DE2938179A1

DE2938179A1 - Polarographischer messfuehler zum messen der sauerstoffkonzentration in gasen, insbesondere in abgasen von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2938179A1
Application number: DE19792938179
Authority: DE
Inventors: Barbara Beyer; Hermann Dipl Chem Dr Dietz; Karl Hermann Dipl Phys Friese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1981-04-09
Also published as: US4305803A; DE2938179C2; JPS5654345A

Description

Ή- ^R· 572 9

5.9.1979 Zr/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Polarographischer Meßfühler zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs; ein solcher Meßfühler, der bereits aus der DE-OS 27 11 88O bekannt ist und dessen im Innenraum des Sensors angeordnete Gegenelektrode einem Bezugsgas ausgesetzt werden muß, weist erhebliche Probleme bei der Abdichtung zwischen dem Halterohr einerseits und der Diffusionsbarriere bzw. dem Festelektrolyten andererseits auf. Darüber hinaus treten bei einem solchen Sensor beträchtliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Wärmeausdehnung der im Meßbereich befindlichen Komponenten (Halterohr, Diffusionsbarriere, Festelektrolyt, Meßelektrode, Bezugselektrode) wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf; auch die Kontaktierung zwischen der Meßelektrode, der Bezugselektrode und den zugeordneten Leiterbahnen ist wegen der hohen Wärmebeanspruchung stets in der Funktionssicherheit gefährdet. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sei auch noch auf die DE-OS 27 29 ^75 hingewiesen, in der ein potentio-

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metrischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes beschrieben ist; der in dieser deutschen Offenlegungsschrift beschriebene Meßfühler hat einen an der Gegenelektrode anliegenden, federbelasteten Druckkontakt, welcher zusätzlich noch mit einem aufwendigen Heizelement versehen ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die geschilderten Abdichtprobleme entfallen, daß außerdem keine Schwierigkeiten wegen des unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der einzelnen Bauteile auftreten und daß außerdem auch die im warmen Bereich des Meßfühlers befindlichen elektrischen Verbindungen funktionssicher sind; zusätzlich trägt der Meßfühler im Meßbereich ein Heizelement, das mittels moderner Technologien für die Massenfertigung hergestellt und am eigentlichen Meßfühler montiert werden kann. 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 meßgasnahen Endabschnitt des Meßfühlers in vergrößerter Darstellung und Figur 2 einen Querschnitt durch den Meßfühler in Figur 1 nach der Linie A/B.

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Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Figuren 1 und 2 ist der meßgasnahe Endabschni^ eines polarographischen Meßfühlers 10 dargestellt, bei dem bekanntlich die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen durch Auswertung des sogenannten Diffusionsgrenzstromes erfolgt; auf die Beschreibung der Zusammenhänge, nach denen sich dieser Diffusionsgrenzstrom ergibt, wurde verzichtet, weil sie bereits in der DE-OS 19 54 663 und der bereits genannten DF-OS 27 11 880 erläutert sind. Auch auf die Darstellung und Beschreibung des meßgasfernen Eereichs dieses Meßfühlers 10 wurde verzichtet, weil er prinzipiell aus verschiedenen Veröffentlichungen bereits bekannt ist (z.B. aus der DE-OS 27 29 475 oder der deutschen Gebrauchsmusterschrift 75 22 599)·

Das im nicht dargestellten Gehäuse des Meßfühlers IC befestigte Halterohr 11 besteht aus Keramik wie z.E. Aluminiumoxid und braucht nicht gasundurchlässig sein; das Halterohr 11 hat einen äußeren Durchmesser von 8 mn, eine V.'anddicke von 0,8 mm und besitzt am meßgasnahen Endabschnitt einen angeformten Boden 12 von 0,6 mm Dicke. In diesem Boden befindet sich mittig eine Öffnung 13 mit einem lichten Durchmesser von 4 mm. Auf der zum Innenraum 14 des Halterohres zugewendeten Seite des Bodens 12 ist um diese öffnung 13 als elektrische Zuleitung 15 zum nicht dargestellten Anschlußbereichdes Meßfühlers 10 eine Leiterbahn aus Platin nach einem bekannten Verfahren aufgebracht. An dem um die Bodenöffnung 13 verlaufenden Bereich dieser Leiterbahn 15» die bevorzugt aus Platin besteht, legt sich die ebenfalls aus Platin bestehende Meßelektrode 16 an, die etwa 10 /um dick ist und auf einem

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plättchenförmigen Festelektrolyten 17 bevorzugt durch ein bekanntes Druckverfahren aufgebracht ist; zwischen dem Randbereich dieser die Festelektrolytplatte 17 abdekkenden Meßelektrode 16 und der Festelektrolytplatte 17 ist eine dünne, gasundurchlässige Schicht 18 aufgebracht, welche z.B. aus Glas bestehen kann und auf der Festelektrolytplatte 17 einen kleineren Bereich freiläßt als die Fläche der Halterohr-Bodenöffnung 13 beträgt. Die Festelektrolytplatte 17 besteht bevorzugt aus stabilisiertem Zirkondioxid, hat einen Durchmesser von 5,6 mm und ist etwa 1 mm dick. Zwischen der Seite der Festelektrolytplatte 17 und der Innenseite 19 des Halterohres 11 verbleibt somit ein Spalt 19'als Wärmeausdehnungsfuge. Auf der Keßelektrode 16 ist eine etwa 0,5 mm dicke Schicht 20' aus Magnesium-Spinell aufgebracht, die in die Halterohr-Bodenöffnung 13 ragt und für Sauerstoffmoleküle einen definierten Diffusionswiderstand bildet; diese Diffusionsschicht 20 wird bevorzugt durch Plasmaspritzen auf der Meßelektrode 16 aufgebracht.

Auf der dem Halterohr-Innenraum I¹I zugewendeten Großfläche der Festelektrolytplatte 17 ist eine Gegenelektrode 21 nach einem bekannten Verfahren wie Aufdrucken oder Aufdampfen aufgebracht, die wie die Meßelektrode 16 auch gasdurchlässig ist, auch aus Platin bestehen kann und der Meßelektrode 16 gegenüber angeordnet ist. Die Festelektrolytplatte 17 mit der Meßelektrode 16, der gasundurchlässigen Schicht l8, der Diffusionswiderstandsschicht und der Gegenelektrode 21 bilden somit ein gemeinsames, im Halterohr 11 leicht montierbares Bauteil 22. An der Gegenelektrode 21 dieses Bauteils 22 liegt der Kopf 23 eines Druckkontaktes 2^ an, der in bekannter Weise (siehe DEOS 27 29 ^75) die zweite elektrische Verbindung

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zum Meßsystem bildet und durch eine nicht dargestellte, vorgespannte Druckfeder gegen die Gegenelektrode 21 gedrückt wird; ein solcher Druckkontakt 2H kann beispielsweise aus versilbertem zunderfestem Material bestehen und einen Durchmesser von 2 mm haben.

Auf der meßgasnahen Seite 25 des Halterohrbodens 12 ist eine Heizeinrichtung 26 befestigt: Sie besteht aus einem Wärmespeicherplättchen 27 mit Durchtrittslöchern 28 für das Meßgas und einem aufgedruckten Heizelement 29. Das Heizelement 29 verläuft mäanderförmig auf dem Wärmespeicherplättchen 27 j und zwar bevorzugt in demjenigen Bereich, unter dem sich die Bodenöffnung 13 des Halterohres 11 befindet; das Heizelement, welches beispielsweise aus Platin besteht und der Diffusionswiderstandsschicht 20 für Sauerstoffmoleküle zugewendet ist, ist mittels zweier Leiterbahnen 30 und 30' mit dem Randbereich des Wärmespeicherplättchens 27 elektrisch verbunden. Der Durchmesser des Wärmespeicherplättchens 27 entspricht etwa dem Außendurchmesser des Halterohres 11 und die zum Heizelement 29 führenden Leiterbahnen 30 und 30' kommen somit auf Leiterbahnnasen 31 bzw. 31' zu liegen, welche einen Teil der meßgasnahen Seite 25 des Halterohrbodens 12 bedecken und als Leiterbahnen 32 bzw. 32' an der Außenseite des Halterohres 11 zum nicht dargestellten Anschlußbereich des Meßfühlers 10 verlängert sind. Das Wärmespeicherplättchen 27, was beispielsweise aus gesintertem Zirkondioxid oder Aluminiumoxid bestehen kann und 0,8 mm dick ist, ist mittels eines bekannten Keramikklebers am Halterohrboden 12 befestigt.

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Es sei erwähnt, daß der Innenraum I^ des Halterohres gegenüber dem Meßgas nicht abgedichtet sein muß und daß sogar das Halterohr 11 selbst mit mindestens einem nicht dargestellten Durchtrittsloch für das Meßgas versehen sein kann. Will man jedoch aus bestimmten Gründen das Potential der Gegenelektrode 21 durch ein Referenzgas (z.B. Luft) festlegen, kann das Bauteil 22 mittels bekanntem Dichtelement bzw. Dichtstoff es gasdicht in das Halterohr 11 eingebaut und der Innenraum 14 dem Referenzgas ausgesetzt werden.

Anstelle eines Halterohres 11 aus einem elektrisch nicht leitenden Material wie z.B. Keramik kann auch ein Halterohr aus Metall Verwendung finden: In diesem Fall kann das metallische Halterohr die Leiterbahn 15 zur Meßelektrode 16 ersetzen, andererseits müssen das Heizelement 29 mit den Leiterbahnen 30 und 30' und auch die Leiterbahnnasen 31 und 31' und die Leiterbahn 32 und 32' auf diesem Halterohr mittels Isolierschichten vom metallischen Halterohr 11 getrennt werden.

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Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Ansprüche

'\ 1.} Poiarographischer Meßfühler zum Messen der Sauerstoffkonzentration in Gasen, insbesondere in Gasen von Brennkraftmaschinen, mit einer gasdurchlässigen Meßelektrode, welche durch eine Schicht definierten Diffusionswiderstandes für Sauerstoffmoleküle dem Meßgas ausgesetzt ist, und mit einer gasdurchlässigen, ebenfalls dem Meßgas ausgesetzten Gegenelektrode und außerdem mit einem zwischen der Meßelektrode und der Gegenelektrode angeordneten Sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, welcher plättchenförmig ist und im Innern eines Halterrohres derart quer zu einer Halterohr-Bodenöffnung liegt, daß die von der Diffusionswiderstandsschicht bedeckte Meßelektrode der Halterohr-Bodenöffnung zugewendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (l6) am Rande der Festelektrolytplatte (17) auf einer gasundurchlässigen Schicht (18) aufgebracht ist und auf einer zum Anschlußbereich des Meßfühlers (10) führenden, elektrischen Zuleitung (15) aufliegt, daß außerdem die Gegenelektrode

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QRIGiNAL INSPECTED

(21) mit dem Anschlußbereich des Meßfühlers (10) über einen federbelasteten Druckkontakt (23, 24) in elektrischer Verbindung steht, welcher zugleich den plättchenförmigen Festelektrolyten (17) einschließlich der Meßelektrode (16), der Gegenelektrode (21) und der Diffusionswiderstandsschicht (20) gegen den mit der Öffnung (13) versehenen Halterohrboden (12) drückt, und daß mindestens der über der Halterohr-Bodenöffnung (13) befindliche Bereich des Halterohrbodens (12) mittels einer Wärmespeicherplatte (27) bedeckt ist, auf welcher ein der Diffusionswiderstandsschicht (20) zugewendetes, schichtförmiges Heizelement (29) angeordnet ist und durch welche Oberhalb der Bodenöffnung (13) des Halterohres (11) Durchtrittslöcher (28) für das Meßgas führen.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen (30, 30', 31, 31') für das Heizelement (29, 3O₃ 30') von Leiterbahnen gebildet werden, die auf den Außenseiten des Halterohres (11) elektrisch isoliert aufgebracht sind.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterohr (11) aus Keramik besteht (z.B. aus Aluminiumoxid) und die elektrische Zuleitung (15) zur Meßelektrode (16) bevorzugt eine auf

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der Innenseite (19) des Halterohres (11) aufgebrachte Leiterbahn ist.
4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem plättchenförmigen Festelektrolyten (17) und der Innenseite (19) des Halterohres (11) ein Spalt (19')verbleibt.

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