DE19549287A1

DE19549287A1 - Sensor for e.g. stoichiometry measurement in exhaust gases with heat resistant materials and sealing

Info

Publication number: DE19549287A1
Application number: DE1995149287
Authority: DE
Inventors: Tanil Gezgin; Horst Kontants
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1997-06-26

Abstract

This novel sensor is used at high temperature. Its tubular metallic casing attaches to a mounting (6). Electrical connection is made by insulated conductors, sheathed as a cable (1), with a connector at one end. The other enters the casing (10) through a seal, connecting to sensor terminals inside a tubular ceramic body. The cable sheath (12) is a thermoplastic elastomer; conductor insulation being a plastic resisting high temperatures. The tubular casing (10) accepting the cable has a smaller-diameter tubular extension. The seal (9) of thermoplastic elastomer, silicone- or fluorinated rubber makes a material connection with the cable and has a matching tubular extension, to be pushed and sealed into the casing tubular extension. Further sealing and structural details are included with the patent.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Geräte und ist bei der Ausgestaltung des elektrischen Anschlusses eines Sensors anzuwenden, der im Hochtemperaturbereich ver wendbar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung die Ausge staltung des Einführungsbereiches für den elektrischen An schluß eines Gassensors, beispielsweise einer Lambda-Sonde.The invention is in the field of electrical devices and is in the design of the electrical connection to use a sensor that ver is reversible. In particular, the invention relates to the Design of the lead-in area for the electrical system circuit of a gas sensor, for example a lambda probe.

Bei einem bekannten Sensor zur Erfassung der Sauerstoffkon zentration im Abgas einer Brennkraftmaschine ist das eigent liche Sensorelement in einem Metallgehäuse angeordnet, das mit einem Befestigungsteil versehen ist. Innerhalb des rohr förmigen Gehäuses ist u. a. ein rohrförmiger Keramikkörper an geordnet, der federnde Kontaktelemente aufnimmt. Diese Kon taktelemente sind an Leitungsdrähte angeschlossen, mit denen die elektrische Verbindung zwischen dem Sauerstoffühlelement und einem externen Schaltkreis hergestellt wird. Die Lei tungsdrähte sind dabei durch einen Gummistopfen hindurch in das rohrförmige Metallgehäuse eingeführt, wobei der an dem einen Ende des rohrförmigen Metallgehäuses angeordnete Gummi stopfen durch Einpressungen in dem Metallgehäuse radial kom primiert ist (DE 35 43 083 A2).In a known sensor for detecting the oxygen con concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine is that Liche sensor element arranged in a metal housing, the is provided with a fastening part. Inside the pipe shaped housing is u. a. a tubular ceramic body ordered, which receives resilient contact elements. This con clock elements are connected to lead wires with which the electrical connection between the oxygen sensing element and an external circuit is manufactured. The lei tion wires are in through a rubber plug inserted the tubular metal housing, the on the one end of the tubular metal housing rubber plug radially by pressing into the metal housing is primed (DE 35 43 083 A2).

Bei einem anderen, ähnlich aufgebauten Sauerstoffsensor ist das rohrförmige Metallgehäu se im Bereich der Einführung der Leitungsdrähte als Kappe ausgebildet, die einen rohrförmigen Ansatz kleineren Außen durchmessers aufweist. Auch ist das rohrförmige Metallgehäuse auf einem Stutzen des Befestigungsteiles formschlüssig fi xiert. Im übrigen sind die Leitungsdrähte von einem Schutz schlauch umgeben und an ihrem freien Ende mit einem Stecker versehen (Zeitschrift "Bild der Wissenschaft", 12/1993, Seite 78).Another, similar built-up oxygen sensor is the tubular metal housing se in the area of the insertion of the lead wires as a cap trained that a tubular approach smaller outside has diameter. Also the tubular metal case fi on a connecting piece of the fastening part xiert. Otherwise, the lead wires are protected hose surrounded and at its free end with a plug provided (magazine "Bild der Wissenschaft", 12/1993, page 78).

Ausgehend von einem Sensor mit den Merkmalen des Oberbegrif fes des Patentanspruches liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, den elektrischen Anschluß im Einführungsbereich axial möglichst kurz und montagefreundlich auszugestalten.Starting from a sensor with the characteristics of the upper term fes of claim, the invention is the object basic, the electrical connection in the insertion area axially as short and easy to assemble as possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind gemäß der Erfindung folgende Maßnahmen vorgesehen:
Zunächst bilden die isolierten elektrischen Leiter die Seele einer ummantelten Leitung, die mit ihrem Mantel durch den Dichtungskörper hindurch in das Gehäuse eingeführt ist, wobei der Mantel aus einem thermoplastischen Elastomer und die Iso lierung der elektrischen Leiter aus einem hochtemperaturbe ständigen Kunststoff bestehen; weiterhin ist einerseits das rohrförmige Gehäuse an dem die Leitung aufnehmenden Ende mit einem rohrförmigen Ansatz kleineren Außendurchmessers verse hen und ist das Dichtungsstück mit einem ebenfalls rohrförmi gen Ansatz versehen, der in den rohrförmigen Ansatz des Ge häuses dichtend einschiebbar ist. Dabei soll das Dichtungs stück aus einem thermoplastischen Elastomer, einem Silikon kautschuk oder einem Fluorkautschuk bestehen und mit dem Man tel der Leitung stoffschlüssig verbunden sein. Schließlich ist das Gehäuse in Achsrichtung leicht konisch und mit seinem kleinsten Innendurchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Dichtungsstückes ausgebildet und sind das rohrförmige Ge häuse und das Befestigungsteil derart miteinander axial ver spannt, daß der mit seiner einen Stirnseite am Befestigungs teil anliegende Keramikkörper einen zwischen dem Dichtungs stück und dem Keramikkörper angeordneten ringförmigen Ab standskörper stirnseitig gegen das Dichtungsstück drückt.To achieve this object, the following measures are provided in accordance with the invention:
First of all, the insulated electrical conductors form the core of a sheathed line which is inserted with its sheath through the sealing body into the housing, the sheath being made of a thermoplastic elastomer and the insulation of the electrical conductors made of a high-temperature-resistant plastic; Furthermore, the tubular housing on the one hand hen the line receiving end with a tubular extension of smaller outside diameter and the sealing piece is also provided with a tubular extension which can be inserted sealingly into the tubular extension of the housing. The sealing piece should consist of a thermoplastic elastomer, a silicone rubber or a fluororubber and be integrally connected to the cable of the pipe. Finally, the housing is slightly tapered in the axial direction and with its smallest inside diameter smaller than the outside diameter of the sealing piece and the tubular Ge housing and the fastening part are axially clamped to one another in such a way that the ceramic body with its one end face attached to the fastening part lies between the seal Pieces and the ceramic body arranged from the front stand body presses against the sealing piece.

Bei einer derartigen Ausgestaltung des Sensors zeichnet sich der Einführungsbereich des elektrischen Anschlusses durch ei ne hohe Wärmebelastbarkeit, kurze Bauweise, einfache Abdich tung und einfache und schnelle Montierbarkeit aus. Die Ausge staltung der isolierten Leiter zu einer Mantelleitung ermög licht eine einfachere Ausgestaltung der Einführungsdichtung, die Verwendung einer hochtemperaturbeständigen Isolierung wie beispielsweise Polytetrafluoräthylen für die Adern der Lei tung, ermöglicht eine Betriebstemperatur von 240°C im Be reich der Leiterkontaktierung, die Verwendung eines thermo plastischen Elastomers für den Leitungsmantel ermöglicht die Verwendung eines stoffschlüssig auf den Leitungsmantel aufzu spritzenden Dichtungsstückes, das mittels der Leitung in die durch die äußere Formgebung von Dichtungsstück und rohrförmi gem Gehäuse gewährleistete Dichtposition gezogen werden kann und zusätzlich durch die axiale Verspannung des rohrförmigen Gehäuses und des Befestigungsteiles axial unter Druck gesetzt und dadurch radial an den Mantel der Leitung und die Innen wand des rohrförmigen Gehäuses gepreßt wird.With such a configuration of the sensor, it is distinguished the lead-in area of the electrical connection by egg ne high heat resistance, short design, simple sealing and easy and quick to assemble. The Ausge design of the insulated conductors to a sheathed line light a simpler design of the insertion seal, the use of high temperature resistant insulation such as for example polytetrafluoroethylene for the lei veins tion, enables an operating temperature of 240 ° C in the loading range of conductor contact, the use of a thermo plastic elastomer for the cable sheath enables Use a cohesive fit on the cable jacket splashing sealing piece, which by means of the line in the due to the outer shape of the sealing piece and tubular the sealing position guaranteed in the housing can be pulled and additionally by the axial bracing of the tubular Housing and the fastener are axially pressurized and thereby radially to the jacket of the pipe and the inside wall of the tubular housing is pressed.

Ein Ausführungsbeispiel eines im Einführungsbereich des elek trischen Anschlusses gemäß der Erfindung ausgebildeten Sen sors ist in Fig. 1 bis 4 dargestellt. Dabei zeigtAn embodiment of a sensor formed in the lead-in area of the electrical connection according to the invention is shown in FIGS. 1 to 4. It shows

Fig. 1 einen mit einer Anschlußleitung versehenen Sauer stoffsensor, wobei die Elemente die Bauteile des Sensors nach Art einer Montage folge im wesentlichen als Einzelteile dargestellt sind, Fig. 1 a hydrogen sensor is provided with a connecting line Sauer, which elements follow the components of the sensor in the manner of assembly are shown generally as items,

Fig. 2 einen Längsschnitt des rohrförmigen Sensorgehäu ses, Fig. 2 ses a longitudinal section of the tubular Sensorgehäu,

Fig. 3 einen Querschnitt des Dichtungsstückes und Fig. 3 shows a cross section of the sealing piece and

Fig. 4 eine Ansicht des Abstandskörpers. Fig. 4 is a view of the spacer.

Fig. 1 zeigt eine Anschlußleitung 1, bei der es sich um eine dreiadrige Mantelleitung handelt und die an dem einen Ende mit einem Stecker 2 und am anderen Ende mit einem Sensor 3 verbunden ist. Der zentrale Baustein des Sensors 3 ist das Sensorelement 5, das von einem keramischen Sensorträger 4 um faßt ist. Der Sensorträger 4 ist in eine Bohrung des Befesti gungsteiles 6 einzuschieben, das einen Teil des Sensorgehäu ses bildet und zum Einschrauben des Sensors in eine Wandung ausgebildet ist. Auf das Befestigungsteil 6 wird eine Schutz kappe 61 aufgesetzt, die das Fühlelement des Sensors schützt. Fig. 1 shows a connecting line 1 , which is a three-core sheathed cable and which is connected at one end to a plug 2 and at the other end to a sensor 3 . The central component of the sensor 3 is the sensor element 5 , which is summarized by a ceramic sensor carrier 4 . The sensor carrier 4 is inserted into a bore of the fastening part 6 which forms part of the sensor housing and is designed for screwing the sensor into a wall. On the fastening part 6 , a protective cap 61 is placed, which protects the sensing element of the sensor.

Das Befestigungsteil ist weiterhin mit einem Stutzen 62 ver sehen, auf dem das rohrförmige Metallgehäuse 10 mechanisch fixiert wird. Zunächst aber ist dieses Metallgehäuse auf die Mantelleitung 1 aufgeschoben. Danach ist auf den Mantel der Anschlußleitung 1, der aus einem thermoplastischen Elastomer wie beispielsweise einem thermoplastischen Copolyester (TPE-E) besteht, ein Dichtungsstück 9 aus Silikonkautschuk aufge spritzt, gegebenenfalls nach vorherigem Auftragen eines Haft vermittlers auf den Mantel. Dieses Dichtungsstück ist in sei ner in Fig. 3 im Querschnitt gezeigten Form an das dem Sen sorelement abgewandte Ende des rohrförmigen Metallgehäuses 9 dadurch angepaßt, daß es einen rohrförmigen Ansatz 91 auf weist, der in den rohrförmigen Ansatz 11 des Metallgehäuses 10 dichtend einschiebbar ist. Das Dichtungsstück 9 ist mit der Mantelleitung durch den Spritz- und Aushärtungsvorgang stoffschlüssig verbunden und damit in Achsrichtung der Man telleitung fixiert. - An das Dichtungsstück 9 grenzt ein Ab standskörper 8 (Fig. 4) an, der zweckmäßig aus keramischem Material besteht. Daran angrenzend ist das Steckerteil 7 an geordnet, bei dem es sich um einen keramischen Körper mit einzusetzenden Kontaktfedern handelt. Diese Kontaktfedern sind in nicht näher dargestellter Weise an den Enden der Adern der Mantelleitung 1 montiert und dienen zur Kontaktie rung des Sensorelementes 5 an dem dem Befestigungsteil 6 ab gewandten Ende.The fastening part is further seen with a nozzle 62 on which the tubular metal housing 10 is mechanically fixed. But first this metal housing is pushed onto the sheathed cable 1 . Then is on the jacket of the connecting line 1 , which consists of a thermoplastic elastomer such as a thermoplastic copolyester (TPE-E), a sealing piece 9 injected from silicone rubber, optionally after previous application of an adhesion promoter on the jacket. This sealing piece is connected to the said Sen sorelement opposite end of the tubular metal casing 9 adapted to be ner in Fig. 3 shown in the cross-sectional shape in that it is on has a tubular extension 91 which is sealingly insertable in the tubular extension 11 of the metallic housing 10. The sealing piece 9 is integrally connected to the casing pipe by the injection and curing and thus the fixed Man telleitung in the axial direction. - Adjacent to the sealing piece 9 from a stand body 8 ( Fig. 4), which suitably consists of ceramic material. Adjacent to this is the plug part 7 , which is a ceramic body with contact springs to be used. These contact springs are mounted in a manner not shown at the ends of the cores of the sheathed cable 1 and serve to contact the sensor element 5 at the fastening part 6 from the end facing away.

Zur Montage des elektrischen Anschlusses werden der Abstands körper 8 auf die Mantelleitung aufgefädelt und das Stecker teil 7 mit den innenliegenden Kontaktfedern an die Adern der Mantelleitung 1 angeschlossen. Über das Dichtungsstück 9, den Abstandskörper 8 und das Steckerteil 7 wird dann das rohrför mige Metallgehäuse 10 geschoben, dessen Wandung im durchmes sergrößeren Bereich gemäß Fig. 2 leicht konisch verläuft, d. h. der Innendurchmesser dieses rohrförmigen Metallgehäuses ist an dem den rohrförmigen Ansatz 11 tragenden Ende etwas geringer gewählt als am anderen Ende. Das Dichtungsstück 7 und das rohrförmige Metallgehäuse 10 sind dabei gewissermaßen nach Art einer Preßpassung dimensioniert.To assemble the electrical connection, the spacer body 8 is threaded onto the sheathed cable and the plug part 7 is connected to the wires of the sheathed cable 1 with the internal contact springs. About the sealing piece 9 , the spacer 8 and the plug part 7 , the rohrför shaped metal housing 10 is then pushed, the wall of which is slightly conical in the larger diameter area according to FIG. 2, ie the inner diameter of this tubular metal housing is at the end bearing the tubular extension 11 chosen a little less than at the other end. The sealing piece 7 and the tubular metal housing 10 are dimensioned to a certain extent in the manner of an interference fit.

Nach dem Aufschieben des rohrförmigen Metallgehäuses 10 wird dessen freies Ende auf den Stutzen 62 des Befestigungsteiles 6 aufgeschoben und dort fixiert, wodurch bei einer entspre chenden axialen Dimensionierung auf das Dichtungsstück 9 in axialer Richtung ein Druck ausgeübt wird. Durch diesen Druck werden gleichzeitig der Sensorträger 4, das Steckerteil 7 und der Abstandskörper 8 innerhalb des Sensorgehäuses axial fi xiert.After sliding the tubular metal housing 10 , the free end is pushed onto the connecting piece 62 of the fastening part 6 and fixed there, whereby a pressure is exerted on the sealing piece 9 in the axial direction in a corresponding axial dimensioning. This pressure simultaneously fixes the sensor carrier 4 , the plug part 7 and the spacer 8 axially within the sensor housing.

Claims

In the high temperature range, usable sensor with a tubular, metal housing, a fastening part connected to the housing and an electrical connection consisting of a plurality of insulated electrical conductors which are provided at one end with a plug and with their end at the end one end of the tubular housing is inserted through a sealing body into the housing and is electrically connected to the connections of the sensor element within a tubular ceramic body, characterized in that
that the insulated electrical conductor form the core of an umman telte line ( 1 ), which is guided with its jacket through the sealing body into the tubular housing ( 10 ), the jacket ( 12 ) made of a thermoplastic elastomer and the insulation of the electrical conductors made of a high-temperature-resistant plastic, that the tubular housing ( 10 ) is provided with a tubular extension ( 11 ) of smaller outside diameter at the receiving end of the line ( 1 ),
that the sealing piece ( 9 ), which consists of a thermoplastic elastomer, a silicone rubber or a fluororubber and is integrally connected to the jacket of the line ( 1 ), is provided with a likewise tubular extension ( 91 ) which fits into the tubular extension ( 11 ) of the housing ( 10 ) can be inserted in a sealing manner,
wherein the housing ( 10 ) is slightly conical in the axial direction and, with its smallest inside diameter, is smaller than the outside diameter of the sealing piece ( 9 ),
and that the tubular housing (10) and the fastening part (6) are so axially clamped together, that the was with arranged ner one end face on the fastening part abutting ceramic body (7) comprises between the sealing piece (9) and the Ke ramikkörper (7) presses annular spacer ( 8 ) on the face against the sealing piece ( 9 ).