DE19534918A1 - Sensor zur Messung von Gaskonzentrationen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch mit einem einseitig geschlossenen Röhrchen, an dessen Außenseite längs des Röhrchens ein elektrischer Sensorkontakt angeordnet ist und dessen dem geschlossenen Ende gegenüberlie­ gendes Ende in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei ein um das Röhrchen laufender Zwi­ schenraum zwischen Gehäuse und Röhrchen gasdicht geschlossen ist.

Ein derartiger Gassensor ist aus der US-A-3960693 bekannt. Ein Röhrchen mit einer kataly­ tisch wirkenden Schicht ist an seinem dem zu messenden Gas zugewandten Ende geschlos­ sen und an seinem anderen Ende offen. An diesem offenen Ende ist es verdickt ausgebildet und in einem Gehäuse gehaltert. Dieses Gehäuses wird in eine Wandöffnung des Raumes mit dem zu messenden Gas eingeschraubt, beispielsweise in Verbrennungskraftmaschinen. Das Innere des Röhrchens steht mit der Umgebungsatmosphäre, dem Referenzgas, in Verbindung. Innerhalb des Gehäuses ist ein Spalt zwischen Gehäuse und Röhrchen abgedichtet, so daß die beiden unterschiedlichen Gase voneinander getrennt sind. Die Dichtung ist aus einem Metall­ ring hergestellt, wie er allgemein üblich beispielsweise auch bei Zündkerzen eingesetzt wird. Gasmessungen dieser Art werden in der Regel bei hohen Temperaturen (ab etwa 150°C, bei Verbrennungskraftmaschinen ab etwa 500°C) durchgeführt. Das Gehäuse, das wegen der er­ forderlichen Temperaturbeständigkeit aus Metall gebildet ist, ist also leitend mit dem Röhrchen, also dem Sensorkontakt verbunden. Das heißt, daß das Gehäuse in den Meßkreis integriert ist; der Sensor ist ein sogenannter Monosensor. Da die Dichtung sich in einem Bereich der Sen­ soranordnung befindet, die während der Messung eines Brenngases sehr stark erhitzt wird, können die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Röhrchen zu Lecka­ gen und damit zu Meßungenauigkeiten führen, da die Dichtung die unterschiedlichen Ausdehnungen nicht mit Sicherheit ausgleichen kann. Auch die elektrische Kontaktierung des Sensorkontaktes befindet sich in dieser heißen Zone und ist deshalb nur mit erheblichem Auf­ wand in hoher Sicherheit realisierbar, da die Kontaktmaterialien bei den hohen Einsatztempera­ turen zur Oxidation neigen. Außerdem verursacht der heiße Kontakt der Dichtung mit dem Röhrchen, das üblicherweise aus einem Festelektrolyten gebildet sein kann, eine parasitäre Spannung, deren Größe mit der Zeit stark variiert, weil die langsame Oxidation oder Reduktion der Dichtung unkontrollierbar ist. Die Drift der Sensorcharakteristiken werden dadurch erheblich verschlechtert. Ein ähnlicher Sensor ist auch aus der EP-A-0 520 528 bekannt.

Eine etwas andere Anordnung ist aus US-A-3399233 als galvanische Festelektrolytzelle be­ kannt. Auch hier ist das Metallgehäuse in den Meßkreis integriert. Eine Gasdichtung ist hier nicht notwendig, da die Messung zwischen zwei Flüssigkeiten stattfindet.

Ein Gassensor einer anderen Art ist aus EP-A-0 398 579 bekannt. Hier ist ein ebenes Sensore­ lement innerhalb eines zylindrischen Metallgehäuses angeordnet, wobei zwischen Sensor und Gehäuse Keramikpulver zur Fixierung und Abdichtung angeordnet ist. Aufgrund der unter­ schiedlichen Geometrien zwischen Sensorelement und Gehäuse und aufgrund der unterschied­ lichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien können auch hier Leckagen bei Erwärmung entstehen. Insbesondere die Abdichtung zu dem zu messenden Gasraum hin ist problematisch. Abgesehen davon, kann das Sensorelement durch während des Betriebes auftretende Vibratio­ nen leicht beschädigt werden.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, einen Sensor der gattungsgemäßen Art anzugeben, der auch bei hohen Be­ triebstemperaturen eine zuverlässige Abdichtung zwischen zu messendem Gas und Referenz­ gas gewährleistet und bei dem gleichzeitig mehrere Sensorkontakte, die elektrisch vom Gehäu­ se isoliert sind, realisiert werden können, und bei dem keine parasitären Spannungen entste­ hen, die die Driftcharakteristiken des Sensors verschlechtern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß eine zwischen Gehäuse und Röhrchen umlaufende gasdichte Dichtung an dem dem geschlossenen Ende gegenüberliegenden Ende, das ein kaltes Ende (bzw. einen kal­ ten Bereich) des Röhrchens bildet, angeordnet ist, daß an der Außenseite des Röhrchens min­ destens ein elektrischer Sensorkontakt von dem Gehäuse elektrisch isoliert angeordnet ist und daß der mindestens eine Sensorkontakt an dem dem geschlossenen Ende gegenüberliegenden Ende des Röhrchens mündet und mit einer elektrischen Leitung verbun­ den ist. Das kalte Ende bzw. der kalte Bereich des Röhrchens ist der Bereich, der außerhalb des Raumes mit dem zu messenden Gas angeordnet ist und der weit genug von dem Raum mit dem zu messenden Gas entfernt ist, so daß er sich höchstens geringfügig erwärmt, so daß die vorzugsweise einzusetzende Dichtung aus einem elektrisch isolierenden, elastischen Mate­ rial nicht zerstört wird und ihre Elastizität behält. Die konkrete notwendige Entfernung ist durch wenige Versuche bzw. Messungen leicht zu ermitteln. In einem derartigen kalten Bereich findet auch die Kontaktierung der Sensorkontakte mit weiterführenden elektrischen Leitungen statt; hier werden hochtemperaturbedingte Oxidationserscheinungen an den Kontakten vermieden. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien spielen hier praktisch keine Rolle, insbesondere bei elastischen Dichtungen entstehen praktisch keine thermischen Spannungen, so daß eine hohe Dichtwirkung erreicht werden kann. Außerdem werden parasi­ täre elektrochemische Spannungen, die im Kontaktbereich zwischen üblichen metallischen Dichtungen, die sich im heißen Bereich befinden, und dem Festelektrolyten (dem Röhrchen) entstehen, durch den Einsatz elektrisch isolierender Dichtungen im kalten Bereich vermieden. Desweiteren hat sich gezeigt, daß Vibrationen, wie sie während des Betriebs von Kraftfahr­ zeugmotoren bzw. deren Abgasanlagen auftreten, nicht auf den Sensor übertragen werden, so daß eine hohe Störsicherheit des Sensor erreicht wird. Zweckmäßigerweise können die elektri­ schen Leitungen an die Sensorkontakte geschweißt oder gelötet bzw. mit Hilfe eines elasti­ schen Ringes an den bzw. die Sensorkontakte angepreßt werden. Dadurch sind zuverlässige Kontaktierungen einfach zu realisieren.

Vorteilhafterweise sind an der Außenfläche des Röhrchens mehrere Sensorkontakte angeord­ net, wobei ein oder mehrere Sensorkontakte als Heizkontakt ausgebildet werden können. Da­ durch wird der Einsatz eines separaten Heizkörpers, der in bekannten Anordnungen in das Röhrchen geschoben wird, vermieden. Dadurch werden Wirkungsgrad und Reaktionsgeschwin­ digkeit des Heizers erhöht.

Zweckmäßigerweise kann an der Innenseite des Röhrchens mindestens ein elektrischer Kon­ takt angeordnet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Röhrchen zylin­ derförmig ausgebildet und dadurch sehr leicht zu fertigen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, zwischen Gehäuse und Sensorkontakten eine elektrisch isolierende Schicht auf dem Röhrchen anzubringen. Weiterhin ist es möglich, das mindestens ein Teil der Außenfläche des Röhrchens ein Festelektrolytmaterial aufweist, das mit mindestens einem Sensorkontakt elektrisch verbunden ist. Es ist auch möglich, das gesamte Röhrchen aus einem Festelektrolytmaterial zu bilden. Es ist ebenfalls möglich, daß mindestens ein Teil der Außenoberfläche des Röhrchens ein Material aufweist, dessen elektrischer Widerstand von der Gaskonzentration abhängt. Um den kalten Bereich effektiv zu kühlen ist es zweckmäßig, daß an der Außenseite des Gehäuses Kühlrippen angeordnet sind.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Röhrchen des Sensors mit Sensorkontakten,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Sensors,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Sensors,

Fig. 4 einen weiteren Querschnitt durch den Sensor und

Fig. 5 den Aufbau einiger Montageelemente.

Fig. 1 zeigt das Röhrchen 1 des Sensors. Das Röhrchen 1 ist zylindrisch ausgebildet und an seinem einen Ende geschlossen. Es ist aus einem elektrisch isolierenden Material, zum Bei­ spiel Aluminiumoxid oder aus einem Festelektrolytmaterial, zum Beispiel Zirkondioxid herge­ stellt. Es kann auch aus einem anderen Material, das an seiner Außenseite eine elektrische Isolierung aufweist, gebildet sind. Auf der Außenseite des Röhrchens 1 sind Gassensoren 2 als aktive Elemente angeordnet. Des weiteren ist ein elektrischer Heizer 3 auf das Röhrchen 1 auf­ gebracht. Auf diesen elektrischen Sensorkontakten, nämlich den Gassensoren 2 und dem Hei­ zer 3 ist eine dünne, elektrisch isolierende Schicht 4 angebracht, die jedoch gasdurchlässig ist, und die die Verschmutzung der Gassensoren 2 z. B. durch Abgasbestandteile verhindern. Die längs des Röhrchens 1 angeordneten elektrischen Sensorkontakte 2; 3 münden an der offenen Seite des Röhrchens 1 in sogenannte Außenelektroden 5, an denen das Röhrchen 1 elektrisch kontaktiert wird. An der Stirnseite des offenen Endes des Röhrchens 1 ist ein Kontaktring 6 an­ geordnet, der der Kontaktierung eines an der Innenseite des Röhrchens 1 angeordneten elektri­ schen Kontaktes 7 dient. Dieser elektrische Kontakt 7 ist notwendig, wenn der Gassensor 2 ein elektrochemischer Sensor mit Referenzgas ist. Das Referenzgas befindet sich in diesem Fall im Inneren des Röhrchens 1 und ist beispielsweise gleich der Umgebungsluft. Das Röhrchen 1 ist in dem in Fig. 2 dargestellten Gehäuse 8 angeordnet. Das Gehäuse 8 weist an seiner Spitze, in der sich das geschlossene Ende des Röhrchens 1 befindet, Gasöffnungen 9 auf, durch die das zu messende Gas an die Gassensoren 2 gelangt. Das Gehäuse 8 weist im Bereich des ge­ schlossenen Endes des Röhrchens 1 eine Mutter 10 mit einem Außengewinde 11 auf, mit de­ ren Hilfe der Sensor in die Wand des Raumes mit dem zu messenden Gas eingeschraubt wird. Dieser Raum kann im Bereich von Verbrennungskraftmaschinen beispielsweise ein Teil der Auspuffanlage (zum Beispiel von PKWs) sein. An der Mutter 10 kann noch eine Dichtung 12 angeordnet sein.

Das Röhrchen 1 liegt mit seinem geschlossenen Ende stirnseitig an dem entsprechenden Ende des Gehäuses 8 an und wird durch eine Feder 13 an dieses Ende gepreßt. Das Röhrchen 1 ist beabstandet von der Wand des Gehäuses 8 angeordnet, so daß die elektrischen Sensorkon­ takte (Gassensoren 2 und Heizer 3) keinen elektrischen Kontakt mit dem Gehäuse 8 haben. Als Gasdichtung ist ein O-Ring 14 aus einem elastischen und wärmeständigen Kunststoff vor­ gesehen, beispielsweise aus Teflon oder Viton. Dieser O-Ring 14 dient als Dichtung des Gas­ raumes des zu messenden Gases gegen die das Gehäuse 8 umgebende Atmosphäre, so daß beispielsweise die Umgebungsluft von den Abgasen eines Motors getrennt bleibt. Der O-Ring 14 realisiert des weiteren eine stabile Lage des Röhrchens 1 innerhalb des Gehäuses 8 und sichert die elektrische Isolation des Röhrchens 1 bzw. der Sensorkontakte 2, 3 von dem Gehäuse 8. Desweiteren verhindert der O-Ring 14 die Übertragung von Vibrationen von dem Gehäuse 8 auf das Röhrchen 1 und er gleicht unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zwi­ schen Röhrchen 1 und Gehäuse 8 aus, so daß auch bei geringfügiger Erwärmung keine thermi­ schen Spannungen auftreten können. Ein weiterer O-Ring 15 dient der Kontaktierung der Au­ ßenelektroden 5 mit den Anschlußdrähten 16. Auch O-Ring 15 ist aus einem elastischen, wär­ mebeständigen Kunststoff gefertigt. Mittels dieses O-Ringes 15 werden die Anschlußdrähte 16 zuverlässig an die Außenelektroden 5 angepreßt, so daß ein zuverlässiger Kontakt gewährlei­ stet ist. Es ist auch möglich, daß die Anschlußdrähte 16 an die Außenelektroden 5 ange­ schweißt werden oder daß die Außenelektrode 5 durch einen auf das Röhrchen 1 geschobenen und mit Anschlußdrähten 16 versehenen Stecker kontaktiert werden.

Durch das Anpreßstück 17 wird der O-Ring 15 gegen den O-Ring 14 gedrückt, so daß dieser durch die dadurch erzeugte zusätzliche Spannung das Röhrchen 1 sicher innerhalb des Ge­ häuses 8 hält. Das Anpreßstück 17 wird mittels der Mutter 18 über die Scheibe 19 (aus einem wärmeständigen Kunststoff) gegen die O-Ringe 14, 15 gedrückt, wobei der O-Ring 14 gegen ei­ ne Anschlagfläche des Gehäuses 8 gedrückt wird. Die Mutter 18 dient dem Verschluß des Innenteils des Gehäuses 8; durch sie werden die Anschlußdrähte 16 sowie der Anschlußdraht 20 hindurchgeführt. Die Anschlußdrähte 16, 20 werden von der Scheibe 19 zentriert und durch das Anpreßstück 17 in das Innere des Gehäuses geführt. Anschlußdraht 20 weist nach der Montage einen elektrischen Kontakt zu der Feder 13 auf, die wiederum an dem Kontaktring 6 elektrisch leitend anliegt, so daß der Anschlußdraht 20 den elektrischen Kontakt 7 im Inneren des Röhrchens 1 kontaktiert. Die Anordnung aus Anpreßstück 17, Mutter 18 und Scheibe 20 ist in Fig. 5 vergrößert und in mehreren Ansichten dargestellt.

Der Einsatz von Kunststoffdichtungen als O-Ringe 14, 15 mit den daraus resultierenden oben­ beschriebenen Vorteilen ist in einem solchen Bereich des Gehäuses 8 möglich, der sich auch Betriebstemperatur des Sensors nicht wesentlich aufheizt, das heißt nur so stark erwärmt wird, daß die Kunststoffdichtungen ihre Elastizität nicht verlieren. Dieser Bereich ist, abhängig von der Temperatur des zu messenden Gases mindestens etwa 2 cm, insbesondere etwa 4 bis 6 cm von der Dichtung 12 entfernt, die den Raum des zu messenden Gases abschließt. Die O- Ringe 14; 15 sind in der Regel in einem Bereich angeordnet, in dem die Temperatur nur so hoch ist, daß die Materialien der O-Ringe 14; 15 dauerhaft verwendet werden können. Um den Küh­ leffekt zu erhöhen, sind an der Außenseite des Gehäuses 8 Kühlrippen 21 angeordnet. Da­ durch kann unter Umständen der Abstand zwischen den Ringen 14; 15 und dem geschlossenen Ende des Röhrchens 1 verringert werden. Zahl und Form der Kühlrippen 21 können ebenso wie die Länge des Gehäuses 8 in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur des zu messenden Ga­ ses gewählt werden, um zu sichern, daß das sogenannte kalte Ende des Röhrchens 1, an dem die O-Ringe 14, 15 angeordnet sind, sich nur geringfügig soweit erwärmt, daß die O-Ringe 14, 15 nicht beschädigt werden und ihre Funktion verlieren.

Die Anordnung der Kühlrippen wird auch in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wobei Fig. 4 einen von Fig. 2 etwas abweichenden Längsschnitt durch den Sensor darstellt.

Der erfindungsgemäße Sensor weist einen sehr einfachen und damit kostengünstigen Aufbau auf; er ist bei der Möglichkeit, mehrere Sensoren in ein und demselben Gehäuse unterzubrin­ gen, wenig störanfällig und daher sicher in der Handhabung.

Claims (12)

1. Sensor zur Messung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch mit einem einseitig geschlossenen Röhrchen, an dessen Außenseite längs des Röhrchens ein elektrischer Sensorkontakt angeordnet ist und dessen dem geschlossenen Ende gegenüberliegendes Ende in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei ein um das Röhrchen laufender Zwischen­ raum zwischen Gehäuse und Röhrchen gasdicht geschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß eine zwischen Gehäuse (8) und Röhrchen (1) umlaufende, gasdichte Dichtung (14) an dem dem geschlossenen Ende gegenüberliegenden Ende, das ein kal­ tes Ende des Röhrchens (1) bildet, angeordnet ist, daß an der Außenseite des Röhrchens (1) mindestens ein elektrischer Sensorkontakt (2; 3) von dem Gehäuse (8) elektrisch isoliert angeordnet ist und daß der mindestens eine Sensorkontakt (2; 3) an dem dem geschlossenen Ende gegenüberliegenden Ende des Röhrchens (1) mündet und mit einer elektrischen Leitung (16) verbunden ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Röhrchen (1) und Gehäuse (8) um das Röhrchen (1) laufende Dichtung (14) aus einem elektrisch isolieren­ den, elastischen Material besteht.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitung (16) mittels eines elastischen Ringes (15) an den Sensorkontakt (2; 3) angepreßt ist.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitung (16) an den Sensorkontakt (2; 3) angeschweißt ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenflä­ che des Röhrchens (1) mehrere Sensorkontakte (2; 3) angeordnet sind, wobei mindestens ein Sensorkontakt als Heizkontakt (3) ausgebildet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innen­ seite des Röhrchens (1) mindestens ein elektrischer Kontakt (7) angeordnet ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (1) zylinderförmig ausgebildet ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ge­ häuse (8) und Sensorkontakten (2; 3) eine elektrisch isolierende Schicht (4) auf dem Röhrchen (1) angebracht ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Außenfläche des Röhrchens (1) ein Festelektrolytmaterial aufweist, das mit min­ destens einem Sensorkontakt (2) verbunden ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Röhrchen (1) aus einem Festelektrolytmaterial gebildet ist, das mit mindestens einem Sensorkontakt (2) verbunden ist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Außenoberfläche des Röhrchens (1) ein Material aufweist, dessen elektrischer Widerstand von der Gaskonzentration abhängt.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außen­ seite des Gehäuses (8) Kühlrippen (21) angeordnet sind.