DE19534918C2 - 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 katalytisch wirkenden Schicht ist an seinem dem zu messenden Gas zugewandten Ende geschlossen und an seinem anderen Ende offen. An diesem offenen Ende ist es verdickt ausgebildet und in ei­ nem 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 Metallring herge­ stellt, wie er allgemein üblich beispielsweise auch bei Zündkerzen eingesetzt wird. Gasmessun­ gen dieser Art werden in der Regel bei hohen Temperaturen (ab etwa 150°C, bei Verbrennungs­ kraftmaschinen ab etwa 500°C) durchgeführt. Das Gehäuse, das wegen der erforderlichen Tem­ peraturbeständigkeit aus Metall gebildet ist, ist also leitend mit dem Röhrchen, also dem Sensor­ kontakt 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 Sensoranordnung be­ findet, die während der Messung eines Brenngases sehr stark erhitzt wird, können die unter­ schiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Röhrchen zu Leckagen und damit zu Meßungenauigkeiten führen, da die Dichtung die unterschiedlichen Ausdehnungen nicht mit Si­ cherheit ausgleichen kann. Auch die elektrische Kontaktierung des Sensorkontaktes befindet sich in dieser heißen Zone und ist deshalb nur mit erheblichem Aufwand in hoher Sicherheit rea­ lisierbar, da die Kontaktmaterialien bei den hohen Einsatztemperaturen 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 oder aus DE 36 21 652 C1 bekannt. Bei letztgenanntem ist ei­ ne Heizpatrone innerhalb des Sensorröhrchens angeordnet. Eine ähnliche Heizeranordnung ist aus DE 34 17 170 C2 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.

Aus EP 0 562 801 A1 und US-A-5,112,456 sind Sensoren zur Messung in Metallschmelzen be­ kannt. Diese Sensoren weisen elektrochemische Meßelemente zur Sauerstoffmessung auf.

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 kalten Bereich) des Röhrchens bildet, angeordnet ist, daß an der Außenseite des Röhrchens mindestens ein elektrischer Sensorkontakt und mindestens ein Heizkontakt von dem Gehäuse elektrisch isoliert angeordnet sind und daß der mindestens eine Sensorkontakt und der minde­ stens eine Heizkontakt an dem dem geschlossenen Ende gegenüberliegenden Ende des Röhrchens münden und mit einer elektrischen Leitung verbunden sind. Das kalte Ende bzw. der kalte Bereich des Röhrchens ist der Bereich, der außerhalb des Raumes mit dem zu messen­ den 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 Material nicht zerstört wird und ihre Ela­ stizität behält. Die konkrete notwendige Entfernung ist durch wenige Versuche bzw. Messungen leicht zu ermitteln. In einem derartigen kalten Bereich findet auch die Kontaktierung der Sensor­ kontakte mit weiterführenden elektrischen Leitungen statt; hier werden hochtemperaturbedingte Oxidationserscheinungen an den Kontakten vermieden. Der Einsatz eines separaten Heizkör­ pers, der in bekannten Anordnungen in das Röhrchen geschoben wird, wird vermieden. Da­ durch werden Wirkungsgrad und Reaktionsgeschwindigkeit des Heizers erhöht. Unterschiedli­ che 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 parasitäre elektroche­ mische 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 Kraftfahrzeugmotoren bzw. de­ ren Abgasanlagen auftreten, nicht auf den Sensor übertragen werden, so daß eine hohe Störsi­ cherheit des Sensor erreicht wird. Zweckmäßigerweise können die elektrischen Leitungen an die Sensorkontakte geschweißt oder gelötet bzw. mit Hilfe eines elastischen Ringes an den bzw. die Sensorkontakte angepreßt werden. Dadurch sind zuverlässige Kontaktierungen einfach zu realisieren.

Zweckmäßigerweise kann an der Innenseite des Röhrchens mindestens ein elektrischer Kontakt angeordnet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Röhrchen zylinderför­ mig ausgebildet und dadurch sehr leicht zu fertigen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, zwischen Gehäuse und Sensorkontakten eine elektrisch isolierende Schicht auf dem Röhrchen anzubrin­ gen. Weiterhin ist es möglich, das mindestens ein Teil der Außenfläche des Röhrchens ein Fe­ stelektrolytmaterial 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 Be­ reich 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 Beispiel Aluminiumoxid oder aus einem Festelektrolytmaterial, zum Beispiel Zirkondioxid hergestellt. 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 Ele­ mente angeordnet. Desweiteren ist ein elektrischer Heizer 3 auf das Röhrchen 1 aufgebracht. Auf diesen elektrischen Sensorkontakten, nämlich den Gassensoren 2 und dem Heizer 3 ist ei­ ne 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 angeordnet, der der Kontaktierung eines an der Innenseite des Röhrchens 1 angeordneten elektrischen Kontak­ tes 7 dient. Dieser elektrische Kontakt 7 ist notwendig, wenn der Gassensor 2 ein elektrochemi­ scher 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 mes­ sende Gas an die Gassensoren 2 gelangt. Das Gehäuse 8 weist im Bereich des geschlossenen Endes des Röhrchens 1 eine Mutter 10 mit einem Außengewinde 11 auf, mit deren 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 PKW's) 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 Sensorkontak­ te (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 vorgese­ hen, beispielsweise aus Teflon oder Viton. Dieser O-Ring 14 dient als Dichtung des Gasraumes des zu messenden Gases gegen die das Gehäuse 8 umgebende Atmosphäre, so daß bei­ spielsweise 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 Ausdehnungskoefizienten zwischen Röhrchen 1 und Gehäuse 8 aus, so daß auch bei geringfügiger Erwärmung keine thermischen Spannungen auftreten können. Ein weiterer O-Ring 15 dient der Kontaktierung der Außenelektroden 5 mit den Anschlußdrähten 16. Auch O-Ring 15 ist aus einem elastischen, wärmebeständigen Kunst­ stoff gefertigt. Mittels dieses O-Ringes 15 werden die Anschlußdrähte 16 zuverlässig an die Au­ ßenelektroden 5 angepreßt, so daß ein zuverlässiger Kontakt gewährleistet ist. Es ist auch mög­ lich, daß die Anschlußdrähte 16 an die Außenelektroden 5 angeschweißt 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 Gehäu­ ses 8 hält. Das Anpreßstück 17 wird mittels der Mutter 18 über die Scheibe 19 (aus einem wär­ meständigen Kunststoff) gegen die O-Ringe 14, 15 gedrückt, wobei der O-Ring 14 gegen eine Anschlagfläche des Gehäuses 8 gedrückt wird. Die Mutter 18 dient dem Verschluß des Innen­ teils 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 bei 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 Kühlef­ fekt zu erhöhen, sind an der Außenseite des Gehäuses 8 Kühlrippen 21 angeordnet. Dadurch 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 Gases 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 (11)

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) und mindestens ein Heiz­ kontakt (3) von dem Gehäuse (8) elektrisch isoliert angeordnet ist und daß der minde­ stens eine Sensorkontakt (2) und der mindestens eine Heizkontakt (3) an dem dem ge­ schlossenen Ende gegenüberliegenden Ende des Röhrchens (1) münden und mit einer elektrischen Leitung (16) verbunden sind.

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 Innen­ seite des Röhrchens (1) mindestens ein elektrischer Kontakt (7) angeordnet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (1) zylinderförmig ausgebildet ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ge­ häuse (8) und Sensorkontakten (2; 3) eine elektrisch isolierende Schicht (4) auf dem Röhrchen (1) angebracht ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Außenfläche des Röhrchens (1) ein Festelektrolytmaterial aufweist, das mit min­ destens einem Sensorkontakt (2) verbunden ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Röhrchen (1) aus einem Festelektrolytmaterial gebildet ist, das mit mindestens einem Sensorkontakt (2) verbunden ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Außenoberfläche des Röhrchens (1) ein Material aufweist, dessen elektrischer Widerstand von der Gaskonzentration abhängt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außen­ seite des Gehäuses (8) Kühlrippen (21) angeordnet sind.