DE2937048C2 - Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen - Google Patents
Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von BrennkraftmaschinenInfo
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Description
50
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein
solcher Meßfühler, der in der DE-OS 25 47 683 beschrieben ist, nach dem potentiometrischen Prinzip arbeitet
und dessen beide Elektroden dem Meßgas ausgesetzt sind, liefert nur ein kleines Spannungssignal im
Vergleich zu einem elektrochemischen Meßfühler, dessen Bezugselektrode einem Bezugsstoff wie z. B. Luftsauerstoff
ausgesetzt ist.
Aus der DE-OS 27 29 475 ist ein solcher Meßfühler bekannt, dessen Bezugselektrode einem Bezugsstoff
wie Luftsauerstoff ausgesetzt ist, jedoch ein aufwendig herstellbares Festelektrolytrohr hat. wobei im Hohlraum
dieses Festelektrolytrohres ein separates, relativ teures Heizelement enthalten ist.
Vorgeschlagen wurde außerdem auch schon ein elektrochemischer
Meßfühler (DE-OS 29 07 032). bei dem sowohl die Meß- als auch die Bezugselektrode auf einem
Sensor mit plättchenförmigen Festclektrolyten angeordnet
und dem Meßgas ausgesetzt sind und der Sensor darüber hinaus mit einem Heizelement versehen ist.
welches leiterbahnartig ausgebildet und elektrisch von den beiden Elektroden auf dem Festelektrolyten mit
aufgebracht ist Der Sensor wird in dem Gehäuse des Meßfühlers mittels einer Dichtung in einen meßgasnahen
und einen meßgasfernen Längsabschnitt unterteilt und festgelegt und trägt dabei auf dem meßgasnahen
Längsabschnitt die Meß- und die Bezugselektrode.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs; hat demgegenüber den Vorteil, daß er mit bekannten, für die Großserienfertigung
gut geeigneten Technologien relativ preisgünstig hergestellt werden kann und ein stärkeres Signal
als die Sonde nach der DE-OS 25 47 683 bzw. der DE-OS 29 07 032 abgibt
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 Be-Schreibung
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemä-Ben elektrochemischen Meßfühler in vergrößerter Darstellung;
F i g. 2 die die Elektroden tragende Großfläche des Sensorelementes aus dem Meßfühler nach Fig. 1:
F i g. 3 die die Heizelemente tragende Großfläche des Sensors aus dem Meßfühler nach F i g. 1 und
F i g. 4 einen Querschnitt durch den Sensor nach der Schnittlinie A/B in F i g. 3 (weiter vergrößerte Darstellung).
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der in den F i g. 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 fest eingespannten keramischen Halterungen
14 und 15 mit Dichtung 16 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 i7 besteht aus Keramik,
kann jedoch auch aus einem anderen wärmebeständigen Werkstoff (z. B. 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 21 aufliegt, liegt
auf der oberen Seite dieses Flansches 22 die aus Keramik bestehende Halterung 15 auf, welche mittig eine
Durchlaßöffnung 23 und eine anschlußseh s weisende Tasche 24 zur Aufnahme der Dichtung 16 für den Sensor
11 besitzt Als Dichtung 16 können Kitt, Glas, keramische
Gläser oder ähnliches Verwendung finden; diese Dichtung 16, die zur Längsfixierung des Sensors 11 bevorzugt
durch ein Querloch 25 hindurchragt, unterteilt den Sensor 11 <n den meßgasnahen Längsabschnitt 11/1
und in den meßgasfernen Längsabschnitt 11/2. Die aus
Keramik bestehende Halterung 14 liegt mit ihrer Unterseite auf der Halterung 15 und auf der Dichtung 16 auf,
wobei die beiden Halterungen 15 und 16 in ihrem Berührungsbereich mittels eines Vorsprunges 26 zueinander
fixiert sind. An die Außenseite der Halterung 14 ist eine Schulter 27 mit angeformt, auf der der Bördelrand
28 des Gehäuses 12 aufliegt und den Meßfühler 10 zusammenhält Bei Bedarf kann zwischen die Aaßenschulter
27 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 14 ist im meßgasfernen Bereich
noch eine Fixiernute 30 mit eingeformt, die für das lagerichtige Aufstecken eines nicht dargestellten elektrischen
Anschlusses dient. In Verlängerung der Durchlaßöffnung 23 derHalterung 15 ist in der Halterung 14 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 U/3 des Sensors U hinein. Der Sensor U 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 14 führende Bohrung 34 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.
Der längliche, plättchenförmige Sensor 11 hat einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten wie z. B. stabilisiertes
Zirkondioxid als plattenförmigen Träger 35. auf dessen erster, in F i g. 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. 38' mit den zugehörigen im Sensor-Anschlußbcreich
U/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 Meßelektrode 37 sind von dem als Träger 35 dienenden Festelektrolyten
mittels einer Elektroisolierschicht 39 getrennt Während die Meßelektrode 37 im meßgasnahen-Längsabschnitt
U/1 des Sensors 11 angeordnet ist befindet sich die Bezugselektrode 38 im meßgasfernen
Längsabschnitt U/2, welcher dem nicht dargestellten,
als Bezugsstoff dienenden Luftsauerstoff der Umgebungsluft ausgesetzt ist Die Meßelektrode 37 wird bevorzugt
mit einer nicht dargestellten, porösen Schutzschicht abgedeckt welche für eine erhöht*. 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 U innerhalb des Meßfühlers 10. Anstelle eines vollständig aus
is einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten bestehenden
Trägers 35 kann auch ein inaktiver Träger Verwendung finden, der z. B. aus Aluminiumoxid besteht
und auf den eine dünnere Schicht aus sauerstoffionenleitem Festelektrolyten aufgebracht ist, welche nur den
meßgasnahen Längsabschnitt U/1 und den meßgasfernen 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 Festelektrolyt 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 polarographischer Meßfühler verwendet werden: für einen solchen Fall muß die Meßelektrode 37 noch
mit einer auf Sauerstoffmoleküle ansprechenden Diffusionsbarriere versehen werden, was z. B. durch Aufbringen
einer dünnen Schicht definierter Porösität 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 40 des Trägers 35 ist eine Elektroisolierschicht 41 aufgebracht die z. B. aus Aluminiumoxid
bestehen kann. Auf dieser Elektroisolierschicht 41 ist im meßgasfernen Längsabschnitt 11/2 des
Sensors 11 ein Heizelement 42 nach einem bekannten Verfahren wie Aufdrucken, Aufdampfen oder ähnlichem
aufgebracht, das der Bezugselektrode 38 zugeordnet und mittels Leiterbahnen 42' mit dem Anschlußbereich
U/3 des Sensors 11 in Verbindung steht; das Heizelement 42 mit seinen Leiterbahnen 42' besteht z. B. aus
so Platin. Auf dieses Heizelement 42 ist wiederum eine Elektroisolierschicht 43 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 U/l des
Sensors angeordnet und liegt gegenüber der Meßelektrode 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 beiden 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 U im meßgasfernen Bereich U/2 und/oder im meßgasnahen Bereich U/l
ein nicht dargestelltes Thermoelement mit aufgebracht sein, das auf die Regelung der Heizelemente 42,44 ein-
wirken 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 38 auf verschiedenen Großflächen 36,40 aufgebracht sein können.
beiden Elektroden 37 und 38 auf verschiedenen Großflächen 36,40 aufgebracht sein können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen {..
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Claims (4)
1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere
in Abgasen von Brennkraftmaschinen, bei dem in Längsrichtung in einem rohrförmigen Gehäuse ein
plättchenförmiger Sensor eingebaut ist, der mitteis einer quer im Gehäuse angeordneten Dichtung in
einen meßgasnahen und einen meßgasfernen Längsabschnitt gasdicht unterteilt und auch festgelegt ist,
einen sauerstoffionenleitenden, sich vom meßgasnahen
bis in den meßgasfernen Längssabschnitt des Sensors erstreckenden Festelektrolyten, wie z.B.
stabilisiertes Zirkondioxid hat, eine auf dem meßgasnahen Längsabschnitt dieses Festelektrolyten aufgebrachte,
dem Meßgas ausgesetzte, schichtförmige
poi öse Meßelektrode aufweist 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 elektrisehe
Anschlüsse haben, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bezugselektrode (38) auf dem meßgasfernen Längsabschnitt (11/2) des Sensors
(11) angeordnet und dem Bezugsstoff wie z. B. der Umgebungsluft ausgesetzt ist 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 3, dadurch gekennzeichnet, daß er
ein potentiometrischer Meßfühler ist.
45
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