DE2350252C3 - Elektrochemischer Meßfühler - Google Patents
Elektrochemischer MeßfühlerInfo
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Description
Bei einer besonders einfachen Ausführung eines solchen Meßfühlers bedeckt die Leiterbahn mindestens
teilweise die arischlußseitige, vorzugsweise kegelstumpfförmige
Festelektrolytrohr-Stirnfläche und auf
dieser Stirnfläche liegt eine elektrisch leitfähige Druckscheibe als Anschlußteil auf, die die Leiterbahn
berührt
Bei einer anderen, jedoch montierungsfreundlicheren Ausführung eines erfindungsgemäßen Meßfühlers hat
J61. pestelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigen
Endabschnitt eine Aufbohrung, und auf der Aufbohrungs-Sch'ilter liegt ein elektrisch leitfähiger, mit
Bodenloch versehener Topf als Anschlußteil auf, der die Leiterbahn berührt.
Eine erfindungsgemäße Verbindung von Kontaktteil und Anschlußteil ist auch dann möglich, wenn die
Kontaktierung und Abdichtung zwischen Anschlußteil und Leiterbahn durch eine nachgiebige, elektrisch
leitfähige Masse erfolgen soll; hierfür hat der Festelektrolytrohr-Hohlraum
an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung, bis in die hinein die Leiterbahn hineinreicht, und auf der Leiterbahn liegt der
Wulst eines rohrförmigen Anschlußteils auf, und auf der anschlußseitigen Fläche des Wulstes ist eine nachgiebige,
elektrisch leitfähige Masse angeordnet, die mittels einer Druckhülse und Druckfeder zusammengepreßt ist.
Um den elektrochemischen Meßfühler schüttelfester auszuführen, ist es jedoch von Vorteil, wenn die
nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung zwischen der Leiterbahn und dem Anschlußieil angeordnet ist, so daß
keine Reibungspunkte zwischen Leiterbahn und metallischem Anschlußteil entstehen; bei dieser erfindungsgemäßen
Ausführungsform hat der Festelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigen Endabschnitt
eine Aufbohrung, bis in die hinein die Leiterbahn hineinreicht, und ein von der Druckfeder belastetes,
rohrförmiges Anschlußteil drückt mit seinem Flansch auf die nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung, die
auf der Aufbohrungsschulter aufliegt. - Diese Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise dadurch ausgestaltbar,
daß mit der einen Druckfeder und einer zusätzlich nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Dichtung auch das
Festelektrolytrohr in der Gehäuse-Längs-Bohrung abdichtend und elektrisch kontaktierend einbaubar ist;
dafür hat das Festelektrolytrohr an der Außenseite des anschlußseitigen Endabschnitts einen Bund, unter
dessen Absatz sich ebenfalls eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung befindet, die auf einer Schulter in
der Gehäuse-Längsbohrung aufliegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben
und näher erläutert; es zeigt
Fig.Veinen Längsschnitt durch das anschlußseitige
Ende eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößerter Darstellung (Druckscheibe
auf Festelektrolytrohr-Stirnfläche),
F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler ähnlich dem nach
Fig. 1,(Topf in Festelektrolytrohr-Aufbohrung),
Fig.3 einen Längsschnitt durch einen elektrochemischen
Meßfühler ähnlich denen nach F i g. 1 und 2 (nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse in Festelektrolytrohr-Aufbohamg
oberhalb Anschlußteil-Wulst)
F i g. 4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
elektrochemischen Meßfühler in vergrößerter Darstellung (nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse
in Festelektrolytrohr-Aufbohrung unterhalb des Anschlußteil-Flansches).
Elektrochemische Meßfühler nach der Erfindung arbeiten bekannterweise nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette
mit ionenleitendem Festelek-
S trolyt Bei den in den F i g. 1 bis 4 der Zeichnung
dargestellten Meßfühlern ist das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxyd bestehende Festelektrolytiohr
mit 10, die auf der Außenseite des Festelektrolytrohres 10 befindliche, beispielsweise aus Platin bestehende
ίο Katalysatorschicht mit 11, die auf der Innenseite des
Festelektrolytrohres 10 aufgetragene, beispielsweise ebenfalls aus Platin bestehende Leiterbahn mit 12 und
das das Festelektrolytrohr 10 abdichtend und elektrisch leitend verbindende metallische Gehäuse mit 13
■ 5 gekennzeichnet. In den F i g. 1 bis 4 ist auch das an der
Stirnseite des Gehäuses 13 beispielsweise durch einen Bördelrand 14 befestigte Schutzrohr 15 mit Luftklappen
16 und auch die durch eine Sicke 17 und einen Bördelrand 18 im Schutzrohr 15 gehaltene Isolierscheibe
19 mit dem darin beispielsweise verstemmten Kontaktteil 20 gleich gekennzeichnet; das Kontaktteil
20 führt dabei durch einen Schlitz 21, hat an seiner zum Festelektrolytrchr 10 weisenden Seite einen Fixierzapfen
22 und einen Anschlag 23, mit dem er einerseits an der Isolierscheibe 19 und andererseits an der erfindungsgeniäßen
Druckfeder 24 anliegt.
In F i g. 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform
dargestellt, bei der die auf der Innenseite des Festelektrolytrohres 10 befindliche Leiterbahn 12 vom
nicht dargestellten Festelektrolytrohr-Boden bis hinauf auf die anschlußseitige Festelektrolytrohr-Stirnfläche
25 geführt ist und als Anschlußteil 26 liegt eine elektrisch leitfähige Druckscheibe 27 auf dieser
Stirnfläche 25 mit der Leiterbahn 12 auf; diese
j5 Druckscheibe 27 enthält ein Loch 28 für den Luftdurchtritt und wird durch die vorgespannte
Druckfeder 24 mit dem Kontaktteil 20 elektrisch leitend verbunden. Die Stirnfläche 25 wird vorzugsweise
kegelstumpfförmig ausgebildet und die Druckscheibe 27 dieser Form entsprechend angepaßt, so daß eine
Fixierung der Druckscheibe 27 auf der Stirnfläche 25 erfolgt; um ein Verschieben der Druckscheibe 27 auf der
Stirnfläche 25 mit Sicherheit auszuschließen, ist die Stirnfläche 25 noch mit einem Einlaß 29 ausgestattet.
Ein hochgezogener Loch-Rand 28' dit nt zur Fixierung
der Druckfeder 24.
Die Abdichtung, Befestigung und Kontaktierung zwischen der Außenseite des Festelektrolytrohres 10
und dem Gehäuse 13 kann nach bekannten Verfahren wie z. B. mittels elektrisch leitfähigem Glasschmelzfluß,
Hartlötung oder eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Meßfühler nach F i g. 2, der im prinzipiellen Aufbau dem ;n F i g. 1 gezeigten
entspricht, ist der Festelektrolytrohr-Hohlraum 30 anschlußseitig mit einer Aufbohrung 31 versehen, bis in
die hinein die Leiterbahn 12 hineinragt; auf der mit 32 gekennzeichneten Aufbohrungs-Schulter liegt ein elektrisch
leitfähiger, beispielsweise aus Nickel bestehender Topf 33 als Anschlußteil 26 auf, der für den
Luftdurchtritt ein Bodenloch 34 und für den Ausgleich mechanischer Spannungen einen Längsspalt 35 aufweist.
Dieser Topf 33 kann zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit z. B. mit einer dünnen GoId-
oder Piaiin-Schiclii überzögen sein. Die Druckfeder 24
liegt dabei in dem anschlußseitigen, größeren Teil des Topfes 33 und drückt mit ihrem anderen Ende an den
Kontaktteil-Anschlag 23.
Die Abdichtung, Befestigung und elektrische Kontaktierung zwischen dem Festelektrolytrohr 10 und dem
Gehäuse 13 erfolgt auf die gleiche Art wie bei dem Meßfühler nach F ig. 1.
Der in F i g. 3 dargestellte elektrochemische Meßfühler hat ebenfalls eine Hohlraum-Aufbohrung 31 im
Festelektrolytrohr 10, bis in die hinein die Leiterbahn 12 hineinreicht. Auf der durch die Aufbohrung 31
gebildeten Schulter 36 liegt der koaxial gestaltete Wulst 37 eines rohrförmigen Anschlußteils 26 auf und
oberhalb der anschlußseitigen Fläche des Wulstes 37 ist eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse 38 (z. B.
Graphitpulver oder Kupferpulver) angeordnet, die mittels einer durch die Druckfeder 24 belasteten
Druckhülse 39 zusammengepreßt wird und dadurch den elektrischen Kontakt zur Leiterbahn 12 herstellt
Eine besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers ist
in Fig.4 dargestellt; hierbei wird nämlich vermieden,
daß das metallische Anschlußteil 26 direkt auf die Leiterbahn 12 drückt und infolge von Schüttelbeanspruchungen im Fahrzeug ein Aufreiben der Leiterbahn 12
und damit ein Funktionsunfähigwerden des Meßfühlers erfolgt. Bei diesem Meßfühler drückt die vorgespannte
Druckfeder 24 auf den Anschlußteil-Flansch 40, der als Metallhülse auf das rohrförmige Anschlußteil 26
aufgeschweißt ist, und mit seiner Unterfläche auf eine nachgiebige elektrisch leitfähige Dichtung 41 drückt;
diese Dichtung 41 liegt auf einer Schulter auf, die ebenfalls durch die Aufbohrung 31 des Festelektrolytrohr-Hohlraumes 30 gebildet ist. Die Leiterbahn 12
dieses Meßfühlers reicht ebenfalls bis in die Aufbohrung 31 hinein und steht mit dem Anschlußteil 26 über die
Dichtung 41 in Verbindung; die Dichtung 41 setzt sich dabei aus 3 Ringen zusammen: Der mittlere Ring 43
besteht aus einer nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Masse (z. B. Graphitpulver) und die beiden äußeren
plastisch verformbaren Stoff wie z. B. Asbest, können
jedoch auch durch dünnwandige, leicht verformbare
ίο 4 dargestellten Meßfühler erlaubt die Druckfeder 24
zusätzlich die gleichzeitige Befestigung, Abdichtung und Kontaktierung zwischen dem Festelektrolytrohr 10 und
dem Gehäuse 13; hierfür ist das Festelektrolytrohr 10 an seiner Außenseite mit einem Bund 46 ausgerüstet und
ij der durch den Bund 46 gebildete Festelektrolytrohr-Absatz 47 liegt auf einer nachgiebigen, elektrisch
leitfähigen Dichtung 48, die der Dichtung 41 entspricht und indirekt auf einer Schulter 49 in der Längsbohrung
50 des Meßfühler-Gehäuses 13 aufliegt. Die Druckfeder ao 24 wirkt damit über das Anschlußteil 26, die Dichtung
41, das Festelektrolytrohr 10 und die Dichtung 48, die auf die Längsbohrungs-Schulter 49 des Gehäuses 13
gepreßt wird.
Aus der F i g. 4 ist auch zu ersehen, daß das Gehäuse ij 13 an seiner Außenseite mit einem Einschraubgewinde
51 und einem Schlüsselsechskant 52 für den Einbau in ein Abgasrohr versehen ist, und daß das abgasrohrseitige Ende des Festelektrolytrohres 10 von einer
Schutzhülse 53 mit Luftklappen 54 schützend umgeben
ist, wobei die Schutzhülse 53 beispielsweise durch ihren
anschlußseitigen Flansch 55 auf der Längsbohrungs-Schulter 49 des Gehäuses 13 festgelegt und verankert
ist
Claims (6)
1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere
in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden
versehenen Festelektrolytrohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweisf,
wobei die Katalysatorschicht über ein Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht
und den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist und
eine bis in den Bereich ihres Bodens reichende Leiterbahn besitzt, die ein flächig am Festelektrolytrohr
anliegendes Anschlußtei! hat, welches mit einem Kontaktteil in Verbindung steht, dadurch
gekennzeichnet, daß das Kontaktteil (20) in einer Isolierscheibe (19) fixiert und gehalten ist, die
direkt oder indirekt am Meßfühler-Gehäuse (13) befestigt ist, und daß Leiterbahn-Anschlußteil (26)
und Kontaktteil (20) über eine Druckfeder (24) direkt oder indirekt elektrisch leitend miteinander verbunden
ist.
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (12)
mindestens teilweise die anschlußseitige, vorzugsweise kegelstumpfförmige Festelektrolytrohr-Stirnfläche
(25) bedeckt, und daß auf dieser Stirnfläche (25) eine elektrisch leitfähige Druckscheibe
(27) als Anschlußteil (26) aufliegt, die die Leiterbahn (12) berührt.
3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum
(30) an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die
hinein die Leiterbahn (12) hineinreicht und daß auf der Aufbohrungs-Schulter (32) ein elektrisch leitfähiger,
mit Bodenloch (34) versehener Topf (33) als Anschlußteil (26) aufliegt, der die Leiterbahn (12)
berührt.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum
(30) an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die
hinein die Leiterbahn (12) hineinreicht, und daß auf der Leiterbahn (12) der Wulst (37) eines rohrförmigen
Anschlußteils (26) aufliegt und auf der anschlußseitigen Fläche des Wulstes (37) eine
nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse (38) angeordnet ist, die mittels einer Druckhülse (39) und
Druckfeder (24) zusammengepreßt ist.
5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum
(30) an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die
hinein die Leiterbahn (12) hineinreicht und daß ein von der Druckfeder (24) belastetes, rohrförmiges
Anschlußteil (26) mit seinem Flansch (40) auf eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung (41)
drückt, die auf der Aufbohrungs-Schulter (42) aufliegt
6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Fcstcicktrclytrohr (i0) an der Außenseite des anschlußseitigen Endabschnitts einen Bund (46) hat,
unter dessen Absatz (47) sich ebenfalls eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung (48)
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes
in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einic
seitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht
aufweist, wobei die Katalysatorschicht über ein Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung
steht und den Abgasen zugewendet ist, und dessen '5 Innenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist und eine
bis in den Bereich ihre:. Bodens reichende Leiterbahn
besitzt, die ein flächig am Festelektrolytrohr anliegendes Anschlußteil hat, welches mit einem Kontaktteil in
Verbindung steht.
Für derartige elektrochemische Meßfühler wurde bereits eine Reihe von Möglichkeiten vorgeschlagen,
die die Verbindung von Anschlußteil und der im Innenraum des Meßfühler-Festelektrolytrohres verlaufenden
Leiterbahn betreffen: Hartlöten, Festlegen in einem Glasschmelzfluß, Festklemmen in der Aufbohrung
des Festelektrolytrohres. Alle diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß beim Anschließen eines
Kabels an den Meßfühler (evtl. sogar schon beim Montieren eines anschlußseitigen Schutzrohres am
Meßfühler) Biegekräfte am Anschlußteil auftreten, die zu Rissen oder Brüchen am Festelektrolytrohr oder im
Glasschmelzfluß führen; Folge dieser Risse bzw. Brüche wäre der Ausfall des jeweiligen Meßfühlers.
Um diesem Mangel abzuhelfen, wurden auch bereits Meßfühler vorgeschlagen, deren Anschlußteil über ein
verhältnismäßig langes und dadurch seitlich verbiegbares Verbindungsteil mit einem Steckkontakt verbunden
ist; jedoch auch diese Lösung verhindert nicht vollständig die aufgeführten Nachteile.
Bekannt ist darüber hinaus eine demontierbare Glassonde, die eine Druckfeder als Ausgleichselement
für ihre ineinandersteckbaren Bauteile aufweist (DT-OS 20 21318), und außerdem ein elektrochemischer
Meßfühler, der eine Zugfeder als Halteelement eines Glasstopfens besitzt (GB-PS 12 59 208); aber diese
beiden Ausführungsformen von Sonden geben keinerlei Hinweis auf einen elektrochemischen Meßfühler, von
dessen Festelektrolytrohr bzw. Glasschmelzfluß Biegekräfte ferngehalten werden sollen, welche beim
Anschluß eines Kabels oder auch schon beim Montieren des Meßfühlers auftreten.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu
schaffen, an dessen Festelektrolytrohr und Glas-Schmelzfluß Risse und Bräche vermieden werden, die
bei bekannten Meßfühlern beim Anschluß eines Kabels oder auch schon beim Montieren des Meßfühlers
auftreten.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kontaktteil in einer Isolierscheibe fixiert
und gehalten ist, die direkt oder indirekt am Meßfühler-Gehäuse befestigt ist, und daß Leiterbahn-Anschlußteil
und Kontaktteil über eine Druckfeder direkt oder indirekt elektrisch leitend miteinander
fi5 verbunden sind; die Drjckfeder fängt bei dieser Bauart
des elektrochemischen Meßfühlers praktisch alle mechanischen Spannungen ab, die am Kontaktteil
erzeugt werden.
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