DE2732743A1

DE2732743A1 - Elektrochemischer messfuehler

Info

Publication number: DE2732743A1
Application number: DE19772732743
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Linder; Helmut Maurer; Franz Rieger; Rainer Schuessler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-07-20
Filing date: 1977-07-20
Publication date: 1979-02-08
Also published as: US4212720A; FR2398301A1; FR2398301B1; SE7806141L; GB1581519A; JPS5422894A

Description

- 2 - R.

Stand der Technik

Meßfühler mit inonenleitenden Pestelektrolyten besitzen erst oberhalb von 400⁰C eine für ihre Funktion praktisch genügende Ionenlextfähigkeit und werden in ihrer Funktion erst ab oberhalb 500⁰C nicht mehr von in Abgasen enthaltenem Blei beeinträchtigt. Diese Meßfühler werden deshalb mit Heizelementen ausgerüstet.

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon aus der US-Patentschrift 3 5*J6 ein derartiger Meßfühler bekannt, der zur Messung einen Bezugsstoff benötigt und dessen Heizelement mit Abstand von der Innenwand eines rohrförmigen Festelektrolyten angeordnet ist; Nachteil ist aber bei diesem Meßfühler seine teure, wenig für eine Serienfertigung geeignete und nicht schüttelfeste Ausführungsform. Die Erfindung ist jedoch auch Anwendbar für elektrochemische Meßfühler mit ionenleitendem Festelektrolyten, die für den Meßvorgang keinen Bezugsstoff benötigen; ein derartiger Meßfühler ist in der DT-OS 2 5^7 683 beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der mit einem Heizelement versehene Meßfühler insgesamt einen robusten, schüttelfesten und relativ kostengünstigen Aufbau hat und für eine Serienfertigung hervorragend geeignet ist.

Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen bzw. unterschiedliche Ausführungsformen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers.

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R. .·· O

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen im vergrößerten Maßstab dargestellten Meßfühler, der zum Meßvorgang einen Bezugsstoff benötigt und dessen Heizelement im Innenraum eines einseitig geschlossenen Festelektrolytrohres angeordnet ist, und Figur 2 einen Längsschnitt durch feinen in vergrößertem Maßstab dargestellten Meßfühler, der zum Meßvorgang keinen Bezugsstoff benötigt und bei dem der Festelektrolyt und die Elektroden auf dem Heizelement angeordnet sind.

Beschreibung der Erfindung

Der in Figur 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 enthält ein ionenleitendes Festelektrolytrohr 11, das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid besteht, an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragenden Ende einen angeformten Boden 12 hat und an seiner Außenseite einen Flansch 13 aufweist. Dieses Festelektrolytrohr 11 ist auf seiner äußeren Oberfläche mit einer elektronenleitenden porösen Schicht I¹I aus Platin versehen, die den von Abgasen umspülten Bereich und zusätzlich den Bereich der Schulter 13 des Festelektrolytrohres 11 bedeckt; eine auf diese Platinschicht 14 angebrachte Schutzschicht gegen mechanische und thermische Angriffe der Abgase (z.B. eine poröse Magnesiumspinnel-Schicht) ist nicht besonders dargestellt.

Das Festelektrolytrohr 11 trägt auf seiner dem Innenraum 15 zugewendeten Oberfläche eine elektronenleitende Bahn 16, die bis in den Bereich des Bodens 12 hineinreicht und auch aus Platin besteht; diesre Leiterbahn 16 erstreckt sich anschlußseits bis auf die Stirnfläche 17 des Festelektrolytrohres 11.

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Das Pestelektrolytrohr 11 wird auf einem Teil seiner Länge von einem Gehäuse 18 umfaßt, das elektrische Leitfähigkeit besitzt und aus warmfestem Stahl bestehen kann; das Pestelektrolytrohr 11 liegt mit seinem Flansch 13 auf einer Schulter 19 in der Längsbohrung 20 dieses Gehäuses 18 auf und klemmt gleichzeitig noch ein Schutzrohr 21 ein, das den dem Abgas ausgesetzten Teil des Festelektrolytrohres 11 mit Abstand umgibt und Ein- bzw. Auslaßöffnungen 22 für die Abgase besitzt. An seiner Außenseite hat das Gehäuse 18 ein Schlüsselsechskant 23 und ein Einschraubgewinde 2k für den dichten und festen Einbau in ein nicht dargestelltes Abgasrohr einer Brennkraftmaschine und bildet in seinem anschlußseitigen Bereich mit dem Festelektrolytrohr 11 einen Ringspalt 25· Dieser Ringspalt 25 ist in seinem unteren, bis an den anschlußseitigen Abschnitt des Festelektrolytrohr-Flansches 13 reichenden Bereich mit einer elektrisch leitenden Dichtungsmasse 26 wie z.B. Graphitpulver gefüllt, die sowohl mit der Platinschicht 14 auf dem Festelektrolytrohr 11 als auch mit dem zumeist an Masse liegenden Meßfühler-Gehäuse 18 in Kontakt steht. Diese Dichtungsmasse 16 ist mit einer Isolierscheibe 27 und einem metallischen Zwischenring 28 abgedeckt; dem Zwischenring 28 folgen im Ringspalt 25 der Bord 29 einer Schutzhülse 30> eine Führungsbuchse 31 und ein Bördelring 32, auf den der Bördelrand 33 des anschlußseitigen Endabschnitts vom Meßfühler-Gehäuse 18 drückt. - Die Schutzhülse 30 ist ein metallischer Rohrabschnitt, der sich über den anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 hinauserstreckt und Lufteintrittsöffnungen 3^ besitzt.

In den Pestelektrolytrohr-Innenraum 15 ragt ein Heizelement 35» das diesen Innenraum 15 weitgehend ausfüllt, jedoch einen geringen Abstand vom Festelektrolytrohr 11 besitzt; dieses Heizelement 35 hat eine Widerstandsdrahtwendel 36, die innerhalb einer dünnwandigen Metallhülse 37 angeordnet und in eine elektrisch isolierende, Wärme gut leitende Pulverpackung 38 (z.B. Magnesiumoxyd) eingebettet ist. Der dem Pestelektrolytrohr-Bo-

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den 12 naheliegende Endabschnitt der Metallhülse 37 ist als Boden 39 ausgebildet, der für den einen Endabschnitt der Widerstandsdraht-Wendel 36 als Schweißpunkt dient. In den offenen Endabschnitt der Metallhülse 37 ragt der Anschlußbolzen ΊΟ des Heizelementes .35, der mit dem zweiten Endabschnitt der Widerstandsdrahtwendel 36 durch Schweißen verbunden ist; dieser anschlußseitige Endabschnitt der Metallhülse 37 ist durch einen elektrisch isolierenden Dichtring 41 abgeschlossen, der das Austreten der Pulverpackung 38 verhindert und durch Bördeln der Metallhülse 37 befestigt ist. Der anschlußseitige Endabschnitt der Metallhülse 37 des Heizelementes 35 ist in den ersten Endabschnitt einer Zwischenhülse 42 eingepreßt und gehalten, während der Anschlußbolzen 40 in einen Anschlußkopf 40„ eingepreßt ist: dieser Anschlußkopf 40_o ist im a ο.

zweiten Endabschnitt der Zwischenhülse 42 mittels eines elektrisch isolierenden Glasschmelzflusses 43 befestigt. Der Anschlußkopf 40 ist anschlußseits mit einem Gewinde 44 versehen, auf dem eine Anschlußmutter 45 aufgeschraubt ist und eine Anschlußschiene 46 für das Heizelement 35 hält.

Die Fixierung und Halterung des Heizelementes 35 einschließlich seiner Anschlußmittel 40, 40 und 45 erfolgt folgender-

Ct

maßen: Auf der Festelektrolytrohr-Stirnfläche 17 liegt eine metallische Tellerscheibe 47, die mit einem Rohrstutzen 48 im Festelektrolytrohr-Innenraum 15 fixiert ist, jedoch Abstand von der Zwischenhülse 42 aufweist. In dieser Tellerscheibe 47 liegt das eine Ende einer unter Vorspannung stehenden Druckfeder 49 an, die sich mit ihrem anderen Ende an dem Flansch 50 eines Leiterbleches 51 abstützt; dieser Leiterblech-Flansch 50 liegt seinerseits an einem Flansch 52 einer Isolierhülse 53 an, die um einen Teil der Zwischenhülse 42 angeordnet ist und sich an einer Schulter 54 dieser Zwischenhülse 42 abstützt. Als Gegenlager für die unter Vorspannung stehende Druckfeder 49 dienen drei Nasen 55 der Zwischenhülse 42, in denen sich jeweils eine Nute 56 befindet, in welchen sich jeweils eine aus der Schutzhülse 30 herausgeformte Warze 57 verankert.

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Das Leiterblech 51 ist gegenüber der Zwischenhülse 42 durch ein Isolierformteil 58 abgestützt, an dem es sich anschlußseitig auch mit einem nach innen gezogenen Rand 59 anlegt. Auf diesem Leiterblech-Rand 59 liegt eine metallische Kontaktbuchse 60 auf, auf deren anschlußseitigem Rohrabschnitt 6l die Anschlußschiene 62 für das Sondensignal des Meßfühlers 10 und anschließend noch eine auf dem Kontaktbuchsen-Rohrabschnitt 6l fixierte Isolationsbuchse 63 liegt; auf der anschlußseitigen Stirnfläche 64 dieser Isolationsbuchse 63 liegt die Anschlußschiene 46 für das Heizelement 35 auf. Der Kontaktbuchsen-Rohrabschnitt 6l ist vom Anschlußkopf 40 des Heizelementes

35 durch einen Ringspalt 65 getrennt.

Der im Meßfühler 10 verlaufende Teil des Signalkreises verläuft folgendermaßen: Anschlußschiene 62, Kontaktbuchse 60, Leiterblech 51, Druckfeder 49, Tellerscheibe 47, Leiterbahn 16, Festelektrolytrohr 11, Platinschicht 14, Dichtungsmasse 26 und Meßfühler-Gehäuse l8, das an Masse liegt.

Der im Meßfühler 10 verlaufende Teil des Heizkreises folgt den nachstehend genannten Teilen des Meßfühlers: Anschlußschiene 46, Anschlußkopf 40 , Anschlußbolzen 40, Widerstandsdrahtwen-

el

del 36, Metallhülse 37, Zwischenhülse 42, Schutzhülsen-Warze 57, Schutzhülse 30, metallischer Zwischenring 28 und Meßfühler-Gehäuse 18.

Der in den Figuren 2 und 3 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10' arbeitet ebenfalls nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten, er benötigt jedoch keinen zusätzlichen Bezugsstoff wie z.B. Luftsauerstoff. Dieser Meßfühler 10' weist ein Heizelement 35* auf, das dem in Figur 1 dargestellten Heizelement 35 entspricht: Es enthält die Widerstandsdraht-Wendel 36', die Pulverpackung 38¹, die Metallhülse 37', den Anschlußbolzen 40', den Anschlußkopf 40a¹, die Anschlußmutter 45' und die Anschlußschiene 46'.

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Vergleichbar mit dem Meßfühler 10 nach Figur 1 sind auch die folgenden Teile des Meßfühlers 10*: Die Isolationsbuchse 63', die Anschlußschiene für das Sondensignal 62*, die Kontaktbuchse 60*, das Leiterblech 51', das Isolierformteil 58', der Glasschmelzfluß 43», die Zwischenhülse 42*, die Isolierhülse 53', die Druckfeder 49', die Schutzhülse 30* und auch das Meßfühler-Gehäuse 18* einschließlich Bördelring 32* und Schutzrohr 21'. Auf eine Beschreibung der Anordnung dieser Teile kann deshalb verzichtet werden.

Die dünnwandige Heizelement-Metallhülse 37* dieses Meßfühlers 10* ist auf seiner Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht 66 versehen, die nur nicht die beiden Endabschnitte der Metallhülse 37* bedeckt; der anschlußseitige Endabschnitt der Metallhülse 37* ist in die Zwischenhülse 42' eingepreßt und/ oder mit dieser Zwischenhülse 42' verschweißt. Im vom Schutzrohr 21* umschlossenen Bereich des Heizelementes 35* befindet sich auf der 0,3 mm dicken Isolierschicht 66 ein etwa 0,4 mm dicker und 4 mm breiter Ring 67 aus einem katalytisch wirkendem und elektrisch leitendem Material (z.B. Platin). Diesem Ring 67 schließt sich in Richtung auf den Metallhülsen-Boden 39* eine 4 mm breite Ringbahn 68 eines Pestelektrolyten wie z.B. Zirkondioxid an, die den Ring 67 teilweise überlappt. Dem Pestelektrolyt-Ring 68 folgt ein Ring 69 aus einem elektrisch leitendem, aber katalytisch nicht wirksamen Material wie z.B. Gold; dieser Goldring 69 überlappt teilweise den Pestelektrolytring 68. Die Ringe 67, 68 und 69 bilden gemeinsam das eigentliche Meßelement, das beispielsweise in der DT-OS 2 547 683 prinzipiell beschrieben ist. Während der Goldring 69 über eine elektrisch leitende Bahn 70 mit dem nicht von der Isolierschicht 66 bedeckten Boden 39' der Metallhülse 37* elektrisch leitend in Verbindung steht, ist der Platin-Ring 67 mit einer elektrisch leitenden Bahn 71 (z.B. Platin, Gold) verbunden, die auf der Isolationsschicht 66 in Richtung Anschlußseite verläuft. Die Ringe 67, 68, 69 können durch zusätzliche Schutzschichten abgedeckt sein, welche jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Durch

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Hintereinanderschalten mehrerer "Ring-Pakete 67, 68, 69" auf der Isolierschicht 66 läßt sich das Sondensignal um den entsprechenden Paktor erhöhen. Die auf der Metallhülse 37' angebrachte Isolationsschicht 66 besteht vorzugsweise aus Keraarik wie z.B. Al„ 0_.

Das derart ausgebildete Heizelement 35' wird innerhalb des Meßfühler-Gehäuses I8¹ in der Längsbohrung 72 eines Isolierringes 73 (Keramik) geführt, der mit einem anschlußsseitigen Kopf 71 auf dem Schutzrohr 21' aufliegt, das auf einer Schulter 19¹ in der Längsbohrung 20' des Gehäuses 18¹ aufliegt. Die Isolierring-Längsbohrung 72 ist anschlußseits durch eine kegelförmige Aufbohrung 75 erweitert und enthält einen Dichtring 76. Dieser Dichtring 76 verhindert, daß sich ein anschlußseits anschließendes elektrisch leitendes, elastisches Paket (z.B. Graphit) 77 in den abgasseitigen Abschnitt des Meßfühlers 10· gelangt. In diesem elastischen Paket 77 endet die auf der Isolierschicht 66 des Heizelementes 35' aufgebrachte Leiterbahn 71. Dieses elastische Paket 77 ist in diesem Bereich des Meßfühlers 10· gegenüber dem Gehäuse l8· durch einen elektrisch isolierenden, elastischen Ring (Asbest) 78 getrennt. Auf dem elastischen Ring 78 liegt ein zweiter Isolierring 79 auf, in dessen Zentralbohrung 80 eine Leiterbuchse 8l mit einer unteren Plansch 82 und einem oberen Flansch 83 angeordnet ist; die Plansche 82 und 83 liegen an den Stirnflächen des Isolierringes 79 an. Die Leiterbuchse 8l liegt an der Isolierschicht 66 des Heizelementes 35' ringförmig an und dient als Führungsteil für das Heizelement 35'. Der untere Leiterbuchsen-Flansch 82 ragt in das elastische Paket 77 hinein und liegt an einem Dichtring 81, welcher den Spalt zwischen Heizelement-Metallhülse 37' und Leiterbuchse 8l gegenüber dem elastischen Paket 77 abdichtet. Der obere Flansch 83 der Leiterbuchse 8l dient als Auflage für die erwähnte Druckfeder ^9*. Auf der anschlußseitigen Stirnfläche 85 des Isolierringes 79 liegt der Bord 29' der Schutzhülse 3O¹ auf, dem ein Bördelring 32* und der die gesamte Gehäuseeinheit zusammenhaltende Bördelrand 33' folgen.

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In diesem Meßfühler 10· verläuft der Heizstrom durch die Anschlußschiene 46', den Anschlußkopf ¹IOa¹, den Anschlußbolzen 40·, die Widerstandsdrahtwendel 36', die Metallhülse 37', die Zwischenhülse 42', die Schutzhülse 30', den Bördelring 32' und dann ins an Masse liegende Gehäuse 18'.

Das Sondensignal dieses Meßfühlers 10' durchfließt die folgenden Teile: Anschlußschiene 62', Kontaktbuchse 60', Leiterblech 51', Druckfeder 49', Leiterbuchse 8l, elastisches Paket 77, Leiterbahn 71, Platinring 67, Pestelektrolytring 68, Goldring 69, Leiterbahn 70, Heizelement-Metallhülse 37', Zwischenhülse 42·, Schutzhülse 30·, Bördelring 32' und Meßfühler-Gehäuse l8'.

Es sei erwähnt, daß weder bei deri Ringen 67 und 69 noch beim Festelektrolyt-Ring 68 die Ringform erforderlich ist; anstelle der Ringform können diese Teile auch von anderer Konfiguration sein (z.B. Teilflächen).

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Claims

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Ansprüche

' 1.^Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstofigehaltes in Abgasen, insbesondere des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden Pestelektrolyten und einem Heizelement, um das zumindest teilweise herum der Pestelektrolyt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (35, 35') eine Widerstandsdrahtwendel (36, 36') hat, die innerhalb einer dünnwandigen Metallhülse (37, 37') angeordnet und in eine elektrisch isolierende, Wärme gut leitende Pulverpackung(38, 38') gebettet ist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Endabschnitt der Widerstandsdrahtwendel (36, 36') mit dem abgasseitigen, einen Boden (39, 39') aufweisenden Endabschnitt der Metallhülse (37, 37') elektrisch leitend in Verbindung steht.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (35) im Innenrau:n (15) eines einseitig geschlossenen Festelektrolytrohres (11) angeordnet ist.

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ORIGINAL fMSPECTED

k. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, d: auf der Außenseite der Metallhülse (37') eine elektrisch is: lierende Schicht (66) und darauf der Festelektrolyt (68) ei: schließlich Elektroden (67, 69) und Anschlußleiter (70, 7D angeordnet ist.

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