, for example, different angle of attack can be adjusted.
  • the opening is also an assembly aid. With the base plate easy handling and mounting option is available. The same applies to an exchange with the same measuring chambers, so that measuring chambers for a variety of tasks are easily feasible.
  • a low-cost gas sensor can also be made available as Secker.
  • the handling and mounting of the base plate is easily possible and automated, so that cost and therefore economical gas sensors are available.
  • the base plate can also be designed as a component carrier, resulting in the most diverse applications. This is
  • the connections of the tracks of the base plate with those of the carrier substrate are metallic wire, ribbon or solder bridges.
  • the conductor tracks of the base plate can also be used as contacts or as electrical connections to component connections, so that the base plate is at the same time a component carrier.
  • Components can also be connecting elements, so that electrical contacting is easily possible.
  • the carrier substrate and the base plate are connected according to the embodiment of claim 11 via a compound of a temperature-resistant and a poor thermal conductivity auf ⁇ facing adhesive, so that a large heat input into the base plate can be prevented.
  • an adhesive with a low heat conductance is advantageously used.
  • this is a temperature-resistant and advantageously a gas-tight adhesive, so that a mechanical impairment of the adhesive layer is largely avoided.
  • a ceramic adhesive or an epoxy resin adhesive is used.
  • the further developments of claim 12 enable an automated production of the metallic solder bridges between the conductor tracks of the carrier substrate and those of the base plate.
  • the bulges between adjacent tracks of the base plate advantageously prevent bridging between adjacent tracks.
  • a housing for a device for determining the property of a gas with oxygen with a gas sensor on a plate-shaped carrier is characterized in particular by a simple structure. At the same time, there is little heating of both the environment and the gas to be analyzed.
  • a first tube is arranged at a distance in a second tube, the gas sensor is located in the first tube, there is a spatial connection between both the intermediate space and the space in the first tube and the tubes in the housing are connected and disconnected ⁇ tions provided for the gas to be analyzed and bushings of the electrical lines for the gas sensor, wherein between the wall of the second tube and the corresonding thereto arranged housing a distance and thus an interior is present.
  • the two tubes and the housing advantageously function as a heat exchanger, wherein supplied cold gas to be analyzed is heated by the hot gas to be analyzed at the sensor. At the same time, the gas to be analyzed at the sensor is cooled by the inflowing gas to be analyzed. This simultaneously reduces the required Heating power, a reduction in the outside temperature of the housing and a reduction in the temperature of the discharged gas to be analyzed. As a result, a compact construction of the housing is available.
  • the gas sensor is located in the space of a tubular body as a housing. An opening and thus an end is the gas inlet, so that with the gas sensor both for oxygen measurement and for volume flow and / or flow measurement can be used.
  • connection fittings for the supply and discharge of the gas to be analyzed so that this housing can be easily integrated with the gas sensor in measuring systems.
  • hose lines can be connected, so that connections to suction devices can be easily established.
  • the end region of the tubes are fixed according to the embodiment of claim 16 at least in the base plate of the housing. This results in a simple realization of the housing. This is available for gas sensors.
  • the second tube is according to the embodiment of claim 18 advantageously a bushing with a ⁇ f ⁇ hung for receiving a portion of the first tube, so that there is a simple structure and a simple fixation of the tubes to each other.
  • the second tube has a pointing in the direction of the interior opening for the gas to be analyzed and both the base plate and the housing each have at least one opening to the interior of the housing and on the base plate of the housing, a fan for generating an air flow is arranged in the interior, advantageously leads to an air flow in the housing.
  • This air flow causes a negative pressure at the opening of the second tube, so that the gas to be analyzed from the first tube is sucked through the gap and passes with the air flow through the opening in the housing to the outside.
  • 1 shows a gas sensor both for oxygen measurement and for volume flow and / or
  • Fig. 2 shows a gas sensor both for oxygen measurement and for volume flow and / or
  • FIG. 3 shows a measuring circuit with a sensor for both oxygen measurement and for the purpose of measuring oxygen in an exploded view
  • Volume flow and / or flow measurement shows a device with web-shaped supply lines respectively applied on a support, resistance element in a meandering form and conductor as potential tap, FIG.
  • FIG. 5 shows a device with web-shaped supply lines respectively applied on a support, resistance element in a meandering form and two conductors as potential tap, FIG.
  • FIG. 7 shows a device with web-shaped supply lines respectively applied on a carrier, resistive element in a meandering form, and twelve conductors as potential tap, FIG.
  • FIG. 16 shows the connection of the illustration in FIG. 15 in a plan view
  • Fig. 18 shows a first housing with a gas sensor
  • 19 shows a second housing with the gas sensor in two views.
  • a sensor for oxygen measurement as well as for volumetric flow and / or Anströmmes ⁇ solution consists essentially of a support substrate in the form of a plate-shaped support 1 with a sensor and a heating element 6, each arranged on opposing Ober ⁇ surfaces of the plate-shaped support 1 are.
  • 1 shows in principle a sensor for both the oxygen measurement and the volume flow and / or flow measurement in a sectional view.
  • the plate-shaped carrier 1 is an electrical insulator made of aluminum oxide.
  • the sensor element consists of successively applied layers of a solid electrolyte 2, of electrodes 3, 4 with connection tracks and a layer 3 covering an electrode 3 up to its connecting track as diffusion barrier 5.
  • the solid electrolyte 2 is a Diyttriumtrioxide-doped and ion-conducting zirconium oxide with a layer thickness greater / equal to 1 micron and less / equal to 500 microns applied. This causes the chemical interaction between the gas component as oxygen and the solid electrolyte 2 in conjunction with the electrodes 3, 4 and an electric charge transport.
  • the elec trodes 3, 4 including their connection tracks are made of platinum and are applied as comb-like structures, wherein the teeth of the comb-like structures are each arranged alternately spaced parallel to each other (representation in FIG. 2).
  • the layer as a diffusion barrier 5 made of glass and / or aluminum oxide completely covers a cathode 3 representing the cathode except for the connecting track.
  • a layer of an electrical conductor made of platinum is arranged as at least one heating element 6.
  • a conductor track 7 as potential tap is connected at a distance from the connecting tracks to the heating element 6 (illustration in FIG. 2).
  • the components of the sensor are successively applied as a layer on the plate-shaped carrier 1 by means of screen printing.
  • the plate-shaped support 1 is located with the sensor element and the heating element in the measuring chamber with the gas to be measured.
  • a reference chamber with a reference gas is not necessary.
  • the electrode 3 covered by the diffusion barrier 5 is connected to the cathode of a first electrical energy source 8 and the other electrode 4 is connected to the anode of the first electrical energy source 8 via an ammeter and the connections of the electrical heating element 6 to a second electrical energy source 9 ,
  • For simultaneously possible volume or flow measurement are a connection of the electric heating element 6 and the conductor 7 with a first voltmeter and the other terminal of the electric heating element 6 and the conductor 7 with a Connected second voltmeter. The voltage drop of the regions of the electrical heating element 6 is thereby measured via the voltmeter.
  • FIG. 3 shows a measuring circuit with a sensor for oxygen measurement as well as for volume flow and / or flow measurement.
  • the plate-shaped carrier 1 is preferably a plate in particular of an Al 2 ⁇ 3 ceramic, a glass or quartz.
  • the layers as resistive and / or conductive track pastes are applied using known thin-film or thick-film technology.
  • the thick-film technique as an additive technique, for example, the screen, stencil or pad printing method is used.
  • the resistive and conductive track pastes consist of hardened pasty mixtures of an organic and / or inorganic binder with pulverulent metals and metal oxides.
  • subtractive techniques can be used, wherein a layer is removed in regions.
  • the sheet-shaped resistance element 10 is applied in a meandering shape and a sheet-shaped conductor 7 as Potential tap is centered on the sheet-shaped resistance element 10 and connected thereto (shown in FIG. 4).
  • a plurality of sheet-shaped conductors 7a, 7b,... 7n are connected as potential taps to the sheet-like resistance element 10 applied in a meandering form (illustrations in FIGS. 5 and 7).
  • the leads are the resistors Rl and R3, the resistors of the strip-shaped leads I Ia, Ib and the resistance R2 is the resistance of the sheet-shaped resistive element 10.
  • the exact determination of the introduced electrical power is the basis, for example, for use as a temperature-constant anemometer, since the power supplied is a direct measure of the flow parameters to be determined.
  • RN for three or more conductors as potential taps) in comparison to the state without incident flow.
  • a temperature of the flowing medium that is lower than the temperature of the device, For example, areas of the device that are more heavily flowed will cool more strongly than areas that are less affected.
  • the sheet-shaped resistance element 10 of two spaced apart and connected together in series connected sheet resistance elements I Ia, Ib in Guran ⁇ derformen, wherein a web-shaped conductor 7c as a potential tap center of a meandering shape and in each case a further web-shaped conductor 7a, 7b are arranged as a potential tap at the connection points of the meandering forms and connected thereto (representation in FIG. 8). If this device is flown, the temperature distribution over the device can be determined so that a two-dimensional directional detection of a flow is possible.
  • FIG. 9 shows a carbon monoxide sensor in a sectional view.
  • the electrode 4 as a reference electrode consists of either platinum or a platinum-YSZ mixture and the electrode 3 as a measuring electrode is a metal or a metal mixture.
  • the layer of the solid electrolyte 2 consists of an yttrium-stabilized zirconium oxide, wherein between the measuring electrode and the reference electrode aists ⁇ potential as a function of the Kohlenmonoxidpartial horres at an operating temperature between 35O 0 C and 800 ° C is applied.
  • This voltage potential is connected to the voltmeter Electrodes 3, 4 measured (shown in Fig. 12).
  • the reference electrode acts oxidizing on the gas mixture, while the measuring electrode acts less or not oxidizing.
  • the electrodes 3, 4 can be applied both in a plate form (illustration in FIG. 10) and in a meandering form (illustration in FIG. 11).
  • the realization of the heating element corresponds to those of the second exemplary embodiment.
  • a circuit of a carbon monoxide sensor with a heating element 6 corresponding to that shown in Fig. 5 shows in principle the Fig. 12.
  • the temperature is determined by the electrical resistance R2 of the electrical resistance element 10 without resistors of the web-shaped leads 11, which also partially Schuetzlwideriron can affect the measurement result.
  • the plate-shaped carrier 1 is located with the layer of Festkör ⁇ perelektrolyten 2, the measuring electrode and the reference electrode on one side and the heating element 6 on the other side in the measuring chamber, so that a reference chamber with a reference gas is not necessary.
  • a solid electrolyte 2 As a carbon dioxide sensor, layers of a solid electrolyte 2, electrodes 3, 4 as a measuring electrode and a reference electrode, each with a connecting track and a layer of a metal carbonate 12 on the measuring electrode, are arranged successively on a region of a carrier substrate as a plate-shaped carrier 1 ( Representation in FIG. 13 as a sectional view).
  • the reference electrode and the measuring electrode are made of either gold or a gold-sodium ion conductor mixture.
  • the layer of the solid electrolyte 2 is a sodium ion conductor, wherein between the measuring electrode and the reference electrode, a voltage potential depending on the carbon dioxide partial pressure at an operating temperature between 350 0 C and 800 0 C is applied.
  • the design of the electrodes 3, 4 correspond to those of the third exemplary embodiment.
  • the Ausure ⁇ tion of the heating element 6 and its wiring correspond to those of the secondieres ⁇ example.
  • the plate-shaped carrier 1 is located with the layer of Festkör ⁇ perelektrolyten 2, the measuring electrode, the reference electrode and the layer of a metal carbonate 12 on one side and the heating element 6 on the other side in the Measuring chamber, so that a reference chamber with a reference gas is not necessary.
  • An attachment for a gas sensor according to the first, third or fourth embodiment on a plate-shaped support 1 essentially consists of this plate-shaped support 1 and a base plate 13 with at least one opening 16 for receiving the end region with the sensor element and heating element 6 opposite end region (illustration in FIG. 14).
  • the dimensions of the opening 16 are greater than at least the dimensions of the cross section of the end region with the sensor element and heating element 6 opposite end portion of the plate-shaped support 1, so that the opening 16 in addition to the positive reception of the end portion and the positioning tion of the plate-shaped support 1 serves.
  • the opening 16 determines the orientation and position of the plate-shaped carrier 1 and thus of the sensor element and the heating element 6 in the measuring chamber and thus in the medium to be measured.
  • the base plate 13 is made of aluminum oxide, a glass ceramic, a polymer or be ⁇ known printed circuit board material of a glass fiber reinforced epoxy resin, so that certain properties such as heat conduction, strength, temperature resistance and thermal Aus ⁇ expansion coefficient are application specific.
  • the opening 16 is introduced by the known methods such as erosion, laser cutting, water jet cutting, drilling or milling, so that a very accurate and close tolerance opening 16 can be achieved. The accuracy of the orientation of the plate-shaped carrier 1 is thus dependent on the shape of the opening 16 and the tolerances that arise during insertion of the opening 16.
  • the plate-shaped carrier 1 and the base plate 13 have strip conductors 15, 17.
  • the printed conductors 17 of the plate-shaped carrier 1 are the supply lines of the electrodes 3, 4 and of the electrical heating element 6.
  • the printed conductors 15, 17 are applied, for example, by the known technologies of thick-film technology using screen or stencil printing and then hardened.
  • the contacting of the conductor tracks 15, 17 via solder bridges 18 (representations in FIGS. 15 and 16).
  • the conductor tracks 15 of the base plate 13 terminate at the opening 16 or, in a second variant, are also continued on wall regions of the opening 16.
  • the solder bridges 18 are easy to implement.
  • solder also advantageously flows through capillary In order to improve the handling and simplification are located between adjacent tracks 15 of the base plate 13 bulges in the base plate 13. This prevents that Lot also accumulates between the tracks 15 and shorting bridges arise.
  • the base plate 13 On the base plate 13 is still in accordance with introduced recordings a connector 19 (shown in Fig. 17), so that a slight contact of the existing sensor plug is given.
  • the base plate 13 has a plurality of openings 14 for fastening elements, for example, as screws.
  • electronic components can also be fastened to the base plate 13, contacted and connected via the printed conductors 15 in addition to the plug connector 19.
  • the base plate simultaneously represents a component carrier.
  • a first housing with a measuring chamber for gas sensors on a plate-shaped support 1 consists essentially of a first tube 21 and a second tube 22 in a cuboid housing with inlets and outlets for the gas to be analyzed (illustration in Fig. 18).
  • the housing is a cuboid with a base plate 25, a cover plate 26 and four side walls 23.
  • the end regions of the tubes 21, 22 are secured in blind bores of the base plate 26.
  • the outer diameter of the first tube 21 is smaller than the inner diameter of the second tube 22.
  • the first tube 21 is spaced apart in the second tube 22, so that a gap between the outer wall of the first tube 21 and inner wall of the second tube 22 is present.
  • the second tube 22 terminates at the cover plate 26 and the first tube 21 ends spaced from the cover plate 26, so that a gap is provided as a spatial connection between the gap and the interior of the first tube 21 with the gas sensor on the plate-shaped support 1.
  • the plate-shaped support 1 is located in the first tube 21 and its attachment 20 is part of the cover plate 26 or connected thereto.
  • the embodiment may advantageously correspond to that of the fifth exemplary embodiment.
  • the base plate 25 bores as inlets and outlets of the gas to be analyzed in the direction of both the interspace of the two tubes 21, 22 and the first tube 21 are introduced.
  • the tubes 21, 22 are thus arranged in the housing with inlets and outlets for the gas to be analyzed and bushings of the electrical lines for the gas sensor with the sensor elements and the heating elements 6, that between the outer wall of the second tube 22 and inner wall of the side walls 23 of the housing a distance and thus an interior is present.
  • the outwardly facing end portions of the holes are used to connect pipes or hoses for conducting the gas to be analyzed.
  • a second housing with a measuring chamber for gas sensors consists essentially of a first tube 21 and a second tube 22 in a cuboid housing with inlets and outlets for the gas to be analyzed.
  • FIG. 19 shows a housing with a gas sensor on a plate-shaped carrier 1 in two views.
  • the housing is a cuboid with a base plate 25, a cover plate 26 and four see ⁇ walls 23.
  • the first tube 21 and the second tube 22, which are each thin-walled tubes.
  • the first tube 21 with a plurality of apertures in the wall thereof is arranged at a distance in the second tube 22, so that a gap is present vor ⁇ .
  • the outer diameter of the first tube 21 is smaller than the réelle emb ⁇ diameter of the second tube 22.
  • the openings are spatial connections of insects ⁇ space and the space of the first tube 21 with the gas sensor on the plate-shaped support 1.
  • the second tube 22 provides a Socket with an opening for receiving and fixing a portion of the first tube 21.
  • the plate-shaped carrier 1 is located at its attachment 20 in the first tube 21.
  • the first tube 21 is connected to the base plate 25 and the cover plate 26 and the second tube 22 is connected to the base plate 25 of the housing.
  • the base plate 25 bores as inlets and outlets of the gas to be analyzed in the direction of the intermediate space of the two tubes 21, 22 and the first tube 21 are introduced.
  • the tubes 21, 22 are so arranged in the housing with inlets and outlets for the gas to be analyzed and fürschwungen the electrical lines for the gas sensor that between the outer wall of the second tube 22 and inner walls of the side walls 23 of the housing a distance and thus an interior is present.
  • the bore connected to the interspace of the tubes 21, 22, the gap, the openings, the space with the plate-shaped carrier 1 in the first tube 21 and the at least one bore connected to the space as a measuring chamber with the gas sensor in the first tube 21 are flow channels for the gas to be analyzed.
  • connection fittings 24 for fastening hoses for the gas to be analyzed have connection fittings 24 for fastening hoses for the gas to be analyzed.
  • the Grund ⁇ plate 25 and at least one side wall 23 of the housing may each have at least one fürgeh ⁇ end and pointing in the direction of the interior of each opening.
  • a fan may be arranged on the base plate 25 of the housing such that an air flow for cooling the housing in the interior can be generated.
  • the second tube 22 can each have a breakthrough in the direction of the interior for the gas to be analyzed.
  • the base plate 25 and a wall of the housing have at least one opening to the interior and on the base plate 25, a fan for generating an air flow in the interior is arranged.
  • a fan for generating an air flow in the interior is arranged.
  • At least one temperature sensor can be arranged at least either on the outer wall of the second tube 22 and / or on an inner wall of the housing and thus in the inner space, whereby passages of the electrical lines for the temperature sensor are located in the housing.
  • the housing with the measuring chamber of the embodiments six and seven may also have other geometric body shapes.
  • the base plate 25 and the cover plate 26 may have a circular shape or a further polygonal shape.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases mit einem planaren über wenigstens ein Heizelement mit einer Temperatur größer als 290°C betriebenen Gassensor auf einem Trägersubstrat für eine und in einer Messkammer. Der Gassensor besteht dazu aus einem Trägersubstrat mit dünnen Schichten für wenigstens eine Heizung, einen Festkörperelektrolyt und Elektroden. Das Trägersubstrat besteht aus bekannten Aluminiumoxid-, Glaskeramik- oder Zirkoniumoxid-Aluminiumoxyid-Werkstoffen. Dazu sind auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (1) der planar ausgeführte Gassensor (2, 3, 4) und auf einer anderen Oberfläche des Trägersubstrats (1) das Heizelement (6) angeordnet. Das Heizelement (6) ist ein elektrisches Widerstandselement (10) mit mindestens zwei Zuleitungen (11a, 11b). Mit dem Heizelement (6) ist wenigstens ein Leiter (7) als Potentialabgriff verbunden.

Description

Beschreibung
Einrichtung zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases mit einem planaren über wenigstens ein Heizelement mit einer Temperatur größer als 290°C betriebenen Gassensor auf einem Trägersubstrat für eine und damit in einer Messkammer.
Festelektrolytsensoren nutzen die schon 1899 von W. NERNST entdeckte Eigenschaft be¬ stimmter Ionenkristalle, bei erhöhter Temperatur den elektrischen Strom in Form von Ionen zu transportieren. Bekannt sind zwei Grundanordnungen als
- stromlose Messung des elektrischen Potentials zwischen einer Referenz- und einer Mess¬ elektrode in Form der Festelektrolyt-Potentiometrie und
- Messung des Ionenstromes einer bestimmten Ionenart durch den Elektrolyten bei Anlegen einer äußeren Spannung an die Elektroden als Amperometrie.
Potentiometrische (galvanische) Festelektrolytzellen, wie unter anderem auch aus der EP 0 861 419 Bl (Verfahren und Vorrichtung zur simultanen Messung eines Volumenstroms und von Gaspartialdrücken) bekannt, arbeiten bekannterweise nach der NERNST sehen Gleichung, wobei bei bekannter Temperatur und bekannten Potential an der Referenzelektrode die Zell¬ spannung linear abhängig vom Logarithmus der Aktivität oder des Partialdrucks der zu mes¬ senden Komponente ist. Weiterhin ist der Festelektrolyt ein reiner Ionenleiter. Die absolute Größe der Zellspannung ist abhängig von der Differenz zwischen Mess- und Referenzpotential. Da mögliche Fehler mit steigender Differenz dieser Potentiale wachsen, sollte der Unterschied zwischen Mess- und Referenzgasdruck nicht zu groß sein. Der Ionenleitwiderstand der Fest¬ elektrolytzelle ist weiterhin temperaturabhängig. Rissige oder poröse Elektrolytschichten oder niedrige Elektrolyttemperaturen fuhren zu hohen Ionenleitwiderständen. Für exakte Potential¬ messungen sind Messanordnungen mit hohen Eingangswiderständen notwendig. Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfach 2x1 realisierende Einrichtungen zur Eigenschaftsbestimmung von Gasen mit einem hochtem- perierbaren Gassensor mit einer hohen Auflösung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases mit einem planaren über wenigs¬ tens ein Heizelement mit einer Temperatur größer als 2900C betriebenen Gassensor auf einem Träger substrat für eine und damit in einer Messkammer zeichnen sich insbesondere durch einen sehr einfachen Aufbau aus, so dass diese sehr ökonomisch herstellbar sind. Der Gassensor besteht dazu aus einem Trägersubstrat mit dünnen Schichten für wenigstens eine Heizung, einen Festkörperelektrolyt und Elektroden. Das Träger substrat besteht aus bekannten Aluminiumoxid-, Glaskeramik- oder Zirkoniumoxid-Aluminiumoxyid- Werkstoffen. Die Einrichtungen sind vorteilhafterweise zur Gasmessung geeignet, die hohe Betriebstem¬ peraturen erfordern. Die Gassensoren sind mit einer Heizung ausgestattet, die eine Betriebs¬ temperatur von größer als 290°C ermöglicht.
Dazu sind auf einer Oberfläche des Trägersubstrats der planar ausgeführte Gassensor und auf einer anderen Oberfläche des Trägersubstrats das Heizelement angeordnet. Das Heizelement ist ein elektrisches Widerstandselement mit mindestens zwei Zuleitungen. Mit dem Heizelement ist wenigstens ein Leiter als Potentialabgriff verbunden. Dieses Heizelement besteht aus Bahnen auf dem Trägersubstrat. Der planare Gassensor besteht aus mindestens einer Schicht eines Festkörperelektrolyten und zwei aufgebrachten Bahnen als Elektroden zur Messung entweder der anliegenden elektrischen Spannung oder des durch die Elektroden fließenden elektrischen Stromes, wobei sich das Trägersubstrat wenigstens mit dem elektrischen Widerstandselement und dem damit beheiztem Festkörperelektrolyten in der Messkammer des Gehäuses befinden. Das Heizelement kann durch eine derartige Realisierung zur Messung der Temperatur und/oder der Temperaturverteilung und/oder des Leistungseintrages dienen. Die Temperatur¬ messung am Bauelement erfogt nur am temperaturkonstant zu haltenden Bereich, wodurch die Auflösung der Temperaturmessung bei gleich genauen Messgeräten verbessert und Fehler der Temperaturmessung durch sich erwärmende Zuleitungs- und Anschlussbereiche eliminiert werden. Dazu ist an das elektrische Widerstandselement und/oder an wenigstens eine der Zuleitungen mindestens ein Leiter als Potentialabgriff geschalten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Heizung als elektrisches Widerstandselement direkt zur Temperaturbestimmung nutzbar ist. Damit verringert sich die Trägheit des Regelungspro¬ zesses, wobei Messgröße und Stellgröße unmittelbarer zusammenhängen und Regelungsalgo¬ rithmen vereinfacht und beschleunigt werden können. Eine Beeinflussung der Eigenschaften von beheizten Bauelementen oder Vorrichtungen gegenüber Anströmgeschwindigkeit und Temperatur des anströmenden Mediums wird verringert oder eliminiert. Für konstante Eigen¬ schaften ist es erforderlich, die Temperaturverteilung des elektrischen Widerstandselementes möglichst konstant zu halten und auch bei Störeinflüssen nur möglichst geringe Abweichungen von der Solltemperatur zu gewährleisten. Aufgrund des sich einstellenden Temperaturgefälles durch die nicht vollständig zu unterbindende Wärmeleitung durch das Bauelement hin zu der Bauteilbefestigung ist es notwendig, den Wärmeeintrag auf die gesamte Einrichtung zu er¬ weitern. Ein wesentliches Problem besteht hierbei darin, dass der elektrische Widerstand der Zuleitungen die genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes des elektrischen Wider¬ standselementes und damit dessen konstant zu haltende Temperatur verfälscht. Idealer Weise muss das Verhältnis des elektrischen Widerstands des elektrischen Widerstandselementes zu den elektrischen Widerständen der Zuleitungen möglichst groß sein, so dass auch sehr kleine Veränderungen bei entweder einer Abkühlung oder einer Erwärmung erfassbar sind. Über eine Verringerung der elektrischen Widerstände der Zuleitungen wird bekannterweise deren ver¬ fälschende Einflüsse minimiert. Der elektrische Widerstand der Zuleitungen kann aber nicht beliebig verringert werden. Grenzen sind durch den Bauraum und die Durchwärmung der gesamten Einrichtung gegeben. Mit der Verbindung mindestens eines Leiters als Potential¬ abgriff an das elektrische Widerstandselement und/oder an wenigstens eine der Zuleitungen wird diese Heizung in mehrere separat messbare Abschnitte geteilt. Vorteilhafterweise lassen sich damit der sensitive Bereich und der Zuleitungsbereich messtechnisch getrennt erfassen. Mit einer vorteilhaften Platzierung von Leitern als Potentialabgriffe lässt sich der elektrische Widerstand des elektrischen Widerstandselements und somit die mittlere Temperatur genau bestimmen. Der Einfluss der Zuleitungen wird vollständig eliminiert und die Stellgröße des Regelprozesses kann so berechnet werden, dass der elektrische Widerstand des elektrischen Widerstandselementes und nicht der elektrische Widerstand des elektrischen Widerstands¬ elementes einschließlich der Zuleitungen konstant gehalten wird.
Das Heizelement zeichnet sich weiterhin durch eine verringerte Abhängigkeit der Strömungs¬ geschwindigkeit aus, da die zugeführte Heizleistung ein direktes Maß für die zu bestimmenden Strömungsparameter ist. Es kann eine Messung sowohl von dem Betrag als auch von der Richtung durch die Bestimmung der Temperaturverteilung auf der Einrichtung erfolgen. Je nach den Anströmbedingungen bildet sich eine charakteristische Temperatur- oder Wider¬ standsverteilung aus. Je höher die Anströmgeschwindigkeit desto größer werden die Tempe¬ raturunterschiede der einzelnen Bereiche der Einrichtung im Vergleich zum Zustand ohne Anströmung. Bei einer Fluidtemperatur, die geringer als die Temperatur der Einrichtung ist, werden stärker angeströmte Bereiche sich stärker abkühlen als Bereiche, die weniger stark angeströmt werden. Diese Effekte können dazu benutzt werden, den Betrag und die ein- und mehrdimensionale Richtung einer Strömung mit Hilfe eines einzigen elektrischen Widerstands¬ elementes zu bestimmen. Eine Unterteilung in weitere Bereiche ermöglicht die Detektion weiterer Richtungskomponenten der Anströmung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 19 angegeben.
Das Widerstandselement besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 die Form eines Mäanders, eines Mehrecks, eines Kegelschnittes oder wenigstens einer Kombination von zwei dieser Formen und ein bahnenförmiger Leiter als Potentialabgriff ist mittig am bahnenförmigen Widerstandselement angeordnet und mit diesem verbunden. Dadurch ist eine Bestimmung des elektrischen Widerstandes sowohl der einen Hälfte als auch der anderen Hälfte der Einrichtung möglich. Über den spezifischen elektrischen Widerstand der Bahnen lassen sich Temperatur¬ unterschiede zwischen den Hälften nachweisen. Mehrere bahnenförmige Leiter als Potential¬ abgriffe führen vorteilhafterweise zu einer Vergrößerung der Auflösung der Temperaturver¬ teilung über das elektrische Widerstandselement.
Durch die Weiterbildung nach Patentanspruch 3, wobei das Widerstandselement aus zwei beabstandet zueinander angeordneten und außen miteinander verbundenen in Reihe geschal- teten Formen eines Mäanders, eines Mehrecks, eines Kegelschnittes oder wenigstens einer Kombination von zwei dieser Formen besteht, ein bahnenförmiger Potentialabgriff mittig an einer Mäanderform und mindestens jeweils ein weiterer bahnenförmiger Potentialabgriff an den Verbindungsstellen der Mäanderformen angeordnet und mit diesem verbunden sind, lässt sich die Temperaturverteilung über die Einrichtung so bestimmen, dass eine zweidimensionale Richtungsdetektion einer Anströmung möglich ist.
Auf einem Bereich des Trägersubstrates sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 nacheinander Schichten des Festkörperelektrolyten, Elektroden mit Anschlussbahnen und eine eine Elektrode bis auf deren Anschlussbahn abdeckende Diffüsionsbarriere als Sauerstoffsensor angeordnet. Der Festkörperelektrolyt besteht aus einem dotierten und ionenleitenden Zirko¬ niumoxid, wobei die chemische Wechselwirkung zwischen der Gaskomponente als Sauerstoff und dem Festkörperelektrolyten in Verbindung mit den Elektroden einen elektrischen Ladungs¬ transport bewirkt. Die Diffusionsbarriere ist eine aufgedruckte Schicht aus einem Glas, Alu¬ miniumoxid oder einer Kombination daraus.
Die Sauerstoffmessung basiert auf einer amperometrischen Schaltung nach dem Prinzip der Diffusions-Grenzstromsonde. Mit Ffilfe einer an den zwei Elektroden angelegten Gleichspan¬ nung fließt durch den Festkörperelektrolyt als Funktionskeramik mit den transportierten Sauerstoffionen als Stromkreis ein elektrischer Strom. Hierbei wird an der Katode molekularer Sauerstoff in ionischen Sauerstoff umgewandelt, zur Anode durch die angelegte Spannung transportiert und dort wieder in molekularen Sauerstoff umgewandelt. Wenn der Festkörper¬ elektrolyt ein reiner Ionenleiter ist, gelten die Faradayschen Gesetze. Das erste Faradaysche Gesetz wird in Form coulometrischer Messverfahren genutzt, wobei die Masse des elektro¬ chemischen umgesetzten Stoffes proportional der geflossenen Strommenge ist. Die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers wird in erster Linie durch seine atomare Gitter¬ struktur bestimmt. Der Ladungstransport in einem keramischen Festkörperelektrolyt vollzieht sich vor allem über Defekte. Ursache dieser Defekte können thermische oder durch Verun¬ reinigungen hervorgerufene Fehlordnungen der Gitterstruktur sowie makroskopische Gitter¬ störungen zum Beispiel als Versetzungen oder Korngrenzen sein. Der Ladungstransport kann durch Platzwechsel der atomaren Gitterfehlstellen (Ionentransport) oder über die Wanderung von Elektronen oder Defektelektronen zwischen den geladenen Gitterfehlstellen vor sich gehen.
Jede Keramik ist im Grunde ein Mischleiter. Ist die Dichte der Defekte gering, wie zum Beispiel in einem ungestörten Kristall, dann liegt ein Isolator vor. Ionisch leitende Keramiken entstehen durch Erhöhung der Anzahl ionischer Defektstellen durch das gezielte Einbringen von Verunreinigungen (Dotierungen). Einen Anstieg der Konzentration jeglicher Art von Defekten kann durch Temperaturerhöhung erzielt werden. Als Basismaterial für den Elektrolyt dient Zirkoniumdioxid. Dieses Material weist gute mechanische und thermische Eigenschaften auf. Reines Zirkoniumdioxid liegt bei Umgebungstemperatur in einer monoklinen Gitterstruk¬ tur vor. Ab ca. 1150 °C wandelt sich diese in eine tetragonale und ab 2370 °C in eine kubische Gitterstruktur um. Um diese Phasenumwandlungen, die auch mit Form- und Volumenände¬ rungen verbunden sind, zu vermeiden und um die Anzahl von Sauerstoffionen leitenden Defektstellen zu erhöhen, wird reines Zirkoniumdioxid mit Diyttriumtrioxid dotiert. Durch einen Sintervorgang bei Temperaturen oberhalb von 1300 0C wird eine Stabilisierung der hochleitenden kubischen Phase erreicht, die danach auch bei Raumtemperaturen vorliegt. Die Ionenleitfähigkeit dieser Keramik ist bei Temperaturen oberhalb von 600 °C vergleichbar mit flüssigen Elektrolyten.
Festkörper-Gassensoren wandeln die chemische Wechselwirkung zwischen Gaskomponente und Sensormaterial (Ionenleitung) in ein elektrisches Signal.
Die Wechselwirkung zwischen Gaskomponente und Festkörper kann nur über den Austausch und Transport von Elektronen in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Das setzt die Gegenwart von metallisch leitenden oder halbleitenden Oberflächenbezirken und Elektroden im Bereich der Gas-Festkörper- Wechselwirkung voraus, da der Festelektrolyt selbst keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Elektronenleitung aufweist. Andererseits besitzen die als Elektronenleiter verwendeten Edelmetalle keine Transporteigenschaften für Sauerstoff oder für Ionen. Daher läuft bei der Gas-Festkörperreaktion hin zu einem elektrischen Ladungstransport eine Kette von physikalisch-chemischen Phänomenen an der Grenzfläche Gas/Elektrode/Fest¬ elektrolyt, auch als Drei-Phasen-Grenze bekannt, ab. Der Reaktion an der Festkörperober¬ fläche ist die An- und Abdiffusion der gasförmigen Komponenten im Gasraum vorgelagert. Der primäre Schritt der Wechselwirkung zwischen Festkörperoberfläche und Gaskomponente ist die Adsorption/Desorption. Der Zufluss an Sauerstoff hin zur Katode ist durch eine Diffusionsbarriere begrenzt, wobei aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Diffusion der messbare Sensorstrom im Bereich von 0-100% Sauerstoff linear abhängig von der Sauerstoffkonzentration ist. Mit der linearen Kennlinie entfällt die bei potentiometrischen Sensoren übliche Zweipunktkalibrierung und somit wird die Verwendung von Referenzgas (Referenzkammer) zur Kalibrierung des Sensors überflüssig. Eine einfache Ein-Punkt-Kalibrierung zum Beispiel mit Umgebungsluft genügt, da der zweite Punkt der linearen Kennlinie immer bekannt ist. Bei keinem Sauerstoff fließt kein elektrischer Strom.
Die Materialien der Elektroden erfüllen zwei Funktionen. Einerseits sind diese die elektrischen Leiter für die Schließung des Messkreises und andererseits beeinflussen sie in Kombination mit dem Festkörperelektrolyten den Gasaustausch mit der Umgebung.
Die gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Betriebstemperatur der Gassensoren ermög¬ licht die simultane Messung von Volumenströmen oder Anströmgeschwindigkeiten nach dem Prinzip der temperaturkonstanten Dünnfilmaneometrie. Durch Konstanthaltung der Sensor¬ temperatur kann der Volumenstrom anhand der benötigten Heizleistung zur Gewährleistung dieser Temperaturen ermittelt werden. So wird als Folge einer Anströmung der Gassensor abgekühlt und es ist eine größere Heizleistung für eine konstante Temperatur notwendig. Der Volumenstrom ist dabei von der Differenz zwischen der Heizleistung im angeströmten Zustand und der Heizleistung im nicht angeströmten Zustand abhängig.
Der Festkörperelektrolyt ist vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 eine Schicht aus einem mit Diyttriumtrioxid dotierten Zirkoniumoxid mit einer Schichtdicke des dotierten Zirkoniumoxides größer/gleich 1 μm und kleiner/gleich 500 μm als Festkörper¬ elektrolyt.
Die Schichten als Festkörperelektrolyt, Elektroden mit Anschlussbahnen, Diffusionsbarriere und Heizelement mit Anschlussbahnen sind vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 mittels der bekannten Siebdrucktechnik aufgebracht. Dabei wird die Schicht durch eine Schablone, die auf einer siebartigen Bespannung oder Bestandteil der siebartigen Bespannung eines Druckrahmens ist, durch Rakel auf den plattenförmigen Träger gedrückt. Mit diesem Verfahren können bestimmte Schichtdicken ökonomisch günstig aufgedruckt werden. Mit einer Beschaltung des Sensors nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 kann mit einem Sensor sowohl der Sauerstoff als auch das Volumen- oder die Anströmung eines Gases gemessen werden.
Auf einem Bereich des Trägersubstrates sind nacheinander Schichten des Festkörperelektro¬ lyten und Elektroden als eine Messelektrode und eine Referenzelektrode jeweils mit einer An¬ schlussbahn nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 als Kohlenmonoxidsensor ange¬ ordnet. Die Referenzelektrode besteht aus entweder Platin oder einem Platin-YSZ-Gemisch und die Messelektrode ist ein Metall oder ein Metallgemisch. Der Festkörperelektrolyt besteht aus einem Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid, wobei zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ein Spannungspotential in Abhängigkeit des Kohlenmonoxidpartialdruckes anliegt.
Auf einem Bereich des Trägersubstrates sind nacheinander Schichten des Festkörperelektro¬ lyten, Elektroden als eine Messelektrode und eine Referenzelektrode jeweils mit einer An¬ schlussbahn und Metallkarbonat auf der Messelektrode nach der Weiterbildung des Patent¬ anspruchs 9 als Kohlendioxidsensor angeordnet. Die Referenzelektrode und die Messelektrode bestehen aus entweder Gold oder einem Gold-Natriumionenleiter-Gemisch. Der Festkörper¬ elektrolyt besteht aus einem Natriumionenleiter, wobei zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ein Spannungspotential in Abhängigkeit des Kohlendioxidpartialdruckes anliegt.
Die Weiterbildung des Patentanspruchs 10 fuhrt zu Sensoren, die sich insbesondere durch eine thermische Isolation zwischen dem Sensorelement und der Sensoraufnahme/Sensorbefestigung bei gleichzeitiger Ausrichtung und Positionierung gegenüber einer leicht zu befestigenden Grundplatte auszeichnen. Die Grundplatte dient vorteilhafterweise gleichzeitig der Sensorbe¬ festigung. Die Grundplatte besitzt eine Öffnung zur Aufnahme des dem Endenbereich mit dem Gassensor und dem Heizelement gegenüberliegenden Endenbereiches des Trägersubstrats, so dass der beheizte Gassensor beabstandet von der Grundplatte angeordnet ist. Die Öffnung dient vorteilhafterweise gleichzeitig der Fixierung des Trägersubstrats, so dass vorgegebene Positionen der Gassensoren zum Beispiel im Messraum des Gehäuses leicht realisierbar sind. Die Abmessungen können so gewählt werden, dass eine Klemmverbindung zwischen Träger¬ substrat und Grundplatte gegeben ist, so dass eine feste Position des Trägersubstrats gegen¬ über der Grundplatte schon beim Zusammenfugen vorhanden ist. Damit ist leicht eine sehr genaue Ausrichtung der Gassensoren und Heizelemente möglich, so dass leicht zum Beispiel verschiedene Anströmwinkel einstellbar sind. Die Öffnung ist gleichzeitig eine Montagehilfe. Mit der Grundplatte ist eine einfache Handhabung und Befestigungsmöglichkeit vorhanden. Das Gleiche gilt für einen Austausch bei gleichen Messkammern, so dass Messkammern für die unterschiedlichsten Aufgaben leicht realisierbar sind.
Damit kann ein kostengünstiger Gassensor auch als Secker zur Verfügung gestellt werden. Die Handhabung und Befestigung der Grundplatte ist leicht möglich und automatisierbar, so dass kostengünstige und damit ökonomische Gassensoren vorhanden sind. Die Grundplatte kann weiterhin als Bauelementeträger ausgebildet sein, so dass sich die vielfältigsten Anwendungen ergeben. Damit sind
- eine thermische Isolation des erwärmten Sensorelements von der Ge samt Struktur,
- elektrische Anschlüsse zur elektrischen Versorgung des Sensors und Übermittlung der Sensorsignale an eine Auswerteeinheit,
- eine mechanische Anbindung an die Umgebung des Sensors,
- eine Abdichtung einer Gasmesskammer gegenüber dem Gehäuse oder der Umgebung,
- eine Ausrichtung und Positionierung der Sensorelemente im zu messenden Medium und
- der Schutz des Sensorelements gegenüber äußeren mechanischen oder strömungsmecha¬ nischen Einwirkungen gegeben.
Die Verbindungen der Leiterbahnen der Grundplatte mit denen des Trägersubstrats sind metallische Draht-, Band- oder Lotbrücken. Die Leiterbahnen der Grundplatte sind weiterhin als Kontakte oder als elektrische Verbindungen zu Bauelementeanschlüssen nutzbar, so dass die Grundplatte gleichzeitig ein Bauelementeträger ist. Dadurch können die Messsignale der Sensorelemente über Bauelemente als Auswerte- oder Wandlereinrichtungen bearbeitet wer¬ den. Bauelemente können auch Verbindungselemente sein, so dass eine elektrische Kontaktie- rung leicht möglich ist. Das Träger substrat und die Grundplatte sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 über eine Verbindung aus einem temperaturfesten und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit auf¬ weisenden Kleber verbunden, so dass ein großer Wärmeeintrag in die Grundplatte verhindert werden kann. Dazu wird vorteilhafterweise ein Kleber mit einer geringen Wärmeleitung ver¬ wendet. Gleichzeitig ist das ein temperaturfester und vorteilhafterweise ein gasdichter Kleber, so dass eine mechanische Beeinträchtigung der Kleberschicht weitestgehend vermieden wird. Dazu kommt insbesondere ein Keramikkleber oder ein Epoxidharzkleber zum Einsatz.
Die Weiterbildungen des Patentanspruchs 12 ermöglichen eine automatisierte Herstellung der metallischen Lotbrücken zwischen den Leiterbahnen des Trägersubstrats und denen der Grund¬ platte. Die Ausbuchtungen zwischen benachbarten Leiterbahnen der Grundplatte verhindern vorteilhafterweise Brückenbildungen zwischen benachbarten Leiterbahnen.
Ein Gehäuse für eine Einrichtung zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases mit Sauerstoff mit einem Gassensor auf einem plattenförmigen Träger nach der Weiterbildung des Patentan¬ spruchs 13 zeichnet sich insbesondere durch einen einfachen Aufbau aus. Gleichzeitig erfolgen eine geringe Erwärmung sowohl der Umgebung als auch des zu analysierenden Gases. Dazu ist ein erstes Rohr beabstandet in einem zweiten Rohr angeordnet, befindet sich der Gas¬ sensor im ersten Rohr, besteht eine räumliche Verbindung zwischen sowohl dem Zwischen¬ raum als auch dem Raum im ersten Rohr und die Rohre im Gehäuse sind mit Zu- und Ablei¬ tungen für das zu analysierende Gas und Durchführungen der elektrischen Leitungen für den Gassensor versehen, wobei zwischen der Wandung des zweiten Rohres und der korrespon¬ dierend dazu angeordneten Gehäusewandung ein Abstand und damit ein Innenraum vorhanden ist.
Mit einer derartigen Realisierung ist weiterhin sichergestellt, dass ein mehrere hundert Grad Celsius heißer Gassensor in einem kleinen Raum platziert ist. Dadurch resultiert ein geringer Leistungsverbrauch des Sensors und ein schneller Gasaustausch ist gegeben. Die beiden Rohre und das Gehäuse funktionieren vorteilhafterweise wie ein Wärmetauscher, wobei zugeführtes kaltes zu analysierendes Gas vom heißem zu analysierenden Gas am Sensor erwärmt wird. Gleichzeitig wird das zu analysierende Gas am Sensor durch das zuströmende zu analysierende Gas abgekühlt. Dadurch erfolgt gleichzeitig eine Senkung der benötigten Heizleistung, eine Verminderung der Außentemperatur des Gehäuses und eine Verminderung der Temperatur des abgeführten zu analysierenden Gases. Dadurch ist ein kompakter Aufbau des Gehäuses vorhanden.
In einem weiteren Gehäuse befindet sich der Gassensor im Raum eines rohrförmigen Körpers als ein Gehäuse. Eine Öffnung und damit ein Ende ist der Gaseintritt, so dass mit dem Gas¬ sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung verwendbar ist.
Vorteilhafterweise sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 14 in der Grundplatte des Gehäuses in Richtung des Zwischenraumes und des Raumes des zweiten Rohres fuhrende Bohrungen eingebracht, die gleichzeitig Strömungskanäle für das zu analysierende Gas sind. Dadurch ist ein einfacher und kompakter Aufbau gegeben. Gleichzeitig kann mit einer Mon¬ tage an einem Kühlkörper eine passive Kühlung erfolgen.
Die nach außen weisenden Öffnungen der Bohrungen weisen Anschlussfittings zur Zu- und Ableitung des zu analysierenden Gases auf, so dass dieses Gehäuse mit dem Gassensor leicht in Messsysteme eingebunden werden kann. Dazu können zum Beispiel Schlauchleitungen ange¬ schlossen werden, so dass leicht Verbindungen zu Absaugeinrichtungen hergestellt werden können.
Die Weiterbildung des Patentanspruchs 15, wobei die Grundplatte und eine Gehäusewandung jeweils wenigstens eine durchgehende und in Richtung des Innenraumes weisende Öffnung besitzt und auf der Grundplatte des Gehäuses ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes im Innenraum angeordnet ist, führt zu der Möglichkeit einer zusätzlichen Kühlung des Innen¬ raumes und damit des Gehäuses selbst. Dadurch ist eine aktive Kühlung vorhanden, die die Strömung des zu analysierenden Gases nicht beeinflusst. Der durch den Ventilator hervorge¬ rufene Luftstrom bewirkt, dass das Gehäuse auch im Betrieb handhabbar ist. Gleichzeitig können Gassensoren eingesetzt werden, die sehr hohe Betriebstemperaturen für eine aus¬ reichende Ionenleitfähigkeit der Festkörperelektrolyten erfordern.
Die Endenbereich der Rohre sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 16 wenigstens in der Grundplatte des Gehäuses befestigt. Dadurch ist eine einfache Realisierung des Gehäu- ses für Gassensoren vorhanden.
Die Weiterbildung des Patentanspruchs 17, wobei wenigstens auf der Wandung des zweiten Rohres und/oder einer Wandung des Gehäuses und im Innenraum wenigstens ein Temperatur¬ sensor angeordnet ist und sich in dem Gehäuse Durchfuhrungen der elektrischen Leitungen für den Temperatursensor befinden, führt dazu, dass über die Strömung des Ventilatorstromes die Temperatur am Gehäuse gesteuert oder geregelt werden kann.
Das zweite Rohr ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 18 vorteilhafterweise eine Buchse mit einer Öfϊhung zur Aufnahme eines Bereiches des ersten Rohres, so dass sich ein einfacher Aufbau und eine einfache Fixierung der Rohre zueinander ergeben.
Die Weiterbildung des Patentanspruchs 19, wobei das zweite Rohr einen in Richtung des Innenraumes weisenden Durchbruch für das zu analysierende Gas aufweist und sowohl die Grundplatte als auch das Gehäuse jeweils wenigstens eine Öffnung zum Innenraum des Gehäuses besitzen und auf der Grundplatte des Gehäuses ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes im Innenraum angeordnet ist, führt vorteilhafterweise zu einem Luftstrom im Gehäuse. Dieser Luftstrom bewirkt einen Unterdruck am Durchbruch des zweiten Rohres, so dass das zu analysierende Gas aus dem ersten Rohr über den Zwischenraum abgesaugt wird und mit dem Luftstrom durch die Öffnung im Gehäuse nach außen gelangt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Gassensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder
Anströmmessung in einer Schnittdarstellung, Fig. 2 einen Gassensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder
Anströmmessung in einer Explosivdarstellung, Fig. 3 eine Messschaltung mit einem Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur
Volumenstrom- und/oder Anströmmessung, Fig. 4 eine Einrichtung mit auf einem Träger jeweils aufgebrachten bahnenförmigen Zulei¬ tungen, Widerstandselement in einer Mäanderform und Leiter als Potentialabgriff,
Fig. 5 eine Einrichtung mit auf einem Träger jeweils aufgebrachten bahnenförmigen Zulei¬ tungen, Widerstandselement in einer Mäanderform und zwei Leitern als Potential¬ abgriff,
Fig. 6 eine Beschaltung einer Einrichtung,
Fig. 7 eine Einrichtung mit auf einem Träger jeweils aufgebrachten bahnenförmigen Zulei¬ tungen, Widerstandselement in einer Mäanderform und zwölf Leitern als Potential¬ abgriff,
Fig. 8 eine Einrichtung mit einem Widerstandselement aus zwei miteinander verbundenen Mäanderformen und drei Leitern als Potentialabgriffe,
Fig. 9 einen Kohlenmonoxidsensor in einer Schnittdarstellung,
Fig. 10 eine Seite des Trägersubstrats mit dem Sensorelement mit plattenförmigen Elektroden,
Fig. 11 eine Seite des Trägersubstrats mit dem Sensorelement mit Elektroden in einer Mäanderform,
Fig. 12 eine Beschaltung des Kohlenmonoxidsensors,
Fig. 13 einen Kohlendioxidsensor in einer Schnittdarstellung,
Fig. 14 einen plattenförmigen Träger mit einer Grundplatte,
Fig. 15 eine Verbindung von Leiterbahnen des plattenförmigen Trägers und der Grundplatte über Lotbrücken in einer Schnittdarstellung,
Fig. 16 die Verbindung der Darstellung in der Fig. 15 in einer Draufsicht,
Fig. 17 eine Einrichtung als Sensorstecker,
Fig. 18 ein erstes Gehäuse mit einem Gassensor und
Fig. 19 ein zweites Gehäuse mit dem Gassensor in zwei Ansichten.
1. Ausfuhrungsbeispiel
Ein Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmes¬ sung besteht im wesentlichen aus einem Trägersubstrat in Form eines plattenförmigen Trägers 1 mit einem Sensor- und einem Heizelement 6, die jeweils auf sich gegenüberliegenden Ober¬ flächen des plattenförmigen Trägers 1 angeordnet sind. Die Fig. 1 zeigt prinzipiell einen Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumen- ström- und/oder Anströmmessung in einer Schnittdarstellung. Der plattenförmige Träger 1 ist ein elektrischer Isolator aus Aluminiumoxid. Das Sensorelement besteht aus nacheinander aufgebrachten Schichten eines Festkörperelek¬ trolyten 2, von Elektroden 3, 4 mit Anschlussbahnen und einer eine Elektrode 3 bis auf deren Anschlussbahn abdeckenden Schicht als Diffusionsbarriere 5. Als Festkörperelektrolyt 2 ist ein mit Diyttriumtrioxid dotiertes und ionenleitendes Zirkoniumoxid mit einer Schichtdicke größer/gleich 1 μm und kleiner/gleich 500 μm aufgebracht. Dieser bewirkt die chemische Wechselwirkung zwischen der Gaskomponente als Sauerstoff und dem Festkörperelektrolyten 2 in Verbindung mit den Elektroden 3, 4 und einen elektrischen Ladungstransport. Die Elek¬ troden 3, 4 einschließlich deren Anschlussbahnen bestehen aus Platin und sind als kammartige Strukturen aufgebracht, wobei die Zähne der kammartigen Strukturen jeweils abwechselnd beabstandet parallel zueinander angeordnet sind (Darstellung in der Fig. 2). Die Schicht als Diffusionsbarriere 5 aus Glas und/oder Aluminiumoxid überdeckt eine die Katode darstellende Elektrode 3 bis auf die Anschlussbahn vollständig.
Auf einem Bereich einer der ersten Oberfläche mit dem Sensorelement gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des plattenförmigen Trägers 1 ist eine Schicht aus einem elektrischen Leiter aus Platin als wenigstens ein Heizelement 6 angeordnet. Eine Leiterbahn 7 als Potential¬ abgriffist beabstandet zu den Anschlussbahnen mit dem Heizelement 6 verbunden (Darstellung in der Fig. 2).
Die Bestandteile des Sensors werden nacheinander als Schicht auf dem plattenförmigen Träger 1 mittels Siebdruck aufgebracht.
Zur Sauerstoffmessung befindet sich der plattenförmige Träger 1 mit dem Sensorelement und dem Heizelement in der Messkammer mit dem zu messenden Gas. Eine Referenzkammer mit einem Referenzgas ist nicht notwendig. Dazu sind die mit der Diffusionsbarriere 5 abgedeckte Elektrode 3 mit der Katode einer ersten elektrischen Energiequelle 8 und die andere Elektrode 4 über ein Amperemeter mit der Anode der ersten elektrischen Energiequelle 8 und die An¬ schlüsse des elektrischen Heizelementes 6 mit einer zweiten elektrischen Energiequelle 9 zusammengeschaltet. Zur gleichzeitig möglichen Volumen- oder Anströmmessung sind ein Anschluss des elektrischen Heizelementes 6 und die Leiterbahn 7 mit einem ersten Voltmeter und der andere Anschluss des elektrischen Heizelementes 6 und die Leiterbahn 7 mit einem zweiten Voltmeter verbunden. Über die Voltmeter wird dadurch der Spannungsabfall der Bereiche des elektrischen Heizelementes 6 gemessen. Die Fig. 3 zeigt eine Messschaltung mit einem Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anström¬ messung.
2. Ausfuhrungsbeispiel
In dem folgenden Ausführungsbeispiel werden jeweils weitere Anordnungen von Leiter¬ strukturen auf der zweiten Oberfläche des plattenförmigen Trägers 1 als Trägersubstrat mit jeweils mindestens einer mit wenigstens dem elektrischen Heizelement 6 verbundenen Leiter¬ bahn 7 als Potentialabgriff beschrieben. Eine derartige Anordnung dient der Messung der Temperatur, der Temperaturverteilung und/oder des Leistungseintrages und besteht im wesentlichen aus dem plattenförmigen Träger 1 mit aufgebrachten Schichten als Sensorelement auf der ersten Oberfläche entsprechend denen des ersten Ausführungsbeispiels und in Form von Leiterbahnen als bahnenförmiges elektrisches Widerstandselement 10, bahnenförmige Zuleitungen IIa, I Ib und mindestens einem bahnenförmigen Leiter 7 als Potentialabgriff, wobei das wenigstens eine bahnenförmige Widerstandselement 10 an die bahnenförmigen Zuleitungen IIa, IIb und an das bahnenförmige Widerstandselement 10 und/oder an wenigs¬ tens eine der bahnenförmigen Zuleitungen I Ia, 1 Ib der bahnenförmige Leiter 7 als Potential¬ abgriff geschalten sind, auf der zweiten Oberfläche des plattenförmigen Trägers 1. Der plattenförmige Träger 1 ist vorzugsweise eine Platte insbesondere aus einer Al2θ3-Keramik, einem Glas oder Quarz. Die Schichten als Widerstands- und/oder Leitbahnpasten sind mit bekannten Technologien der Dünnschicht- oder Dickschichttechnik aufgebracht. Bei der Dickschichttechnik als eine Additivtechnik wird zum Beispiel das Sieb-, das Schablonen- oder das Tampondruckverfahren eingesetzt. Die Widerstands- und die Leitbahnpasten bestehen bekannterweise aus ausgehärteten pastenartigen Mischungen eines organischen und/oder anorganischen Binders mit pulverförmigen Metallen und Metalloxiden. Natürlich können auch bekannte Subtraktivtechniken eingesetzt werden, wobei eine Schicht bereichsweise abgetragen wird.
In einer ersten Ausfuhrungsform des zweiten Ausführungsbeispiels ist das bahnenförmige Widerstandselement 10 in einer Mäanderform aufgebracht und ein bahnenförmiger Leiter 7 als Potentialabgriff ist mittig am bahnenförmigen Widerstandselement 10 angeordnet und mit diesem verbunden (Darstellung in der Fig. 4).
In einer zweiten Ausfuhrungsform des zweiten Ausfuhrungsbeispiels sind mehrere bahnen- förmige Leiter 7a, 7b, ... 7n als Potentialabgriffe mit dem in einer Mäanderform aufgebrachten bahnenförmigen Widerstandselement 10 verbunden (Darstellungen in den Fig. 5 und Fig. 7). Damit sind drei und mehr einzelne und getrennt messbare Teilbereiche vorhanden. Analog zur zweiten Ausfuhrungsform des ersten Ausfuhrungsbeispiels sind die Zuleitungen die Wider¬ stände Rl und R3 die Widerstände der bahnenförmigen Zuleitungen I Ia, I Ib und der Wider¬ stand R2 der Widerstand des bahnenförmigen Widerstandselementes 10. Bestimmt werden diese durch den fließenden elektrischen Strom I und die Differenzspannungen Ul, U2 und U3 nach dem Ohmschen Gesetz Rl = Ul/I, R2 = U2/I und R3 = U3/I (Darstellung in der Fig. 6). Der Strom I durchfließt dabei nur die bahnenförmigen Zuleitungen I Ia, 1 Ib und das Wider¬ standselement 10. Die bahnenförmigen Leiter 7 können als stromlos angesehen werden, so dass auch deren elektrischer Widerstand nicht relevant ist. Damit können beliebig dünne Leiter¬ anordnungen eingesetzt werden.
Der Einfluss der bahnenförmigen Zuleitungen IIa, 1 Ib wird damit vollständig eliminiert und die Stellgröße des Regelprozesses so errechnet, dass der elektrische Widerstand des bahnen¬ förmigen Widerstandselementes 10 und nicht der elektrische Widerstand der gesamten Ein¬ richtung konstant gehalten wird.
Die genaue Bestimmung der eingebrachten elektrischen Leistung ist die Grundlage zum Beispiel für den Einsatz als temperaturkonstantes Anemometer, da die zugeführte Leistung ein direktes Maß für die zu bestimmenden Strömungsparameter ist. Der Leistungseintrag in das bahnenförmige Widerstandselement 10 ist sehr genau nach P2 = I x U2 oder P2N = I x U2N mit N = 2, 3, ... (bei drei und mehr Leitern als Potentialabgriffe) bestimmbar. Aufgrund der Temperaturkonstanz ist der Leistungseintrag ein wesentlich genaueres Maß für die zu bestim¬ menden Strömungsparameter als die Messung der Leistung über die gesamte Einrichtung. Je nach den Anströmbedingungen bildet sich eine charakteristische Temperatur- und daraus folgernd Widerstandsverteilung aus. Je höher die Anströmgeschwindigkeit desto größer wer¬ den die Temperaturunterschiede der einzelnen Widerstände Rl, R2, R3, (... RN bei drei und mehr Leitern als Potentialabgriffe) im Vergleich zum Zustand ohne Anströmung. Bei einer Temperatur des strömenden Mediums, die geringer als die Temperatur der Einrichtung ist, werden stärker angeströmte Bereiche der Einrichtung sich stärker abkühlen als Bereiche, die weniger stark angeströmt werden. Diese Effekte können dazu benutzt werden, den Betrag und die ein- und mehrdimensionale Richtung einer Strömung mit Hilfe einer einzigen Einrichtung zu bestimmen.
In einer dritten Ausftihrungsform des zweiten Ausfuhrungsbeispiels besteht das bahnenförmige Widerstandselement 10 aus zwei beabstandet zueinander angeordneten und außen miteinander verbundenen in Reihe geschalteten bahnenförmigen Widerstandselementen I Ia, 1 Ib in Mäan¬ derformen, wobei ein bahnenförmiger Leiter 7c als Potentialabgriff mittig an einer Mäander¬ form und jeweils ein weiterer bahnenförmiger Leiter 7a, 7b als Potentialabgriff an den Verbin¬ dungsstellen der Mäanderformen angeordnet und mit diesem verbunden sind (Darstellung in der Fig. 8). Wird diese Einrichtung angeströmt, lässt sich die Temperaturverteilung über die Einrichtung so bestimmen, dass eine zweidimensionale Richtungsdetektion einer Anströmung möglich ist.
Neben der Mäanderform für das bahnenförmige Widerstandselement sind auch andere geo¬ metrische Formen als Mehreck oder Kegelschnitt oder einer Kombination wenigstens zweier dieser Formen als elektrisches Widerstandselement auf dem plattenförmigen Träger 1 reali¬ sierbar und zur Messung der Temperatur, der Temperaturverteilung und/oder des Leistungs¬ eintrages einsetzbar.
3. Ausfuhrungsbeispiel
In einem dritten Ausfuhrungsbeispiel als Kohlenmonoxidsensor sind auf einem Bereich des Trägersubstrates als plattenförmiger Träger 1 nacheinander Schichten des Festkörperelektro¬ lyten 2 und Elektroden 3, 4 als eine Messelektrode und eine Referenzelektrode jeweils mit einer Anschlussbahn angeordnet. Die Fig. 9 zeigt einen Kohlenmonoxidsensor in einer Schnitt¬ darstellung. Die Elektrode 4 als Referenzelektrode besteht aus entweder Platin oder einem Platin- YSZ-Gemisch und die Elektrode 3 als Messelektrode ist ein Metall oder ein Metall¬ gemisch. Die Schicht des Festkörperelektrolyts 2 besteht aus einem Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid, wobei zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ein Spannungs¬ potential in Abhängigkeit des Kohlenmonoxidpartialdruckes bei einer Betriebstemperatur zwischen 35O0C und 800°C anliegt. Dieses Spannungspotential wird mit dem Voltmeter an den Elektroden 3, 4 gemessen (Darstellung in der Fig. 12). Die Referenzelektrode wirkt dabei oxidierend auf das Gasgemisch, während die Messelektrode weniger oder nicht oxidierend wirkt. Die Elektroden 3, 4 können sowohl in einer Plattenform (Darstellung in der Fig. 10) als auch in einer Mäanderform (Darstellung in der Fig. 11) aufgebracht sein. Die Realisierung des Heizelementes entspricht denen des zweiten Ausfuhrungsbeispiels. Eine Beschaltung eines Kohlenmonoxidsensors mit einem Heizelement 6 entsprechend dem der Darstellung in der Fig. 5 zeigt prinzipiell die Fig. 12. Die Temperatur wird über dem elektrischen Widerstand R2 des elektrischen Widerstandselementes 10 bestimmt, ohne dass Widerstände der bahnenförmigen Zuleitungen 11, die auch bereichsweise Heizwendelwiderstände sein können, das Messergebnis beeinflussen.
Während der Messung befindet sich der plattenförmige Träger 1 mit der Schicht des Festkör¬ perelektrolyten 2, der Messelektrode und der Referenzelektrode auf der einen Seite und dem Heizelement 6 auf der anderen Seite in der Messkammer, so dass eine Referenzkammer mit einem Referenzgas nicht notwendig ist.
4. Ausfuhrungsbeispiel
In einem vierten Ausfuhrungsbeispiel als Kohlendioxidsensor sind auf einem Bereich eines Trägersubstrates als plattenförmigen Träger 1 nacheinander Schichten eines Festkörper¬ elektrolyten 2, Elektroden 3, 4 als eine Messelektrode und eine Referenzelektrode jeweils mit einer Anschlussbahn und eine Schicht aus einem Metallkarbonat 12 auf der Messelektrode angeordnet (Darstellung in der Fig. 13 als eine Schnittdarstellung). Die Referenzelektrode und die Messelektrode bestehen aus entweder Gold oder einem Gold-Natriumionenleiter-Gemisch. Die Schicht des Festkörperelektrolyts 2 ist ein Natriumionenleiter, wobei zwischen der Mess¬ elektrode und der Referenzelektrode ein Spannungspotential in Abhängigkeit des Kohlendi- oxidpartialdruckes bei einer Betriebstemperatur zwischen 3500C und 8000C anliegt. Die Ge¬ staltung der Elektroden 3, 4 entsprechen denen des dritten Ausführungsbeispiels. Die Ausfüh¬ rung des Heizelementes 6 und deren Beschaltung entsprechen denen des zweiten Ausführungs¬ beispiels.
Während der Messung befindet sich der plattenförmige Träger 1 mit der Schicht des Festkör¬ perelektrolyten 2, der Messelektrode, der Referenzelektrode und der Schicht aus einem Metallkarbonat 12 auf der einen Seite und dem Heizelement 6 auf der anderen Seite in der Messkammer, so dass eine Referenzkammer mit einem Referenzgas nicht notwendig ist.
5. Ausfuhrungsbeispiel
Eine Befestigung für einen Gassensor entsprechend des ersten, dritten oder vierten Ausfuh¬ rungsbeispiels auf einem plattenförmigen Träger 1 besteht im wesentlichen aus diesem platten- förmigen Träger 1 und einer Grundplatte 13 mit mindestens einer Öffnung 16 zur Aufnahme des dem Endenbereich mit den Sensorelement und Heizelement 6 gegenüberliegenden Enden¬ bereiches (Darstellung in der Fig. 14). Die Abmessungen der Öffnung 16 sind größer als wenigstens die Abmessungen des Querschnittes des dem Endenbereich mit den Sensorelement und Heizelement 6 gegenüberliegenden Endenbereiches des plattenförmigen Trägers 1, so dass die Öffnung 16 neben der formschlüssigen Aufnahme des Endenbereiches auch der Positio¬ nierung und Fixierung des plattenförmigen Trägers 1 dient. Die Öffnung 16 bestimmt die Ausrichtung und Position des plattenförmigen Trägers 1 und damit des Sensorelementes und des Heizelementes 6 in der Messkammer und damit im zu messenden Medium. Die Grundplatte 13 besteht aus Aluminiumoxid, einer Glaskeramik, einem Polymer oder be¬ kannten Leiterplattenmaterial eines glasfaserverstärkten Epoxidharzes, so dass bestimmte Eigenschaften wie Wärmeleitung, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und thermischer Aus¬ dehnungskoeffizient anwendungsspezifisch vorhanden sind. Die Öffnung 16 wird durch die bekannten Verfahren wie Erodieren, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Bohren oder Fräsen eingebracht, so dass eine sehr genaue und engtolerierte Öffnung 16 erzielbar ist. Die Genauigkeit der Ausrichtung des plattenförmigen Trägers 1 ist somit abhängig von der Form der Öffnung 16 und von den Toleranzen, die beim Einbringen der Öffnung 16 entstehen. Der plattenförmige Träger 1 und die Grundplatte 13 weisen Leiterbahnen 15, 17 auf. Die Leiterbahnen 17 des plattenförmigen Trägers 1 sind die Zuleitungen der Elektroden 3, 4 und des elektrischen Heizelementes 6. Die Leiterbahnen 15, 17 sind zum Beispiel durch die bekann¬ ten Technologien der Dickschichttechnik unter Nutzung des Sieb- oder Schablonendruckes aufgebracht und anschließend ausgehärtet. Die Kontaktierung der Leiterbahnen 15, 17 erfolgt über Lotbrücken 18 (Darstellungen in den Fig. 15 und 16). Dabei enden in einer ersten Vari¬ ante die Leiterbahnen 15 der Grundplatte 13 an der Öffnung 16 oder sind in einer zweiten Variante auch auf Wandbereichen der Öffnung 16 weitergeführt. Dadurch sind die Lotbrücken 18 leicht realisierbar. Bei der zweiten Variante fließt Lot auch vorteilhafterweise durch Kapil- larwirkung zwischen die Verbindungsstellen der Leiterbahnen 15, 17. Zur Verbesserung der Handhabbarkeit und Vereinfachung befinden sich zwischen benachbarten Leiterbahnen 15 der Grundplatte 13 Ausbuchtungen in der Grundplatte 13. Dabei wird verhindert, dass sich Lot auch zwischen den Leiterbahnen 15 ansammelt und Kurzschlussbrücken entstehen. Auf der Grundplatte 13 befindet sich weiterhin in entsprechend eingebrachten Aufnahmen ein Steckverbinder 19 (Darstellung in der Fig. 17), so dass eine leichte Kontaktierung des dadurch vorhandenen Sensorsteckers gegeben ist. Für eine leichte und feste Montage besitzt die Grund¬ platte 13 mehrere Durchbrüche 14 für Befestigungselemente zum Beispiel als Schrauben.
Neben dem Steckverbinder 19 können in einer weiteren Ausfuhrungsform des fünften Ausfüh¬ rungsbeispiels auch elektronische Bauelemente auf der Grundplatte 13 befestigt, kontaktiert und über die Leiterbahnen 15 verbunden werden. Dadurch stellt die Grundplatte gleichzeitig einen Bauelementeträger dar.
6. Ausführungsbeispiel
Ein erstes Gehäuse mit einer Messkammer für Gassensoren auf einem plattenförmigen Träger 1 entsprechend des ersten, dritten oder vierten Ausführungsbeispiels besteht im wesentlichen aus einem erstem Rohr 21 und einem zweitem Rohr 22 in einem quaderförmigen Gehäuse mit Zu- und Ableitungen für das zu analysierende Gas (Darstellung in der Fig. 18). Das Gehäuse ist ein Quader mit einer Grundplatte 25, einer Deckplatte 26 und vier Seitenwänden 23. In diesem Gehäuse befinden sich das erste Rohr 21 und das zweite Rohr 22, die jeweils dünnwandige Rohre sind. Die Endenbereiche der Rohre 21, 22 sind in Sackbohrungen der Grundplatte 26 befestigt. Der Außendurchmesser des ersten Rohres 21 ist kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Rohres 22. Das erste Rohr 21 ist beabstandet im zweiten Rohr 22 angeordnet, so dass ein Zwischenraum zwischen Außenwandung des ersten Rohres 21 und Innenwandung des zweiten Rohres 22 vorhanden ist. Das zweite Rohr 22 schließt an der Deckplatte 26 ab und das erste Rohr 21 endet beabstandet zur Deckplatte 26, so dass ein Spalt als räumliche Verbindung zwischen dem Zwischenraum und dem Innenraum des ersten Rohres 21 mit dem Gassensor auf dem plattenförmigen Träger 1 vorhanden ist. Der plattenförmige Träger 1 befindet sich im ersten Rohr 21 und seine Befestigung 20 ist Bestandteil der Deckplatte 26 oder mit dieser verbunden. Die Ausführung kann dabei vorteilhafterweise der des fünften Ausführungsbeispiels ent¬ sprechen.
In der Grundplatte 25 sind Bohrungen als Zu- und Ableitungen des zu analysierenden Gases in Richtung sowohl des Zwischenraumes der beiden Rohre 21, 22 als auch des ersten Rohres 21 eingebracht. Die Rohre 21, 22 sind damit in dem Gehäuse mit Zu- und Ableitungen für das zu analysierende Gas und Durchführungen der elektrischen Leitungen für den Gassensor mit den Sensorelementen und den Heizelementen 6 so angeordnet, dass zwischen der Außenwandung des zweiten Rohres 22 und Innenwandung der Seitenwänden 23 des Gehäuses ein Abstand und damit ein Innenraum vorhanden ist. Dadurch sind die mit dem Zwischenraum verbundene Bohrung, der Zwischenraum, der Spalt, der Raum als Messkammer mit dem plattenförmigen Träger 1 im ersten Rohr 21 und die damit verbundene wenigstens eine Bohrung Strömungs¬ kanäle für das zu analysierende Gas.
Die nach außen weisenden Endenbereiche der Bohrungen dienen dem Anschluss von Rohren oder Schläuchen zur Leitung des zu analysierenden Gases.
7. Ausführungsbeispiel
Ein zweites Gehäuse mit einer Messkammer für Gassensoren entsprechend des ersten, dritten oder vierten Ausführungsbeispiels besteht im wesentlichen aus einem erstem Rohr 21 und einem zweitem Rohr 22 in einem quaderförmigen Gehäuse mit Zu- und Ableitungen für das zu analysierende Gas.
Die Fig. 19 zeigt ein Gehäuse mit einem Gassensor auf einem plattenförmigen Träger 1 in zwei Ansichten.
Das Gehäuse ist ein Quader mit einer Grundplatte 25, einer Deckplatte 26 und vier Seiten¬ wänden 23. In diesem Gehäuse befinden sich das erste Rohr 21 und das zweite Rohr 22, die jeweils dünnwandige Rohre sind. Das erste Rohr 21 mit mehreren Durchbrüchen in dessen Wandung ist beabstandet im zweiten Rohr 22 angeordnet, so dass ein Zwischenraum vor¬ handen ist. Dazu ist der Außendurchmesser des ersten Rohres 21 kleiner als der Innendurch¬ messer des zweiten Rohres 22. Die Durchbrüche sind räumliche Verbindungen des Zwischen¬ raumes und dem Raum des ersten Rohres 21 mit dem Gassensor auf dem plattenförmigen Träger 1. Das zweite Rohr 22 stellt eine Buchse mit einer Öffnung zur Aufnahme und Befes¬ tigung eines Bereiches des ersten Rohres 21 dar. Der plattenförmige Träger 1 befindet sich mit seiner Befestigung 20 im ersten Rohr 21. Das erste Rohr 21 ist mit der Grundplatte 25 und der Deckplatte 26 und das zweite Rohr 22 ist mit der Grundplatte 25 des Gehäuses verbunden. In der Grundplatte 25 sind Bohrungen als Zu- und Ableitungen des zu analysierenden Gases in Richtung des Zwischenraumes der beiden Rohre 21, 22 und des ersten Rohres 21 eingebracht. Die Rohre 21, 22 sind damit in dem Gehäuse mit Zu- und Ableitungen für das zu analysierende Gas und Durchfuhrungen der elektrischen Leitungen für den Gassensor so angeordnet, dass zwischen der Außenwandung des zweiten Rohres 22 und Innenwandungen der Seitenwände 23 des Gehäuses ein Abstand und damit ein Innenraum vorhanden ist. Dadurch sind die mit dem Zwischenraum der Rohre 21, 22 verbundene Bohrung, der Zwischenraum, die Durchbrüche, der Raum mit dem plattenförmigen Träger 1 im ersten Rohr 21 und die wenigstens eine mit dem Raum als Messkammer mit dem Gassensor im ersten Rohr 21 verbundene Bohrung Strömungskanäle für das zu analysierende Gas.
Die nach außen weisenden Öffnungen der Bohrungen weisen Anschlussfittings 24 zur Befes¬ tigung von Schläuchen für das zu analysierende Gas auf.
In Ausführungsformen der Ausführungsbeispiele sechs und sieben können jeweils die Grund¬ platte 25 und wenigstens eine Seitenwand 23 des Gehäuses jeweils wenigstens eine durchgeh¬ ende und in Richtung des Innenraumes weisende Öffnung besitzen. Weiterhin kann auf der Grundplatte 25 des Gehäuses ein Ventilator so angeordnet sein, dass ein Luftstrom zur Küh¬ lung des Gehäuses im Innenraum erzeugbar ist.
In weiteren Ausführungsformen der Ausführungsbeispiele sechs und sieben können jeweils das zweite Rohr 22 einen in Richtung des Innenraumes weisenden Durchbruch für das zu ana¬ lysierende Gas auf. Die Grundplatte 25 und eine Wand des Gehäuses besitzen wenigstens eine Öffnung zum Innenraum und auf der Grundplatte 25 ist ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes im Innenraum angeordnet. Durch diesen Luftstrom entsteht ein Unterdruck im Durchbruch und/oder der Düse, so dass das zu analysierende Gas über die Bohrung zum Raum des ersten Rohres 21, den Zwischenraum und den Durchbruch und/oder die Düse des zweiten Rohres 22 gesaugt wird. Mit dem Luftstrom gelangt das zu analysierende Gas über eine Öffnung im Gehäuse nach außen. In weiteren Ausführungsformen der Ausfuhrungsbeispiele sechs und sieben können wenigstens entweder auf der Außenwandung des zweiten Rohres 22 und/oder an einer Innenwandung des Gehäuses und damit im Innenraum wenigstens ein Temperatursensor angeordnet sein, wobei sich in dem Gehäuse Durchführungen der elektrischen Leitungen für den Temperatursensor befinden.
Das Gehäuse mit der Messkammer der Ausführungsbeispiele sechs und sieben kann auch andere geometrische Körperformen aufweisen. So kann die Grundplatte 25 und die Deckplatte 26 eine Kreisform oder eine weitere Mehreckform aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Eigenschaftsbestimmung eines Gases mit einem planaren über wenigstens ein Heizelement mit einer Temperatur größer als 290°C betriebenen Gassensor auf einem Trägersubstrat in einer Messkammer, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberfläche des Trägersubstrats aus einem elektrischen Isolator der planare Gassensor als Sensorelement und auf einer anderen Oberfläche des Trägersubstrats das Heizelement (6) angeordnet sind, dass das Heizelement (6) ein elektrisches Widerstandselement (10) mit mindestens zwei Zuleitungen (11) ist, dass wenigstens ein Leiter (7) als Potentialabgriff mit dem Heizelement (6) verbunden ist, dass das elektrische Widerstandselement (10), die Zuleitungen (11) und der Leiter (7) als Potentialabgriff Bahnen auf dem Trägersubstrat sind und dass der planare Gassensor aus mindestens einer Schicht eines Festkörperelektrolyten (2) und zwei aufgebrachten Bahnen als Elektroden (3, 4) zur Messung entweder der anliegenden elektrischen Spannung oder des durch die Elektroden (3, 4) fließenden elektrischen Stromes besteht, wobei sich das Trägersubstrat wenigstens mit dem elektrischen Widerstandselement (10) und dem damit beheiztem Festkörperelektrolyten in der Messkammer befinden.
2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement als ein bahnenförmiges Widerstandselement (10) eine Form eines Mäanders, eines Mehrecks, eines Kegelschnittes oder einer Kombination daraus besitzt und entweder dass der bahnenförmiger Leiter (7) als Potentialabgriff mittig am bahnenförmigen Widerstandselement (10) angeordnet und mit diesem verbunden ist oder dass das elektrische Heizelement als ein bahnenförmiges Widerstandselement (10) eine Form eines Mäanders, eines Mehrecks, eines Kegelschnittes oder einer Kombination daraus besitzt und dass mehrere bahnenförmige Leiter (7) als Potentialabgriffe beabstandet am bahnenförmigen Widerstandselement (10) angeordnet und mit diesem verbunden sind.
3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bahnenförmige Widerstandselement (10) aus zwei beabstandet zueinander angeordneten und außen miteinander verbundenen in Reihe geschalteten Formen eines Mäanders, eines Mehrecks, eines Kegelschnittes oder einer Kombination daraus besteht, dass wenigstens ein bahnenförmiger Leiter (7c) als Potentialabgriff mittig am bahnenförmigen Widerstandselement (10) und dass mindestens jeweils ein weiterer bahnenförmiger Leiter (7a, 7b) als Potentialabgriff an den Verbindungsstellen der bahnenförmigen Widerstandselemente (10) angeordnet und mit diesen verbunden sind.
4. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Bereich des Trägersubstrates nacheinander Schichten des Festkörperelektrolyten (2), Elektroden (3, 4) mit Anschlussbahnen und eine eine Elektrode bis auf deren Anschlussbahn abdeckende Diffusionsbarriere (5) als Sauerstoffsensor angeordnet sind, dass die Schicht des Festkörperelektrolyten (2) aus einem dotierten und ionenleitenden Zirkoniumoxid besteht, wobei die chemische Wechselwirkung zwischen der Gaskomponente als Sauerstoff und der Schicht des Festkörperelektrolyten (2) in Verbindung mit den Elektroden (3, 4) einen elektrischen Ladungstransport bewirkt und dass die Diffusionsbarriere (5) eine aufgedruckte Schicht aus einem Glas, Aluminiumoxid oder einer Kombination daraus ist.
5. Einrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt (2) eine Schicht aus einem mit Diyttriumtrioxid dotierten Zirkoniumoxid ist und dass die Schichtdicke des dotierten Zirkoniumoxides größer/gleich 1 μm und kleiner/gleich 500 μm als Festkörperelektrolyt (2) beträgt.
6. Einrichtung nach den Patentansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils nacheinander siebgedruckte Schichten des Festkörperelektrolyten (2), der Elektroden (3, 4) mit Anschlussbahnen und der eine Elektrode bis auf deren Anschlussbahn abdeckende Diffusionsbarriere (5) auf einer Oberfläche des Trägersubstrats (1) und dass das eine siebgedruckte Schicht des Heizelements (6) mit deren Anschlussbahnen und des wenigstens einen bahnenförmigen Leiters (7) auf der anderen Oberfläche des Trägersubstrats (1) sind.
7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sauerstoffmessung die mit der DifBαsionsbarriere (5) abgedeckte Elektrode (3) mit der Katode einer ersten elektrischen Energiequelle (8) und die andere Elektrode (4) über ein Amperemeter mit der Anode der ersten elektrischen Energiequelle (8) und die Anschlüsse des elektrischen Heizelementes (6) mit einer zweiten elektrischen Energiequelle (9) zusammengeschaltet sind und dass zur Volumen- oder Anströmmessung mindestens eine Anschlussbahn als Anschluss des elektrischen Heizelementes (6) und die Leiterbahn (7) mit einem ersten Voltmeter und die andere Anschlussbahn als Anschluss des elektrischen Heizelementes (6) und die Leiterbahn (7) mit einem zweiten Voltmeter verbunden sind.
8. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Bereich des Trägersubstrates nacheinander Schichten des Festkörperelektrolyten (2) und Elektroden (3, 4) als eine Messelektrode und eine Referenzelektrode jeweils mit einer Anschlussbahn als Kohlenmonoxidsensor angeordnet sind, wobei die Referenzelektrode aus entweder Platin oder einem Platin- YSZ-Gemisch und die Messelektrode aus einem Metall oder einem Metallgemisch bestehen, und dass die Schicht des Festkörperelektrolyten (2) aus einem Yttrium stabilisierten Zirkoniumoxid besteht, wobei zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ein Spannungspotential in Abhängigkeit des Kohlenmonoxidpartialdruckes anliegt.
9. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Bereich des Trägersubstrates nacheinander Schichten des Festkörperelektrolyten (2), Elektroden (3, 4) als eine Messelektrode und eine Referenzelektrode jeweils mit einer Anschlussbahn und eine Schicht eines Metallkarbonat (12) auf der Messelektrode als Kohlendioxidsensor angeordnet sind, wobei die Referenzelektrode und die Messelektrode aus entweder Gold oder einem Gold- Natriumionenleiter-Gemisch bestehen, und dass die Schicht des Festkörperelektrolyten (2) aus einem Natriumionenleiter besteht, wobei zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ein Spannungspotential in Abhängigkeit des Kohlendioxidpartialdruckes anliegt.
10. Einrichtung nach den Patentansprüchen 1, 4, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich in einer Grundplatte (13) zur Platzierung in einem Raum der Messkammer mindestens eine Öffnung (16) zur Aufnahme des dem Endenbereich mit dem Gassensor und dem Heizelement (6) gegenüberliegenden Endenbereiches des Trägersubstrates befindet, dass die Abmessungen der Öffnung (16) gleich oder größer als wenigstens die Abmessungen des Querschnittes des den Endenbereich mit dem Gassensor und Heizelement (6) gegenüberliegenden Endenbereiches des Trägersubstrats sind, dass der dem Endenbereich mit dem Gassensor und dem Heizelement (6) gegenüberliegende Endenbereich des Trägersubstrats in der Öffnung (16) der Grundplatte (13) befestigt ist, so dass die Grundplatte (13) und die Sensorplatte winklig zueinander angeordnet sind, dass sich auf der Grundplatte (13) als Leiterplatte Leiterbahnen (15) befinden und dass jeweils eine Leiterbahn (15) der Grundplatte (13) mit einer Zuleitung, dem Leiter und den Anschlussbahnen des Trägersubstrats über wenigstens eine mit den Leiterbahnen (15, 17) verbundenen metallischen Draht-, Band- oder Lotbrücke (18) elektrisch leitend verbunden sind.
11. Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat und die Grundplatte (13) über eine Verbindung aus einem temperaturfesten und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Kleber verbunden sind.
12. Einrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass entweder an einem Wandbereich der Öffnung (16) der Grundplatte (13) eine Leiterbahn (15) endet oder dass wenigstens ein Wandbereich der Öffnung (16) der Grundplatte (13) mit Leiterbahnen, wobei jeweils eine Leiterbahn der Wandung mit einer Zuleitung, dem Leiter und einer Anschlussbahn auf der Oberfläche der Grundplatte (13) verbunden ist, versehen ist und dass die Öffnung zwischen benachbarten Leiterbahnen wenigstens bereichsweise eine Ausbuchtung ist und dass jeweils eine Leiterbahn (15) der Grundplatte (13) mit den Zuleitungen, dem Leiter und den Anschlussbahnen des Trägersubstrats über wenigstens eine metallischen Lotbrücke elektrisch leitend verbunden sind.
13. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor sich im Raum eines rohrförmigen Körpers als eine Messkammer befindet, wobei eine Öffnung des rohrförmigen Körpers der Gaseintritt ist, oder dass ein erstes Rohr (21) als Messkammer beabstandet in einem zweiten Rohr (22) angeordnet ist, dass sich der Gassensor im ersten Rohr (21) befindet, dass wenigstens der Raum sowohl zwischen dem ersten Rohr (21) als auch dem zweiten Rohr (22) als Zwischenraum und der Raum mit dem Gassensor als Messkammer im ersten Rohr (21) und eine räumliche Verbindung des Zwischenraumes und dem Raum mit dem Gassensor Strömungskanäle für das zu analysierende Gas sind und dass die Rohre (21, 22) in dem Gehäuse mit Zu- und Ableitungen für das zu analysierende Gas und Durchfuhrungen der elektrischen Leitungen für den Gassensor so angeordnet sind, dass zwischen der Wandung des zweiten Rohres (22) und der korrespondierend dazu angeordneten Gehäusewandung ein Abstand und damit ein Innenraum vorhanden ist.
14. Einrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Grundplatte (25) des Gehäuses in Richtung des Zwischenraumes und des Raumes im ersten Rohr (21) führende Bohrungen eingebracht sind, dass Bohrungen Strömungskanäle für das zu analysierende Gas sind und dass die Endenbereiche der Bohrungen gleichzeitig Anschlusselemente sind oder dass die nach außen weisenden Öffnungen der Bohrungen Anschlussfittings (24) aufweisen.
15. Einrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (25) und eine Gehäusewandung jeweils wenigstens eine durchgehende und in Richtung des Innenraumes weisende Öffnung besitzen und dass auf der Grundplatte (25) des Gehäuses ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes im Innenraum angeordnet ist.
16. Einrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Endenbereiche der Rohre (21, 22) wenigstens in der Grundplatte (25) des Gehäuses befestigt sind.
17. Einrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens entweder auf der Wandung des zweiten Rohres (22) und/oder an einer Wandung des Gehäuses im Innenraum wenigstens ein Temperatursensor angeordnet ist und dass sich in dem Gehäuse Durchführungen der elektrischen Leitungen für den Temperatursensor befinden.
18. Einrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (22) eine Buchse mit einer Öffnung zur Aufnahme eines Bereiches des ersten Rohres (21) ist.
19. Einrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (22) einen in Richtung des Innenraumes weisenden Durchbruch und/oder Düse für das zu analysierende Gas aufweist, dass die Grundplatte (25) und das Gehäuse jeweils wenigstens eine Öffnung zum Innenraum besitzen und dass auf der Grundplatte (25) des Gehäuses ein Ventilator zur Erzeugung eines Luftstromes im Innenraum angeordnet ist.
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