CN1158164A - 测量气体浓度的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量气体混和物中气体浓度的传感器，使用一个一端闭合且在该端外面上沿小管安排一个电传感器触头的小管，与闭合端相对的那端置于一壳内，小管周围壳和小管之间间隙是密封的。为确保即使在高工作温度时待测气体和参考气体之间的密封性是可靠的，同时也为确保采用多个传感器功能组合的高可靠性，在壳和小管之间的小管闭合端相对的那端即小管的冷端安装一个包围的气密密封件，在小管的外表面上至少提供一个与壳电绝缘的电传感器触头，此外该至少一个传感器触头终止于小管与闭合端相对的那端处并与一个电引线相连。

Description

测量气体浓度的传感器

本发明涉及测量气体混合物中气体浓度的传感器，该传感器包括一个一端闭合的小管，在其外面沿小管安排有一个电传感器触头，小管的末端即与闭合管相对的另一端被置于一个壳内，壳和小管之间、围绕小管的间隙以气密方式密封。

这种气体传感器可从美国专利US-A-3960693中了解。包括一起催化作用层的小管在其指向待测气体的一端闭合其另一端打开。这种传感器在其开口端处较厚，且固定于一个壳内。该壳被拧紧到装有待测气体的容器的腔壁上的一个开口中，例如内燃机内部。小管的内部和周围大气即参考气体连通。在壳内，壳与小管之间的间隙是封闭的，由此使得两个不同气体彼此隔开。此密封件在金属环制成，与那些火花塞中所常用的相似。这类气体测量通常在高温下进行(大约150℃以上，在内燃机情况下大约500℃以上)。由于需耐高温的缘故而用金属制成的壳相应地与小管即传感器触头电连接在一起。这意味着壳体被集成在测量电路中；传感器是所谓的单一传感器。密封件位于传感器阵列区域内，由于该区域在测量燃气时被显著加热，因此壳和小管的膨胀系数不同会导致泄漏，从而导致测量不准确，因为密封件不能可靠地对不同的膨胀率进行补偿。传感器触头的电连接也保持在该高温区域内，因此也只有在可观的代价下才能实现其良好的可靠性，因为接触材料在高温下工作易于氧化。小管通常由固态电解质制成，密封件和小管的高温接触就会产生寄生电压，寄生电压的幅度随时间变化很大，这是因为无法对缓慢氧化或密封性减弱进行控制。这将导致传感器特性偏移的严重恶化。类似的传感器也可见于欧洲专利EP-A-0520528。

一个略有不同的已知结构是美国专利US-A-3399233中的固体电解质原电池。在这种情况下，测量电路也集成到金属壳体中。这时就无需一个气体密封件，因为测量是在两个液体中进行的。

另一种不同类型的气体传感器可从欧洲专利EP-A-O 398 579中了解。在此情况下在圆柱形金属壳内放置了一个平面传感器元件，在传感器和壳之间装入了陶瓷粉用于固定和密封。由于传感器元件和壳之间几何形状的差异和材料的膨胀系数不同，在此情况下加热时同样也会有泄漏问题。尤其与待测气体腔有关的密封性就是个问题。此外，在工作过程中产生的振动也容易使传感器元件损坏。

从上述现有的技术出发，本发明的目的是提供一种普通型的传感器，它能保证即使在高温工作时待测气体和参考气体之间密封仍然可靠，用这种传感器可以同时实现与壳电绝缘的多个传感器接触件，这样就不会产生损害偏移特性的寄生电压。

根据本发明，可以获得一个与权利要求1前序部分相一致的传感器，此结果是如此实现的。与闭合端相对的且代表小管冷端或冷区域的那端，在壳和小管的之间及周围空间实现气密封闭；在小管的外面至少提供有一个与壳电绝缘的传感器电触头；并且该至少一个传感器触头终止于与密封端相对的小管的闭合端，并且该触头与一个电导体相连接。小管的冷端或冷区域是指位于装有待测气体的腔外面并且距有待测气体腔足够远的区域，以使得它至多仅略略升温，从而使优选使用的电绝缘有弹性的材料做成的密封件不会被损害并能保留其弹性。实际所需的距离可通过数次测试和/或测量来确定。传感器触头与向前的电线的连接同样在这个冷区域中；因此就避免了接头因高温而发生的氧化。在本传感器中，所用材料的不同膨胀系数实际上不会导致什么结果，特别是因为在弹性密封情况下没有热应力产生，因此可以得到很好的密封效果。此外，位于热区域的常规金属密封件和固体电解质(小管)之间的接触区域产生的寄生及电化学电压也可通过将电绝缘密封件置于冷区域中而得以避免。此外还可以发现，机动车发动机或其排气系统工作时所产生的振动不会被传递到传感器上，因此使得传感器抗干扰能力增强。通常，电线可熔焊或软焊到传感器触头上和/或利用弹性圈把电线压到传感器触头上。用这种方式易于实现可靠的接触结构。

为方便起见，可以在小管的外表面上提供多个传感器触头，其中一或多个传感器触头可用作加热触头。这避免了在已知设备中使用压入小管中的单独加热元件。由此提高了加热器的效率和反应速度。

出于便利，至少在小管内部提供一个电触头，在本发明的优选实施方案中小管具有圆柱形结构，因此易于制造。此外还可方便地在小管上，壳和各传感器触头之间制备一个电绝缘层。此外还可以让小管外面的至少一部分包括至少和一个传感器触头电连接的固体电解质材料。整个小管用固体电解质材料制成也是可以的。同样可以用电阻率与气体密度有关的材料制成小管外面的至少一部分。将冷却肋置于壳的外表面上是为了方便有效地冷却冷区域。本发明将参考附图详细说明

附图中：

图1带有传感器触头的传感器的小管

图2穿过传感器的剖面

图3传感器的示意图

图4穿过传感器的另一个剖面

图5一组装配元件

传感器的小管1如图1所示。小管1是圆柱形结构且一端闭合。它由电绝缘材料制成，例如氧化铝，或者是一种固态电解质材料，例如氧化锆。它也可由外部电绝缘的另一种材料制成。气体传感器工作为有源文件制备在小管1的外部。此外，电加热器3置于小管1上。在这些传感器电触头即气体传感器2和加热器3上加有一个电绝缘薄层4，它既透气又避免如排出气等成分对气体传感器2的污染。沿小管1放置的传感器电触头2、3结束于小管1的开口端，并导入所谓的外电极5，利用电极5与小管1保持电接触。在小管1的开口端面上有一个接触环6，它充当与沿小管1内侧所制备的电触头7的接触结构。在该气体传感器2采用以参考气体工作的电化学传感器的场合下该电触头7是必需的。在此情形下，参考气体位于小管1内并且与例如周围气体相一致。如图2所示，小管1置于壳8内。在装着小管1的闭合端的末端，壳8有气孔9，通过气孔9待测量气体能到达气体传感器2。在小管1的闭合端区域内，壳8有一个带有外螺丝11的螺帽10，通过它可以把传感器拧到装有待测气体的容器的腔壁内。从内燃机的角度来看，该腔可以是例如排气系统(如机动车的)的一部分。此外还可以在螺帽10处加一个密封装置12。

小管1通过其闭合端面与壳8的相应末端接合并且由弹簧13挤压在该端上。小管1与壳8的壁隔开，使得传感器电触头(气体传感器2和加热器3)与壳8无电接触。由弹性和耐热塑料例如特氟隆或氟橡胶制成的一个O形环14充作气体密封垫。该O形环作为密封把充有待测气体的气腔与壳8周围的大气分隔开，使得例如周围气体与机器的排出气保持分离。此外O形环14还使小管1在壳8内的位置固定并且确保小管1的电绝缘以及壳8的传感器触头2、3的电绝缘。此外O形环14避免来自壳8的振动传递到小管1上并且它对小管1和壳8之间膨胀系数不同作出补偿，使得即使在稍稍加热时也不会产生热应力。另有一个O形环15使外电极5和连接引线16接触。O形环15也由弹性的耐热塑料制成。连接引线16可靠地通过O形环15压到外电极5上，使得接触可靠。也可以将连接引线16焊到外电极5上，或者将带有连接引线16的插接件置于小管1上与外电极5接触。

O形环15由锁缝件17挤压到O形环14上，通过它额外产生的应力而使得小管1牢牢地固定在壳8内。压力件17是由螺帽18经垫圈19(由耐热塑料制成的)挤压到O形环14、15上的，O形环14被挤压到壳8的截断面上。螺帽18使壳8的内部密封，连接引线16和连接引线20穿过该螺帽。连接引线16、20放于垫圈19的中间，并且经压力件17引入壳内。组装之后连接引线20与弹簧13电接触，而弹簧导电地压在接触环6上，使得接触引线20与电触头7在小管1内接触。这样的压力件17、螺帽18和垫圈20的结构在图5中放大示出，并以不同视图示出。

使用塑料密封件作O环14、15并且带有上述优点的情况在壳8的一段区域内是可能的，这种区域即使在传感器的工作温度下也不被明显地加热即它只加热到塑料密封件还不丧失其弹性的程度。根据待测气体的温度的不同，该区域距使待测气体腔密封的密封件12至少为大约2cm，甚至为大约4到6cm。O形环14、15通常固定在温度适合O形环14、15材料可被永久使用的区域。为了增加冷却效果，冷却肋21被置于壳8的外表面上。这样可以减少环14、15和小管1的闭合端之间的距离。冷却肋的数目和形状以及壳8的长度可以根据待测气体的工作温度而定，以保证小管1的所谓冷端即O形环14、15固定的位置只稍稍升温，其程度应使得O形环14、15不被破坏和丧失其功能。

冷却肋的安排也如图3和4所示，图4给出与图2略有不同的穿过传感器的纵向截面图。

本发明中的传感器设计非常简单并且成本低廉；它抗干扰性好，并且能够将多个传感器容纳于一个壳体内，并且操作安全。

权利要求书

119条的修改

1.测量气体混合物中气体浓度的传感器，包括一个一端闭合的小管，在其外面上沿小管安排了一个电传感器，小管的与闭合端相对的那端包含于一个壳内，在壳和小管之间围绕小管的间隙以气密方式密封，其特征在于在与闭合端相对的那端，即小管(1)的冷端处提供一个在壳(8)和小管(11)之间的包围的气密密封件(14)，它由电绝缘弹性材料制成，在于在小管(1)的外面上提供与壳(8)电绝缘的至少一个电传感器触头(2，3)，还在于该至少一个传感器触头(2，3)引入并终止于小管(1)的与闭合端相对的那端中并与电导体(16)相连接。

2.根据权利要求1的传感器，其特征在于电导体(16)通过弹性环(15)被压到传感器触头(2，3)上。

3.根据权利要求1的传感器，其特征在于电导体(16)焊接至传感器触头(2，3)。

4.根据权利要求1至3之任一条的传感器，其特征在于，在小管(1)的外面上放有多个传感器触头(2，3)，至少一个传感器触头用作加热触头(3)。

5.根据权利要求1～4之任意一条的传感器，其特征在于至少一个电触头(7)置于小管(1)的内面上。

6.根据权利要求1～5之任一条的传感器，其特征在于小管(1)是圆柱形。

7.根据权利要求1～6之任一条的传感器，其特征在于电绝缘层(14)置于小管(1)上、壳(8)和传感器触头(2，3)之间。

8.根据权利要求1～7之任一条的传感器，其特征在于小管(1)的外表面的至少一部分包括固体电解质材料，它与至少一个传感器触头(2)连接。

9.根据权利要求1～7之任一条的传感器，其特征在于整个小管(1)由固体电解质材料制成，它与至少一个传感器触头(2)连接。

10.根据权利要求1～7之任一条的传感器，其特征在于小管(1)的外表面的至少一部分包括一种其电阻与气体浓度有关的材料。

11.根据权利要求1～10之任一条的传感器，其特征在于冷却肋(21)置于壳(8)的外面上。

Claims (12)

1.测量气体混合物中气体浓度的传感器，包括一个一端闭合的小管，在其外面上沿小管安排了一个电传感器，小管的与闭合端相对的那端包含于一个壳内，在壳和小管之间围绕小管的间隙以气密方式密封，其特征在于在与闭合端相对的那端，即小管(1)的冷端处提供一个在壳(8)和小管(11)之间的包围的气密密封件(14)，在于在小管(1)的外面上提供至少一个与壳(8)电绝缘的电传感器触头(2，3)，还在于至少一个传感器触头(2，3)引入并终止于小管(1)的与闭合端相对的那端，并与电导体(16)相连接。

2.根据权利要求1的传感器，其特征在于在壳(8)和小管(1)之间围绕小管(1)的密封件(14)由电绝缘弹性材料制成。

3.根据权利要求1或2的传感器，其特征在于电导体(16)通过弹性环(15)被压到传感器触头(2，3)上。

4.根据权利要求1或2的传感器，其特征在于电导体(16)焊接到传感器触头(2，3)上。

5.根据权利要求1到4之任意一条的传感器，其特征在于在小管(1)的外表面上放有多个传感器触头(2，3)，至少一个传感器触头用作加热触头(3)。

6.根据权利要求1～5之任一条的传感器，其特征在于至少一个电触头(7)置于小管(1)的内面上。

7.根据权利要求1～6之任一条的传感器，其特征在于小管(1)是圆柱形。

8.根据权利要求1～7之任一条的传感器，其特征在于电绝缘层(14)置于小管(1)上壳(8)和传感器触头(2，3)之间。

9.根据权利要求1～8之任一条的传感器，其特征在于小管(1)的外表面的至少一部分包括固体电解质材料，它与至少一个传感器触头(2)连接。

10.根据权利要求1～8之任一条的传感器，其特征在于整个小管(1)由固体电解质材料制成，它与至少一个传感器触头(2)连接。

11.根据权利要求1～8之任一条的传感器，其特征在于小管(1)的外表面的至少一部分包括一个电阻与气体浓度有关的材料。

12.根据权利要求1～11之任一条的传感器，其特征在于冷却肋(21)置于壳(8)的外面上。

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