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Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung
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des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach
der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger Meßfühler ist schon aus der DE-OS
25 32 279 bekannt; dieser Meßfühler besitzt außerhalb seines Festelektrolytrohres
ein elektrisches Heizelement und einen Temperaturfühler, welcher über eine separate
Regeleinrichtung das elektrische Heizelement derart regelt daß eine bestimmte konstante
Temperatur aufrechterhalten wird. Aus der US-PS 3 5)46 o86 ist außerdem ein derartiger
Meßfühler begann bei dem innerhalb des Festelektrolytrohres ein
elektrisches
Heizelement und ein Temperaturfühler angeordnet sind und zur Temperaturregelung
außerhalb des Meßfühlers eine zusätzliche elektrische Regeleinrichtung vorhanden
ist. Die beiden genannten elektrochemischen Meßfühler benötigen für ihre Beheizung'also
jeweils eine separate elektrische Regeleinrichtung.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
daß die komplette Temperaturregeleinrichtung mit dem Meßfühler zusammen eine Baueinheit
bildet und demzufolge Steuerleitungen für das Heizelement erspart; der elektrochemische
Meßfühler mit dem Regelkreis, gegebenenfalls sogar einschließlich des Heizelementes
bilden somit ein kompaktes Bauelement.
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Die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale stellen unterschiedliche
Ausführungsformen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers dar Zeichnung Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert; es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen vergrößert dargestellten
elektrochemischen Meßfühler nach der Erfindung, wobei ein außerhalb des
elektrochemischen
Meßfühlers angeordnetes elektrisches Heizelement nicht dargestellt ist und die Schaltbewegung
für das Heizelement mittels einer sich durch Wärmeeinwirkung ausdehnenden Schaltstange
erfolgt, Figur 2 einen Längsschnitt durch einen vergrößert dargestellten elektrochemischen
Meßfühler nach der Erfindung, wobei das elektrische Heizelement innerhalb des Festelektrolytrohres
angeordnet ist und die Schaltbewegung ebenfalls mittels einer sich durch Einwirkung
von Wärme ausdehnenden Schaltstange erfolgt, und Figur 3 einen Längsschnitt durch
einen ebenfalls vergrößert dargestellten elektrochemischen Meßfühler nach der Erfindung,
bei dem die Schaltbewegung über eine Schubstange auf magnetischem Wege bewirkt wird.
Bei allen drei Ausführungsbeispielen wird die Schaltbewegung der Schaltstange auf
einen am Meßfühler befestigten Schalter übertragen, der im Schaltkreis des elektrischen
Heizelementes angeordnet ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der in Figur 1 dargestellte
elektrochemische Meßfühler 10 besitzt ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr
11, dessen Außenseite beispielsweise dem Abgas eines Verbrennungsmotors ausgesetzt
ist und mit einer katalytisch wirksamen, elektronenleitenden Schicht (nicht dargestellt)
und gegebenenfalls auch mit nicht dargestellten Schutz- oder anderen zusätzlichen
Schichten noch versehen ist. Der dem Abgas abgewendete Endabschnitt des Festelektrolytrohres
11 ist in einem metallischen Gehäuse 12 gehalten und unter Zuhilfenahme einer Kontaktpackung
13, eines Isolierringes 14,
eines metallischen Zwischenringes 15,
einer Führungsbuchse 16 und eines Druckringes 17 abdichtend ins Gehäuse 12 eingebördelt.
Zwischen den Zwischenring 15 und der Führungsbuchse 16 ist zusätzlich der Flansch
18 einer Schutzhülse 19 mit eingefügt. Die Schutzhülse 19 besitzt einige Öffnungen
19', die der Umgebungsluft den Eintritt in den Meßfühler 10 ermöglichen. Das Meßfühler-Gehäuse
12 hat an seiner Außenseite ein Schlüsselsechskant 20 und ein Einschraubgewinde
21 zum Einbau des Meßfühlers 10 in ein nicht dargestelltes Abgasrohr eines Verbrennungsmotors;
außerdem ist am Gehäuse 12 ein Schutzrohr 22 befestigt, das den dem Abgas zugewendeten
Abschnitt des Festelektrolytrohres 11 mit Abstand umgibt und Schlitze 23 aufweist,
die dem Abgas den gesteuerten Zutritt zum Festelektrolytrohr 11 erlauben. Die Schutzhülse
19, die das Gehäuse 12 anschlußseits koaxial verlängert, weist einen nach innen
gezogenen Rand 24 auf, an dem sich ein Isolierkörper 25 abstützt.
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Auf der Außenseite dieses Randes 24 ist ein Kasten 26 angeordnet,
welcher durch Schweißpunkte 27 an der Schutzhülse 19 befestigt ist.
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Im Innenraum 28 des Festelektrolytrohres 11 befindet sich eine Mittelelektrode
29, die sich aus einer Schaltstange 30 und einer diese Schaltstange 30 umgebenden
Isolierhülse 31 aus keramischem Material zusammensetzt.
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Die Schalt stange 30 hat an ihrem einen Endabschnitt einen Kopf 32,
mit dem sie auf einer am Boden 33 des Festelektrolytrohres 11 aufgebrachten, nicht
besonders dargestellten Kontaktschicht aus Platin aufliegt und an dem sich die eine
Stirnfläche der Isolierhülse 31
abstützt. Diese Schaltstange 30
besteht aus einer Aluminiumlegierung, ragt anschlußseits aus dem Meßfühler 10 heraus
und besitzt innerhalb des Kastens 26 eine Schaltfläche 34. Der elektrische Anschluß
der Mittelelektrode 21, der über diese Schaltstange 30 erfolgt, ist oberhalb des
Kastens 26 mit Position 35 bezeichnet. - Nachdem die Schaltstange 30 aus der Isolierhülse
31 heraustritt, führt sie zunächst durch die nicht bezeichnete Bohrung einer auf
der Isolierhülse 31 aufliegenden Stützscheibe 36, dann durch den nicht bezeichneten
Innenraum einer Druckfeder 37, anschließend durch die nicht bezeichnete Mittelbohrung
einer zweiten Stützscheibe 38, welche in einer Vertiefung 39 des Isolierkörpers
25 fixiert ist, anschließend durch die Längsbohrung 40 des Isolierkörpers 25, sodann
durch eine dem Schutzhülsenrand 24 und dem Kasten 26 gemeinsame Bohrung 41, in der
sie mit Abstand verläuft, und zum Schluß durch eine Isolierbuchse 42, die in der
Deckseite 43 des Kastens 26 befestigt ist. Diese Schaltstange 30 ist sowohl in der
Isolierhülse 31 als auch in den anderen vorstehend geschilderten Bauteilen derart
geführt, daß sie sich bei Wärmeeinfluß sowohl im Durchmesser als auch in Richtung
des elektrischen Anschlusses 35 frei ausdehnen und dabei die Schaltfläche 34 mitnehmen
kann.
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In dem Kasten 26 ist ein Mikroschalter 44 auf solche Weise angeordnet,
daß sein Schalthebel 45 bei einer bestimmten Temperatur des Festelektrolytrohres
11 mit der Schaltfläche 34 der Mittelelektroden-Schaltstange 30 in Wirkverbindung
kommt und ein nicht dargestelltes, außerhalb des eigentlichen Meßfühlers 10 angeordnetes
elektrisches Heizelement über eine Leitung 46 unterbricht;
der
Mikroschalter 44 ist zum Einstellen des Schaltpunktes in Längsschlitzen )47 justierbar.
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Das Sauerstoffmeßsystem dieses elektrochemischen Meßfühlers 10 gibt
bekanntlich erst ein geeignetes Signal ab, wenn die Sondentemperatur etwa 4000 C
überschritten hat; es ist aus diesem Grunde notwendig, daß bei kaltem Motor diese
Temperatur schnellmöglichst erreicht wird.
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Auch im Betrieb von Brennkraftmaschinen erreichen diese Meßfühler
10 bei den unteren Lastpunkten von Verbrennungsmotoren nicht immer diese erforderliche
Betriebstemperatur. Für diese Fälle ist es zweckmäßig, wenn das Festelektrolytrohr
11 dieser Meßfühler 10 beheizt wird.
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Um diese Meßfühler 10 jedoch vor einer zu hohen Wärmebelastung zu
schützen, ist es zweckmäßig, wenn die Heizung in den oberen Lastpunkten der Brennkraftmaschine
auf eine niedere Heizleistung geschaltet oder sogar ganz abgeschaltet wird. Diese
Funktion des Heizstrom-Schaltens bewirkt die sich ausdehnende Schaltstange 30 mit
ihrer Schaltfläche 34, welche den Mikroschalter 44 betätigt. - Es sei erwähnt, daß
anstelle einer Schaltstange 30 aus einer Aluminiumlegierung auch Schalt stangen
aus Magnesiumlegierungen für diesen Zweck geeignet sind, gegebenenfalls aber auch
Quarzglas, Stahl, Nickel oder entsprechende Legierungen für diesen Zweck Verwendung
finden können. - Um der Luft zur Innenseite des Festelektrolytrohr-Bodens 33 einen
guten Zutritt zu ermöglichen, ist die Isolierhülse 31 mit Längsnuten 48 versehen,
die oben aus dem Festelektrolytrohr 11 herausmünden.
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Der in Figur 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10' unterscheidet
sich von dem in Figur 1 dargestellten
Meßfühler 10 dadurch, daß
die Isolierhülse 31' der Mittelelektrode 29' ein drahtförmiges, bifilar gewickeltes
Widerstandsheizelement 49 trägt, das im abgasseitigen Bereich des Festelektrolytrohres
11' in einer Nute 50 angeordnet ist, die in die Isolierhülse 31' mit eingeformt
ist; während der Anschlußabschnitt 51 dieses Heizelementes 49 vom Mikroschalter
44' durch eine Durchgangsbohrung 52 im Isolierkörper 25' und dann durch eine Längsnut
48' zum eigentlichen Heizelement 49 führt, verläuft der andere Anschlußabschnitt
51' zunächst durch eine andere Längsnut 48' in der Isolierhülse 31', führt dann
durch einen Schlitz 53 im anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres
11' und dann zwischen den Schutzhülsen-Flansch 18' und den Zwischenring 15', zwischen
denen er eingeklemmt und demzufolge über das Gehäuse 12' mit Masse verbunden ist.
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Zur sichereren Führung des Anschlußabschnittes 51 des Heizelementes
9 ist der Isolierkörper 25' verlängert worden und mit einem Ansatz 54 versehen worden,
der durch eine nicht bezeichnete, durch den Schutzhülsen-Rand 24 und den Kasten
26 führende Bohrung bis in die Nähe des Mikroschalters 44' ragt.
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Der in Figur 3 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10" unterscheidet
sich von den in Figur 1 und 2 dargestellten Meßfühlern 10 und 10' durch ein anderes
System, das den Mikroendschalter 44" bei einer bestimmten Temperatur betätigt: Anstelle
einer Schaltstange 30, die sich aufgrund von Temperatureinflüssen ausdehnt oder
verkürzt, ist in der Isolierhülse 31" der Mittelelektrode 29" zunächst ein dünnwandiges
Rohr 55 aus unmagnetischem Material (z.B. aus Messing) angeordnet,
das
mit einem Flansch 56 auf der nicht dargestellten Kontaktfläche auf dem Boden 33"
des Festelektrolytrohres 11" aufliegt und als Anschlußkontakt 35" anschlußseits
aus dem Meßfühler 10" herausragt. In diesem Rohr 55 ist im Bereich des vom Abgas
umströmten Abschnitts vom Festelektrolytrohr 11" ein ferromagnetischer Einsatz 57
festgelegt. Dieser Einsatz 57 besteht beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung
mit einem Curiepunkt von 7000 C; durch das Verhältnis von Anteilen an Eisen und
Nickel dieser Legierung können Curiepunkte eingestellt werden, die etwa zwischen
350 und 7500 c liegen. Neben diesem ferromagnetischen Einsatz 57 ist in dem Rohr
55 ein Dauermagnet 58 längsbeweglich angeordnet, dessen Curiepunkt möglichst hoch
liegt (z.B. bei 8500 c) und an dessen anschlußseitigem Endabschnitt eine Schaltstange
30" befestigt ist; diese Schalt stange 30" führt innerhalb des Rohres 55 bis in
den Schaltkasten 26". Innerhalb des Schaltkastens 26" ist diese Schaltstange 30"
mit Schaltflächen 34" versehen, die durch Fenster 59 im Rohr 55 ragen und an deren
zum Isolierkörper 25" weisender Endfläche das eine Ende eines Federelementes 60
anliegt. Das andere Ende dieses Federelementes 60 liegt auf der Isolierkörper-Stirnfläche
61 auf, die durch die Unterseite 62 des Schaltkastens 26" hindurchragt. Dieses Federelement
60 hat das Bestreben, die Schaltfläche 3)4" in Richtung der Anschlußseite des Meßfühlers
10" zu drängen, demzufolge den Schalthebel 45" des Mikroschalters 4)4" zu betätigen
und somit den durch das Heizelement 49' fließenden elektrischen Strom zu unterbrechen.
Solange also im Betrieb des Meßfühlers 10" die Temperatur des ferromagnetischen
Einsatzes 57 unterhalb seines gewählten Curiepunktes von 7000 C liegt, ist der Dauermagnet
58
infolge seiner magnetischen Anziehung mit dem ferromagnetischen
Einsatz 57 in direkter Berührung und verhindert das Anheben der Schaltstangen-Schaltfläche
34".
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Wird dann jedoch der Curiepunkt des ferromagnetischen Einsatzes 57
überschritten, so verliert dieser Einsatz 57 seine ferromagnetischen Eigenschaften
und der Dauermagnet 58 wird über die Schaltstange 30" und die Schaltflächen 34"
infolge der Wirkung des ederelementes 60 angehoben: Die Schaltflächen 34" betätigen
somit den Schalthebel 45" des Mikroschalters 44": Der Stromfluß durch das Heizelement
49' wird demzufolge entweder abgeschaltet oder - unter zusätzlicher Verwendung eines
(nicht dargestellten) Widerstandes - zumindest vermindert.
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Es sei erwähnt, daß das in Figur 3 dargestellte Prinzip auch für solche
elektrochemischen Meßfehler dieser Art Verwendung finden kann, bei denen kein Heizelement
49' in das Innere des Festelektrolytrohres 11" eingebaut ist, ein Heizelement dafür
aber außerhalb des eigentlichen Meßfühlers 10 angeordnet ist.
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Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten elektrochemischen Meßfühler
10' bis 10" können durch einfache konstruktive Änderungen dahingehend abgewandelt
werden, daß sie anstelle eines Masseanschlusses von Heizung und Sonde über einen
separaten Anschluß verfügen (siehe DE-OS 25 04 206).
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Das erfindungsgemäße Prinzip der Heizungsregelung ist ebenfalls für
solche Sauerstoff-Meßfühler gut geeignet, die als polarographische Meßfühler bekannt
sind und deren Strom durch eine Diffusionsschicht auf dem Festelektrolyten begrenzt
wird (siehe DE-OS 19 54 663).
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Anwendung können derartige Meßfühler nicht nur in Abgasen von Verbrennungsmotoren
finden, sondern auch in anderen Gasgemischen, z.B. auch in Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen
im Ansaugteil von Verbrennungsmotoren.