DE2350253B2 - Electrochemical probe - Google Patents

Electrochemical probe

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DE2350253B2 DE19732350253 DE2350253A DE2350253B2 DE 2350253 B2 DE2350253 B2 DE 2350253B2 DE 19732350253 DE19732350253 DE 19732350253 DE 2350253 A DE2350253 A DE 2350253A DE 2350253 B2 DE2350253 B2 DE 2350253B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen 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 und am anschlußseitigen Endabschnitt einen Bund aufweist, 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 elektronenleitende Bahn besitzt, die mit einem Anschlußteil verbunden ist.The invention relates to an electrochemical sensor for determining the oxygen content in exhaust gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with an ion-conducting, one-sided with a bottomed solid electrolyte tube, the outside of which has an electron-conducting catalyst layer and at the connection-side end section has a collar, wherein the catalyst layer has a Sensor housing is electrically connected to ground and facing the exhaust gases, and its The inside is exposed to the ambient air and one that conducts electrons that extends into the area of its bottom Has track that is connected to a connector.

Es wurde schon eine Reihe von elektrochemischen Meßfühlern vorgeschlagen, bei denen der Einbau des Festelektrolytrohres in das Meßfühler-Gehäuse und auch die Verbindung eines Anschlußteils mit der Leiterbahn auf der Innenseite des Festelektrolytrohres recht kompliziert und teuer ist; darüber hinaus wiesen diese Konstruktionen Schwächen hinsichtlich ihrer Abdichtungen zwischen dem Festelektrolytrohr und dem Gehäuse bzw. dem Anschiußteil auf.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, der einen vereinfachten Aufbau hat und eine zuverlässige Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr und Gehäuse bzw. Anschlußteil aufweistA number of electrochemical sensors have already been proposed in which the installation of the solid electrolyte tube in the sensor housing and also the connection of a connector to the conductor track on the inside of the solid electrolyte tube is quite complicated and expensive; In addition, these constructions had weaknesses with regard to their seals between the solid electrolyte tube and the housing or the connection part.
In contrast, the invention is based on the object of creating an electrochemical measuring sensor which has a simplified structure and a reliable seal between the solid electrolyte tube and the housing or connection part

ίο Diese Aufgabe wurde gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der Längsbohrung-Schulter des Gehäuses und dem Absatz am Festelektrolytrohr-Bund und/oder zwischen Aufbohrungs-Schulter des Festelektrolytrohres und der Anschlußteil-Druckhülse nachgiebige elektrisch leitfähige Dichtungen angeordnet sind, und daß mit dem Festelektrolytrohr bzw. der Anschlußteil-Druckhülse mindestens ein Ausgleichselement in Wirkverbindung steht; bei dieser Lösung wirkt das Festelektrolytrohr bzw. die Anschlußteil-Druckhülse gleichzeitig als Druckelement für die Dichtung.ίο This object has been achieved according to the invention solved that between the longitudinal bore shoulder of the housing and the shoulder on the solid electrolyte tube collar and / or flexible between the bore shoulder of the solid electrolyte tube and the connecting part pressure sleeve electrically conductive seals are arranged, and that with the solid electrolyte tube or the connector-pressure sleeve at least one compensating element is in operative connection; this works with this solution Solid electrolyte tube or the connection part pressure sleeve at the same time as a pressure element for the seal.

Eine solche elektrisch leitfähige Dichtung besteht gemäß einer Weiterbildung aus einer elektrisch leitfähigen Masse, die oben und unten durch je einen Abdichtring begrenzt ist; die Masse besteht dabei vorzugsweise aus Graphitpulver oder auch aus Kupferpulver. According to a further development, such an electrically conductive seal consists of an electrically conductive mass, which is limited at the top and bottom by a sealing ring each; the crowd is there preferably made of graphite powder or copper powder.

Die Abdichtringe bestehen aus warinfestem plastisch verformbarem Stoff, wie z. B. Asbest, es können aber auch dünnwandige, leicht verformbare Metallringe sein, die vorzugsweise aus Nickel bestehen.The sealing rings consist of a non-rigid, plastically deformable material, such as B. Asbestos, but it can also be thin-walled, easily deformable metal rings, which are preferably made of nickel.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben und näher erläutert; die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen vergrößert dargestellten elektrochemischen Meßfühler nach der Erfindung.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below and explained in more detail; the figure shows a longitudinal section through a shown enlarged electrochemical sensor according to the invention.

Der in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Meßfühler enthält ein einseitig geschlossenes Festclektrolytrohr 10, das außen an seinem offenen Endabschnitt einen Bund U trägt und aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid besteht; auf der äußeren Oberfläche dieses Festelektrolytrohres 10 befindet sich eine Katalysatorschicht 12 (Platin), die vom Boden 13 bis zum Festelektrolytrohr-Bund 11 reicht. Auf der Innenseile des Festelektrolytrohres 10 ist eine Elektrode in Form einer Leiterbahn 14 angebracht; auch diese Leiterbahn 14 kann beispielsweise aus Platin bestehen. Der vom Festelektrolytrohr 10 gebildete Hohlraum 15 ist an seinem anschlußseitigen Endabschnitt zu einer Aufbohrung 16 erweitert, bis in die hinein auch die Leiterbahn 14 hineinreicht; den Übergang vom Hohlraum 15 zur Aufbohrung 16 des Festelektrolytrohres 10 bildet eine Schulter 17.The sensor according to the invention shown in the figure contains a solid electrolyte tube closed on one side 10, which has a collar U on the outside at its open end section and is made of stabilized cubic Consists of zirconia; A catalyst layer is located on the outer surface of this solid electrolyte tube 10 12 (platinum), which extends from the base 13 to the solid electrolyte tube collar 11. On the inner ropes an electrode in the form of a conductor track 14 is attached to the solid electrolyte tube 10; also this conductor track 14 can for example consist of platinum. The cavity 15 formed by the solid electrolyte tube 10 is on its connection-side end portion expanded to a bore 16, up into which the conductor track 14 reaches in; the transition from the cavity 15 to the bore 16 of the solid electrolyte tube 10 forms a Shoulder 17.

Das Festelektrolytrohr 10 steckt in der Längsbohrung 18 eines metallischen, warmfesten Gehäuses 19 und liegt dabei mit seinem am Bund 11 befindlichen Absatz 20 auf einer Dichtung 21 auf, die ihrerseits indirekt auf einer Schulter 22 aufliegt, welche zwischen der Gehäuse-Längsbohrung 18 und einer arischlußseitigen Gehäuse-Erweiterung 23 gebildet ist; zwischen die Dichtung 21The solid electrolyte tube 10 is inserted in the longitudinal bore 18 of a metallic, heat-resistant housing 19 and lies while with his paragraph 20 located on the federal government 11 a seal 21, which in turn rests indirectly on a shoulder 22 which is located between the longitudinal housing bore 18 and a housing extension 23 on the connector side is formed; between the seal 21

ω) und die Gehäuseschulter 22 faßt noch ein Flansch 24 einer mit Luftklappen 25 versehenen Schutzhülse 26, die den abgasseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 10 umgibt. Zur Befestigung des Meßfühlers in einem Abgasrohr trägt das Gehäuse 19 an seiner Außenseiteω) and the housing shoulder 22 also holds a flange 24 a protective sleeve 26 provided with air flaps 25, which covers the end section of the solid electrolyte tube on the exhaust gas side 10 surrounds. To fasten the sensor in an exhaust pipe, the housing 19 carries on its outside

f>5 ein Einschraubgewinde 19' und ein Schlüsselsechskant 19".f> 5 a screw-in thread 19 'and a key hexagon 19 ".

Zur Kontaktierung der bis in die Hohlraum-Aufbohrung 16 hineinreichenden Leiterbahn 14 ragt anschluß-In order to make contact with the conductor track 14 reaching into the cavity bore 16, connecting-

seits ein Anschlußteil 27 in den Festelektrolytrohr-Hohlraum 15 hinein, das rohrförmig ausgebildet ist, Luftklappen 28 und einen Steckkontakt 29 an seinem anschlußseitigen Endabschnitt aufweist 'ind mit einer Druckhülse 30 versehen ist, die auf das Anschlußteil 27 aufgeschoben ist, mit Schweißpunkten 31 am Anschlußteil 27 befestigt ist, einen aus der Festelektrolytrohr-Aufbohrung 16 ragenden Flansch 32 besitzt und mit seinem rohrförmigen Teil in die Festelektroiytrohr-Aufbohrung 16 eintaucht Die Dnjckhülse 30 liegt dabei auf einer Dichtung 33 auf, die ringförmig das Anschlußteil 27 umgibt und auf der Schulter 17 im Festelektrolytrohr-Hohlraum 15 aufliegt Auf dem Druckhülsen-Flansch 32 liegt ein keramischer Isolierring 34, der die Druckhülse 30 gegenüber dem Gehäuse 19 elektrisch trennt. Auf diesem Isolierring 34 ist ein Metallring 35 angeordnet, dem ein Ausgleichselement 36 in Form von zwei Tellerfedern folgt; dieses Ausgleichselement 36 wird durch den vom anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses 19 gebildeten Bördelrand 37 vorgespannt. Anstelle von Tellerfedern als Ausgleichselement 36 können auch Federringe, Schraubenfedern, Metallhülsen mit entsprechendem Wärmeausdehnungsverhalten Verwendung finden. Die von dem Ausgleichselement 36 ausgehende Kraft überträgt sich auf den Metallring 35, den Isolierring 34, die Druckhülse 30, die Dichtung 33 und auf die Schulter 17 im Festelektrolytrolir-Hohlraum 15; über diese Schulter 17 des Festelektrolytre Jir-Hohlraumes 15 wirkt der Druck weiter über den Absatz 20 an der Außenseite des Festelektrolytrohres 10 auf die Dichtung 21, über den Schutzhülsen-Flansch 24 und dann auf die Gehäuse-Schulter 22.on the other hand, a connection part 27 into the solid electrolyte tube cavity 15, which is tubular, Air flaps 28 and a plug contact 29 at its connection-side end portion 'ind with a Pressure sleeve 30 is provided, which is pushed onto the connection part 27, with welding points 31 on the connection part 27 is attached, has a protruding from the solid electrolyte tube bore 16 flange 32 and with its tubular part into the solid electrolyte tube bore 16 immersed The Dnjckhülse 30 rests on a seal 33, the ring-shaped the connecting part 27 and rests on the shoulder 17 in the solid electrolyte tube cavity 15 on the pressure sleeve flange 32 is a ceramic insulating ring 34, which separates the pressure sleeve 30 from the housing 19 electrically. on this insulating ring 34 is a metal ring 35 is arranged, which a compensating element 36 in the form of two Disc springs follows; this compensating element 36 is by the from the connection-side end portion of the Housing 19 bead 37 formed biased. Instead of disc springs as a compensating element 36 spring washers, coil springs, metal sleeves with corresponding thermal expansion behavior can also be used Find use. The force emanating from the compensating element 36 is transferred to the metal ring 35, the insulating ring 34, the pressure sleeve 30, the seal 33 and on shoulder 17 in the solid electrolyte cavity 15; over this shoulder 17 of the solid electrolyte Jir cavity 15, the pressure continues to act on the shoulder 20 on the outside of the solid electrolyte tube 10 Seal 21, over protective sleeve flange 24 and then onto housing shoulder 22.

Die Dichtung 2t zwischen Gehäuse 19 und Festelekirolytrohr to ist dreiteilig, wobei der mittlere Bereich von einer elektrisch leitfähigen, nachgiebigen Masse 38 (z. B. Graphitpulver oder Kupferpulver) gebildet wird, die oben und unten durch je einen Abdichtring 39 begrenzt wird; als Abdichtring 39 dient ein dünnwandiger, leicht verformbarer Metallring 40, der beispielsweise U-förmiges Profil hat und vorzugsweise aus Nickel besteht. Die elektrisch leitfähige Masse 38 verbindet dabei die auf dem Festelektrolytrohr 30 befindliche Katalysatorschicht 12 mit dem an Masse liegenden Meßfühler-Gehäuse 19.The seal 2t between the housing 19 and the solid electrolyte tube to is in three parts, the middle area of an electrically conductive, resilient mass 38 (z. B. graphite powder or copper powder) is formed, the top and bottom by a sealing ring 39 is limited; a thin-walled, easily deformable metal ring 40, which for example Has a U-shaped profile and is preferably made of nickel. The electrically conductive mass 38 connects while the catalyst layer 12 located on the solid electrolyte tube 30 with the one connected to the ground Sensor housing 19.

Die Dichtung 33 zwischen dem Anschlußteil 27 undThe seal 33 between the connecting part 27 and

τ> der im Innenraum des Festelektrolytrohres 10 befindlichen Leiterbahn 14 erfolgt durch eine Dichtung, die ähnlich ist wie die Dichtung 21: Auch diese Dichtung 33 ist dreiteilig und hat in ihrem mittleren Bereich eine elektrisch leitfähige, nachgiebige Masse 38, die oben und τ > the conductor 14 located in the interior of the solid electrolyte tube 10 is carried out by a seal which is similar to the seal 21: This seal 33 is also in three parts and has an electrically conductive, flexible mass 38 in its middle area, the top and

ίο unten durch je einen Dichtring 39 begrenzt wird; in diesem Falle ist der Abdichtring 39 ein warmfester, plastisch verformbarer Stoff 41, wie z. B. Asbestίο is limited below by a sealing ring 39; in In this case, the sealing ring 39 is a heat-resistant, plastically deformable material 41, such as. B. Asbestos

Die Dichtung 33 kann jedoch anstelle der Abdichtringe 39 aus warmfestern, plastisch verformbarem Stoff 41 auch mit Metallringen 40 als Abdichtring 39 versehen sein; ebenso können die Metallringe 40 in der Dichtung 21 durch Abdichtringe 39 aus warmfestem, plastisch verformbarem Stoff 41 ersetzt werden.However, the seal 33 can be made of heat-resistant, plastically deformable material 41 instead of the sealing rings 39 also be provided with metal rings 40 as sealing ring 39; likewise, the metal rings 40 in the seal 21 can be replaced by sealing rings 39 made of heat-resistant, plastically deformable material 41.

Elektrochemische Meßfühler nach der Erfindung haben nur ein einziges Ausgleichselement 36, das im Zusammenwirken mit den beiden Dichtungen 21 und 33 die erforderliche Abdichtung und elektrische Kontaktierung erzielt; die Montage derartiger Meßfühler erfordert kein Erwärmen des Festelektrolytrohres 10Electrochemical sensors according to the invention have only a single compensation element 36, which in the Cooperation with the two seals 21 and 33 provides the necessary sealing and electrical contact achieved; the assembly of such sensors does not require the solid electrolyte tube 10 to be heated

y-> und des Gehäuses 19, erspart dadurch wesentliche Kosten und verringert den Anfall fehlerhafter Meßfühler bei der Montage. y-> and the housing 19, thereby saving significant costs and reducing the incidence of faulty sensors during assembly.

An den anschlußseitigen Endabschnitt des Gehäuses 19 ist ein Schutzrohr 42 durch Schweißpunkte 43 befestigt; dieses Schutzrohr 42 enthält Lufteintritisöffnungen 44 und stirnseitig eine Isolierscheibe 45, die durch eine Sicke 46 und einen Bördelrand 47 im Schutzrohr 42 gehalten win) und den Steckkontakt 29 in ihrem Schlitz 48 umfaßt.On the connection-side end section of the housing 19 is a protective tube 42 through weld spots 43 attached; this protective tube 42 contains air inlet openings 44 and an insulating washer 45 on the front side, which held by a bead 46 and a bead 47 in the protective tube 42) and the plug contact 29 in their slot 48 includes.

3· Bei diesem elektrochemischen Meßfühler, der auf dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyt beruht, tritt die Umgebungsluft durch Lufteintrittsöffnungen 44 und Luftklappen 28 und anschließend durch den Anschlußteil-Innen-3 · With this electrochemical probe, which is on based on the principle of the oxygen concentration chain with ion-conducting solid electrolyte, the ambient air enters through air inlet openings 44 and air flaps 28 and then through the connector inner

'« raum 49 in den Festelektrolytrohr-Hohlraum 15 ein.Space 49 in the solid electrolyte tube cavity 15.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 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 und am anschlußseitigen Endabschnitt einen Bund aufweist, 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 elektronenleitende Bahn besitzt, die mit einem Anschlußteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Längsbohrung-Schuller (22) des Gehäuses (19) und dem Absatz (20) am Festelektrolytrohr-Bund (11) und/oder zwischen Aufbohrungs-Schulter (17) des Festelektrolytrohres (10) und der Anschlußteil-Druckhülse (30) nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtungen (21,33) angeordnet sind, und daß mit dem Festelektrolytrohr (10) bzw. der Anschlußteil-Druckhülse (30) mindestens ein Ausgleichselement (36) in Wirkverbindung steht.1. Electrochemical sensor for the determination of the oxygen content in exhaust gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with an ion-conducting, one-sided with a bottom provided solid electrolyte tube, the outside of which has an electron-conducting catalyst layer and am connection-side end section has a collar, the catalyst layer over a sensor housing is electrically connected to ground and facing the exhaust gases, and its Inside is exposed to the ambient air and one that extends into the area of its bottom has an electron-conducting path which is connected to a connector, characterized in that that between the longitudinal bore-Schuller (22) of the housing (19) and the shoulder (20) on the solid electrolyte tube collar (11) and / or between Boring shoulder (17) of the solid electrolyte tube (10) and the connecting part pressure sleeve (30) flexible, electrically conductive seals (21,33) are arranged, and that with the solid electrolyte tube (10) or the connecting part pressure sleeve (30) is at least one compensating element (36) in operative connection. 2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Dichtung (21, 33) eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse (38) ist, die oben und unten durch je einen Abdichtring (39) begrenzt ist.2. Electrochemical sensor according to claim 1, characterized in that the electrically conductive Seal (21, 33) is a resilient, electrically conductive mass (38), the top and bottom through each a sealing ring (39) is limited. 3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (38) Graphitpulver ist.3. Electrochemical sensor according to claim 2, characterized in that the mass (38) Graphite powder is. 4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (38) Kupferpulver ist.4. Electrochemical sensor according to claim 2, characterized in that the mass (38) Copper powder is. 5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtring (39) ein dünnwandiger, leichtverformbarer Metallring (40) ist, der vorzugsweise aus Nickel besteht.5. Electrochemical sensor according to one of claims 2 to 4, characterized in that the Sealing ring (39) is a thin-walled, easily deformable metal ring (40), which is preferably made of nickel consists. 6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtring (39) aus einem warmfesten, plastisch verformbaren Stoff (41), wie z. B. Asbest, besteht.6. Electrochemical sensor according to one of claims 2 to 4, characterized in that the Sealing ring (39) made of a heat-resistant, plastically deformable material (41), such as. B. asbestos.
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