DE2937048A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen, insbesondere in abgasen von brennkraftmaschinen - Google Patents
Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen, insbesondere in abgasen von brennkraftmaschinenInfo
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Description
5704
27.8.1979 Zr/Kö
Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere
in Abgasen von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher
Meßfühler ist bereits aus der DE-OS 27 29 ^75 bekannt
und besitzt einen aufwendig herstellbaren Festelektrclyten,
der die Form eines einseitig geschlossenen Rohres hat und im Hohlraum dieses Rohres ein separates Heizelement
enthält. Weiterhin ist aber auch ein elektrochemischer Meßfühler bekannt, der einen plättchenförmigen
sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten hat und dessen beide Elektroden dem Meßgas ausgesetzt sind; dieser
in der DE-OS 25 ^7 683 beschriebene potentiometrische
Meßfühler liefert jedoch ein nur kleineres Spannungssignal
als ein elektrochemischer Meßfühler mit einem Bezugsstoff wie z.B. Luftsauerstoff.
Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden
Merkmaien des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor-
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teil, daß er mit bekannten, für die Großserienfertigung gut geeigneten Technologien relativ preisgünstig hergestellt
werden kann, ein stärkeres Signal als die Sonde nach der DE-OS 25 ^7 683 abgibt und darüber hinaus auch
mindestens ein Heizelement trägt, das nach bekannten, in der Serienfertigung gut anwendbaren Verfahren auf dem
Sensor des Meßfühlers aufgebracht wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler
in vergrößerter Darstellung; Figur 2 die die Elektroden tragende Großfläche des Sensorelementes aus dem Meßfühler
nach Figur 1; Figur 3 die die Heizelemente tragende Großfläche des Sensors aus dem Meßfühler nach Figur 1 und
Figur 4 einen Querschnitt durch den Sensor nach der Schnittlinie A/B in Figur 3 (weiter vergrößerte Darstellung)
.
Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte elektrochemische
Meßfühler 10 für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen besteht im wesentlichen aus dem plättchenförmigen
Sensor 11, einem bevorzugt aus Metall bestehenden Gehäuse 12, zwei in der Längsbohrung 13 des Gehäuses 12
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fest eingespannten keramischen Halterungen Ik und 15 mit
Dichtung 16 und aus einem Schutzmantel 17, der den dem Meßgas ausgesetzten Längsabschnitt des Sensors 11 mit Abstand
umgibt und eine Gaseinlaßöffnung 18 aufweist.
Das Meßfühler-Gehäuse 12 besitzt für den Einbau in ein nicht dargestelltes, das Meßgas führende Rohr ein Außengewinde
19 und ein Schlüsselsechskant 20; in der Längsbohrung 13 ist das Gehäuse 12 mit einer Schulter 21 versehen,
auf der der Flansch 22 des Schutzmantels 17 aufliegt. Der Schutzmantel 17 besteht aus Keramik, kann jedoch
auch aus einem anderen wärmebeständigen Werkstoff (z.E. einem korrosionsbeständigen Stahl) hergestellt und
alternativ am Gehäuse 12 befestigt sein; auch können anstelle einer einzigen Gaseinlaßöffnung 18 mehrere Gaseinlaßöffnungen
vorgesehen und gegebenenfalls auch mit bekannten Gasleitnasen ausgestattet sein. Während die untere Seite
des Schutzmantel-Flansches 20 auf der Gehäuse-Schulter aufliegt, liegt auf der oberen Seite dieses Flansches
die aus Keramik bestehende Halterung 15 auf, welche mittig eine Durchlaßöffnung 23 und eine anschlußseits weisende
Tasche 2k zur Aufnahme der Dichtung 16 für den Sensor
besitzt. Als Dichtung 16 können Kitt, Glas, keramische Gläser oder ähnliches Verwendung finden; diese Dichtung l6,
die zur Längsfixierung des Sensors 11 bevorzugt durch ein Querloch 25 hindurchragt, unterteilt den Sensor 11 in den
meßgasnahen Längsabschnitt 11/1 und in den meßgasfernen Längsabschnitt 11/2. Die aus Keramik bestehende Halterung
1*1 liegt mit ihrer Unterseite auf der Halterung 15 und auf
der Dichtung 16 auf, wobei die beiden Halterungen 15 und l6 in ihrem Berührungsbereich mittels eines Vorsprunges
zueinander fixiert sind. An die Außenseite der Halterung I^
ist eine Schulter 27 mit angeformt, auf der der Bördel-
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rand 28 des Gehäuses 12 aufliegt und den Meßfühler 10 zusammenhält.
Bei Bedarf kann zwischen die Außenschulter der Halterung 14 und den Bördelrand 28 ein nicht dargestellter
Dichtring mit eingefügt werden. Durch das an sich bekannte Warmschrumpfen des Gehäuses 12 kann der Verbund
noch intensiver zusammengepreßt werden: Das Gehäuse ist dafür auf seiner Außenseite mit einer Ringnut 29 versehen,
welche nach der vorbeschriebenen Montage z.B. mittels einer Induktionsspule erhitzt wird, und daß dann
das Gehäuse 12 in Längsrichtung zusammengestaucht und anschließend unter Beibehaltung des Stauchdrucks abgekühlt
wird. An der Außenseite der Halterung 1 ·4 ist im
meßgasfernen Bereich noch eine Pixiernute 30 mit eingeformt,
die für das lagerichtige Aufstecken eines nicht dargestellten elektrischen Anschlusses dient. In Verlängerung
der Durchlaßöffnung 23 der Halterung 15 ist in der Halterung 1*1 ein zentraler Durchlaß 31 angeordnet, durch
den der meßgasferne Längsabschnitt 11/2 des Sensors führt und der an seinem meßgasfernen Endabschnitt eine Aufbohrung
32 besitzt; in diese Aufbohrung 32 ragt der Anschlußbereich 11/3 des Sensors 11 hinein. Der Sensor 11 ist mit
Abstand im zentralen Durchlaß 31 der Halterung 14 mittels
einer Führungsbuchse 33 fixiert, die aus einem Duroplast besteht und eine in den zentralen Durchlaß 31 der Halterung
l4 führende Bohrung 3^ besitzt, welche für den Zutritt
von Umgebungsluft als Bezugsstoff des Sensors 11 dient.
Es sei bemerkt, daß der vorstehend beschriebene Aufbau nur eine von mehreren Ausführungsformen einer Halterung
für den erforderlichen Aufbau des erfindungsgemäßen Meßfühlers 10 darstellt und daß Abweichungen davon möglich
sind.
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Der längliche, plättchenförmige Sensor 11 hat einen
sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wie z.B. stabilisiertes
Zirkondioxid als plättchenförmigen Träger 355
auf dessen erster, in Figur 2 dargestellter Großfläche 36 eine aus Platin bestehende, poröse Meßelektrode 37
und eine ebensolche Bezugselektrode 38 nach irgendeinem bekannten Verfahren wie z.B. Aufdrucken aufgebracht sind.
Beide Elektroden 37 und 38 sind mittels Leiterbahnen 37' bzw. 33' mit den zugehörigen im Sensor-Anschlußbereich
11/3 befindlichen elektrischen Anschlüssen 37" und 38" verbunden. Diese Leiterbahnen 37' und 38' sind ebenfalls
durch ein bekanntes Verfahren wie Aufdrucken oder Aufdampfen auf den Träger 35 aufgebracht, und zwar vorzugsweise
gemeinsam mit der Meßelektrode 37 und der Bezugselektrode 38. Die Leiterbahn 37' und der elektrische Anschluß 37"
der Keßelektrode 37 sind von dem als Träger 35 dienenden Festelektrolyten mittels einer Elektroisolierschicht 39
getrennt. Während die Meßelektrode 37 im meßgasnahen Längsabschnitt
11/1 des Sensors 11 angeordnet ist, befindet sich die Bezugselektrode 38 im meßgasfernen Längsabschnitt
11/2, welcher dem nicht dargestellten, als Bezugsstoff dienendem Luftsauerstoff der Umgebungsluft ausgesetzt ist.
Die Meßelektrode 37 wird bevorzugt mit einer nicht dargestellten, porösen Schutzschicht abgedeckt, welche für eine
erhöhte Lebensdauer der Meßelektrode 37 sorgt und z.B. aus Magnesium-Spinell bestehen kann. Das im Träger 35 befindliche,
zwischen der Meßelektrode 37 und der Bezugselektrode 38 befindliche Querloch 25 wurde bereits erwähnt und sorgt
für eine Längsfixierung des Sensors 11 innerhalb des Meßfühlers 10. Anstelle eines vollständig aus einem sauerstoff
ionenleitenden Festelektrolyten bestehenden Trägers 35 kann auch ein inaktiver Träger Verwendung finden,
der z.B. aus Aluminiumoxid besteht und auf den eine dün-
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nere Schicht aus sauerstoffionenleitendeiE Festelektrolyten
aufgebracht ist, welche nur den raeßgasnahen Längsabschnitt 11/1 und den meßgas fernen Längsabschnitt 11/2 des
Sensors 11 bedecken braucht. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht der Träger aus einem Metall, das jedoch
mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, die dann wiederum eine dünne Schicht aus Festelektrclyt
und die Elektroden trägt.
Während es sich bei dem vorstehend beschriebenen elektrochemischen
Meßfühler um einen potentiometrischen Meßfühler handelt, der eine relativ einfache Auswerteschaltung
benötigt, kann dieser Meßfühler auch als pclarographischer Meßfühler verwendet werden: für einen solchen Fall r.uß
die Meßelektrode 37 noch mit einer auf Sauerstoffmoleküle
ansprechenden Diffusionsbarriere versehen werden, was z.B. durch Aufbringen einer dünnen Schicht definierter
Porosität erfolgen kann (z.B. Magnesium-Spinell). Die Meßelektrode
und die Bezugselektrode 37 bzw. 38 sind beim polarographischen Meßverfahren an eine konstante Spannung
anzulegen.
Auf der zweiten Großfläche ^O des Trägers 35 ist eir.e
Elektroisolierschicht ^l aufgebracht, die z.B. aus Aluminiumoxid
bestehen kann. Auf dieser Elektroisolierschicht 1Il ist im meßgas fernen Längsabschnitt 11/2 des Sensors
11 ein Heizelement k2 nach einem bekannten "verfahren wie
Aufdrucken, Aufdampfen oder ähnlichem aufgebracht, das der Bezugselektrode 38 zugeordnet und mittels Leiterbahnen
k2 mit dem Anschlußbereich 11/3 des Sensors 11 in
Verbindung steht; das Heizelement ^2 mit seinen Leiterbahnen
42' besteht ε.B. aus Platin. Auf dieses Heizelement M2 ist wiederum eine Elektroisolierschicht ^3
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aufgebracht, die ebenfalls aus Aluminiumoxid bestehen kann und dazu dient, daß die zum Heizelement 44 führenden
Leiterbahnen 44' gegenüber dem Heizelement 42 getrennt sind; das Heizelement 44 ist im meßgasnahen Längsabschnitt
11/1 des Sensors angeordnet und liegt gegenüber der Meßelektrcde 37. Zur Verbesserung der Lebensdauer des den
Meßgasen ausgesetzten Heizelementes 44 kann auf das Heizelement 44 eine mit 45 bezeichnete Schutzschicht mit aufgebracht
werden, die z.B. aus Aluminiumoxid bestehen kann. Die teiden Heizelemente 42 und 44 können in ihrer Leistung
einzeln geregelt werden, es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, wo eine gemeinsame Regelung ausreicht.
Bei Bedarf kann auf dem Sensor 11 im meßgasfernen Bereich
11/2 und/oder im meßgasnahen Bereich 11/1 ein nicht dargestelltes Thermoelement mit aufgebracht sein,
das auf die Regelung der Heizelemente 42, 44 einwirken
kann. Erwähnt sei zudem, daß anstelle der bevorzugten Anordnung von Meßelektrode 37 und Bezugselektrode 38 auf
einer einzigen Großfläche 36 diese beiden Elektroden 37
und 3S auf verschiedenen Großflächen 36, 40 aufgebracht
sein können.
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Claims (4)
1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen
von Brennkraftmaschinen, bei dem in einem Gehäuse ein Sensor fest und dicht eingebaut ist, der einen sauerstoff
ionenleitenden Festelektrolyten, wie z.B. stabilisiertes Zirkondioxid, eine auf diesem Festelektrolyten
aufgebrachte, dem Meßgas ausgesetzte, schichtförmige und
poröse Meßelektrode und eine mit Abstand von der Meßelektrode auf dem Festelektrolyten angeordnete, einem
Bezugsstoff wie z.B. Luftsauerstoff ausgesetzte, schichtförmige
und poröse Bezugselektrode besitzt, wobei der Sensor beheizbar ist und die Meß- und die Bezugselektrode
elektrische Anschlüsse haben, gekennzeichnet durch einen in dem Gehäuse (12) fixierten, plättchenförmigen Sensor
(11), dessen meßgasnaher Längsabschnitt (11/1) die ins Meßgas
ragende Meßelektrode (37) trägt und dessen meßgasferner Längsabschnitt (11/2) dem Bezugsstoff wie z.B. der ümgebungsluft
ausgesetzt ist und die Bezugselektrode (35) trägt,
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wobei im Gehäuse (12) eine Dichtung (16) angeordnet ist, die das Keßgas von der Bezugselektrode (38) und den Bezugsstoff
von der Meßelektrode (37) trennt, und daß zumindest die Bezugselektrode (38) mit einem Heizelement
(42) versehen ist, das bevorzugt als Schicht auf dem
Sensor (11) mit aufgebracht ist.
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßelektrode (37) und die
Bezugselektrode (38) bevorzugt auf der gleichen Großfläche (36) des Sensors (11) befinden.
3· Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (42) bevorzugt
auf der zweiten Großseite (40) des Sensors (11) aufgebracht ist und Heizelement (42) und Bezugselektrode
(38) dicht beieinanderliegen.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche
1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß er ein potentiometrischer
Meßfühler ist.
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