DE2942494C2

DE2942494C2 -

Info

Publication number: DE2942494C2
Application number: DE2942494A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr. Friese; Friedrich Dr. 7250 Leonberg De Esper
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-10-20
Filing date: 1979-10-20
Publication date: 1987-07-02
Also published as: CA1155493A; FR2468121A1; IT1149249B; GB2061522A; DE2942494A1; FR2468121B1; JPS5666751A; IT8025445A0; SE8007303L; SE446228B; US4339320A; GB2061522B

Description

Stand der Technik

Elektrochemische Meßfühler mit ionenleitendem Festelektro lyten besitzen beispielsweise erst oberhalb 400°C eine für ihre Funktion praktisch genügende Ionenleitfähigkeit und werden in ihrer Funktion erst oberhalb von 500°C nicht mehr von in Abgasen enthaltendem Blei beeinträchtigt; das Ausgangssignal derartiger Meßfühler ist zudem von der Tem peratur des Festelektrolyten abhängig. Um die Ansprechzeit derartiger Meßfühler in kalten Gasen zu verkürzen, um ein praktisch gut auswertbares Ausgangssignal zu erreichen, um ihre Lebensdauer in bleihaltigen Abgasen von Brennkraft maschinen zu verbessern und um ihre Meßgenauigkeit zu er höhen, ist es zweckmäßig, wenn derartige Meßfühler mit Heizelementen ausgerüstet sind. Das Anbringen von Heiz elementen an solchen Meßfühlern ist auch dann angezeigt, wenn solche Meßfühler aus konstruktiven Gründen an sol chen Stellen des Brennkraftmaschinen-Abgasrohres ange ordnet werden müssen, an denen sich die Gase bereits ab gekühlt haben.

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gat tung des Hauptanspruchs, wie er auch bereits in der US-Pa tentschrift 35 97 345 beschrieben ist.

Dieser Meßfühler besitzt als Sensor ein einseitig mit einem Boden versehenes Festelektrolytrohr, um das mit Abstand ein rohrförmiger Träger für ein Widerstandsheizelement angeordnet ist; das Widerstandsheizelement befindet sich dabei auf der dem Festelektrolytrohr abgewandten Außenseite des Trägers. Nachteilig ist bei einem solchen Meßfühler, daß das Heiz element einer besonderen Wärmeisolation bedarf und der Wirkungsgrad dieses Heizelementes ziemlich schlecht ist. Im übrigen sei erwähnt, daß der in dieser US-Patentschrift beschriebene Meßfühler eine teure, wenig für eine Serien fertigung geeignete und nicht schüttelfeste Ausführungsform darstellt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Heizelement eine besonders günstige Ausnutzung sei ner Heizleistung ermöglicht, daß sich das Heizelement ohne wesentliche Änderung von heutzutage in Kraftfahrzeugen üb lichen derartigen Meßfühlern integrieren läßt und daß der mit einem solchen Heizelement versehene Meßfühler insgesamt einen robusten, schüttelfesten und relativ kostengünstigen Aufbau hat, welcher für eine Serienfertigung hervorragend geeignet ist.

Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers. Besonders vorteil haft ist, daß der Träger des Heizelementes gleichzeitig auch als Schutzrohr für das Festelektrolytrohr dienen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Meßfühler zur Bestim mung des Sauerstoffgehaltes in Gasen beschränkt, sie ist auch für alle solchen in Gasen angeordneten Meßfühler ver wendbar, deren Sensor temperaturabhängige Signale abgegeben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines elektrochemischen Meßfühlers mit ionenleitendem Fest elektrolytrohr näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Meßfühler gemäß der Erfindung in vergrößerter Darstellung und

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Bereich A des Sensors (Festelektrolytrohr, Heizele ment und Träger) aus der Fig. 1 in weiter vergrößerter Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 enthält einen Sensor 11 mit einem ionenleiten den Festelektrolytrohr 11′, das aus stabilisiertem Zirkon dioxid besteht, an seinem in ein nicht dargestelltes Abgas rohr ragenden Ende einen angeformten Boden 12 hat und an der Außenseite des meßgasfernen Endabschnitts einen ange formten Flansch 13 aufweist. Dieses Festelektrolytrohr 11′ ist auf seiner äußeren Oberfläche mit einer porösen Kata lysatorschicht (Platin) als Meßelektrode 14 versehen, die den von Abgasen umspülten Bereich, den Festelektrolytrohr- Flansch 13 und die meßgasferne Stirnfläche 15 des Festelek trolytrohres 11′ teilweise bedeckt; die Meßelektrode 14 ist in dem vom Meßgas umspülten Bereich mittels einer porösen Schutzschicht 16 (z. B. Magnesium-Spinell) abgedeckt, welche die Meßelektrode 14 gegen mechanische und thermische Angriffe der Meßgase schützen soll.

Auf der dem Innenraum 17 zugewendeten Oberfläche des Fest elektrolytrohres 11′ ist eine poröse, elektronenleitende Leitbahn als Bezugselektrode 18 aufgebracht, welche auch aus Platin bestehen kann und vom Festelektrolytrohr-Boden 12 bis auf die Festelektrolytrohr-Stirnfläche 15 verläuft; die auf der Stirnfläche 15 des Festelektrolytrohres 15 be findlichen Bereiche von Meßelektrode 14 und Bezugselektrode 18 stehen elektrisch nicht miteinander in Verbindung.

Das Festelektrolytrohr 11′ liegt mit der Unterseite seines Flansches 13 auf einer ringförmigen Dichtung 19, welcher aus verkupfertem, warmfestem Stahl besteht. Mit diesem Dicht ring 19 liegt das Festelektrolytrohr 11′ auf einer schulter förmigen Auflage 20, welche auf der Innenfläche 21 eines Heizelement-Trägers 22 gebildet ist. Dieser Heizelement- Träger 22 besteht bevorzugt aus keramischem Material (z. B. Aluminiumoxid) und ist koaxial um das Festelektrolytrohr 11′ angeordnet. Dieser Heizelement-Träger 22 ist 0,6 mm dick, umgibt rohrförmig das Festelektrolytrohr 11 und hat be vorzugterweise auch einen Boden 23, welcher mindestens ein Durchgangsloch 24 für das Meßgas aufweist. Auf der Innenfläche 21 dieses Heizelement-Trägers 22 verläuft ein Heizelement 25, und zwar als wendel- oder mäanderförmig verlaufender Draht oder auch als entsprechend verlaufende Schicht, dessen nicht dargestellte Anschlüsse bis auf die Stirnfläche 26 des Heizelement-Trägers 22 geführt sind. Das Heizelement 25 ist bevorzugterweise durch eine elek trisch isolierende Schutzschicht 27 abgedeckt, was der Lebensdauer dieses Heizelementes 25 dienlich ist, aber auch elektrische Kurzschlüsse infolge von Ablagerungen aus dem Meßgas vermeidet. Das Heizelement 25 wird mittels eines nicht dargestellten Keramikklebers am Heizelement- Träger 22 festgelegt, sofern er drahtförmig ist; wird das Heizelement 25 als Schicht auf die Innenfläche 21 des Heiz-Trägers 22 aufgebracht, so wird sie vorteilhafter weise durch Aufspritzen oder Aufwalzen einer Suspension mit leitfähigen Partikeln des Heizleitermaterials unter Zuhilfenahme einer Schablone darauf aufgebracht; auch durch Tauchen in eine entsprechende Suspension unter Zu hilfenahme einer geeigneten Schablone kann das Heizele ment 25 auf den Träger 22 aufgebracht werden. Bei der Be messung des Heizelementes 25 mit seinem Träger 22 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand des Heizelementes 25 zum beschichteten Festelektrolytrohr 11′ maximal 1 mm beträgt, bevorzugt sogar noch kleiner als 0,5 mm ist; im vorliegenden Beispiel hat das Heizele ment 25 vom beschichteten Festelektrolytrohr 11′ einen Ab stand von 0,4 mm. Das Festelektrolytrohr 11′, welches sich zu seinem Boden 12 hin verjüngt, hat dabei einen mittleren Durchmesser von 6 mm. Diese Anordnung eines Heizelementes 25 auf dem Träger 22, welcher bevorzugt nur zwischen 0,3 und 0,8 mm dick ist, ermöglicht eine besonders günstige Ausnutzung der Heizleistung.

Es sei erwähnt, daß anstelle eines keramischen Heizelement- Trägers 22 auch ein metallischer Träger Verwendung finden kann, der dann jedoch zumindest auf seiner das Heizelement 25 tragenden Innenseite mit einer Isolierschicht versehen sein muß oder bei dem das Heizelement 25 selbst mit einer Isolierschicht ummantelt sein muß.

Während im vorliegenden Beispiel der Heizelement-Träger 22 gleichzeitig ein Schutzrohr für den Festelektrolyten 11′ und seine Meßelektrode 14 bildet, kann alternativ auch noch ein zusätzliches, nicht dargestelltes Schutz rohr mit Durchgangsöffnungen koaxial um den Heizelement- Träger 22 angeordnet werden; in diesem Falle kann auf den Boden 23 des Heizelement-Trägers 22 verzichtet werden.

Auf der Außenseite des Heizelement-Trägers 22 ist eine Schulter 28 mit angeformt, die wiederum auf einer ring förmigen Dichtung 29 aufliegt, welche beispielsweise auch aus verkupfertem, warmfestem Stahl bestehen kann. Diese Dichtung 29 liegt auf einem Absatz 30 in der Durchgangs bohrung 31 eines metallischen Gehäuses 32 auf. Das Gehäuse 32 besteht aus warmfestem Metall, besitzt auf seiner Außen seite ein Einschraubgewinde 33 und ein Schlüsselsechskant 34 für den dichten Einbau des Meßfühlers 10 in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr und hat am meßgasfernen Endab schnitt auf der Außenseite einige Vertiefungen 35, in welche Einschernasen 36 einer dünnwandigen, metallischen Schutzhülse 37 eingerastet sind. Diese Schutzhülse 37 ist auf dem meßgasfernen Endabschnitt des Gehäuses 32 geführt und besitzt an seinem meßgasfernen Endabschnitt einen Boden 38, welcher einen zentralen Durchbruch 39 aufweist.

In die Gehäuse-Durchgangsbohrung 31 ragt ein keramischer Stützkörper 40, der beispielsweise aus Aluminiumoxid be stehen kann, eine Längsbohrung 41 aufweist und in zusätz lichen, nicht extra bezeichneten Längskanälen Anschluß drähte 42 für die Meßelektrode 14 und die Bezugselektrode 18 bzw. Anschlußdrähte 43 für das Heizelement 25 führt. Die Anschlußdrähte 42 und 43 ragen auf der meßgasfernen Seite aus dem Stützkörper 40 heraus, und sind auf der meß gasnahen Stirnfläche 44 des Stützkörpers 40 als Kontakt stücke 45 abgewinkelt; die Kontaktstücke 45 können dabei in nicht dargestellten Führungsnuten auf der Stützkörper- Stirnfläche 44 fixiert sein, sind aber auf jeden Fall der art angeordnet, daß zwischen den Elektroden-Anschlußdrähten 42 und den Heizelement-Anschlußdrähten 43 keine elektrische Verbindung vorliegt.

Auf der Außenseite des meßgasfernen Endabschnitts vom Stützkörper 40 ist ein Absatz 46 angeformt, auf dem eine Tellerfeder 47 aufliegt, wobei diese Tellerfeder 47 je doch noch über den Umfang des Stützkörpers 40 hinausragt. Diese Tellerfeder 47 wird durch den Schutzhülsen-Boden 38 unter mechanischer Vorspannung gehalten und bewirkt demzu folge einen sicheren und festen Zusammenhalt der Bauteile des Meßfühlers 10.

Anstelle der beschriebenen bevorzugten Befestigung des Heizelement-Trägers 22 am Meßfühler 10 können auch andere Befestigungsarten gewählt werden; es ist z. B. möglich, daß der Heizelement-Träger 22 direkt am meßgasnahen Endabschnitt des Gehäuses 32 mit bekannten Verfahren (z. B. Bördeln) festgelegt wird und die Anschlußdrähte separat weiterge führt werden, es besteht aber auch die Möglichkeit, den Heizelement-Träger 22 an der Außenseite des Festelektro lytrohres 11′ zu fixieren.

Die Erfindung ist auch nicht auf die Art der Abdichtung zwischen Festelektrolytrohr 11′ und Gehäuse 32 bzw. Heiz element-Träger 22 mittels verkupferter Stahlringe als Dichtelemente 29 beschränkt, es können alternativ auch andere Dichtungen Verwendung finden.

Die erfindungsgemäße Ausführung und Anordnung des Heiz elementes ist nicht auf Sensoren beschränkt, die einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten als meßgasseits geschlossenes Rohr und mit einer einem Bezugsstoff ausge setzten Bezugselektrode besitzt, sie kann auch für der artige Sensoren Verwendung finden, bei denen beide Elek troden dem Meßgas ausgesetzt sind (DE-OS 25 47 683); auch ist es für die Erfindung ohne Bedeutung, ob die Meßfühler nach dem potentiometrischen oder dem polarographischen Meßprinzip arbeiten (DE-OS 27 11 880). Auch für Sensoren mit Halbleitern (z. B. TiO₂) ist die Erfindung gut geeig net (DE-OS 28 17 873, DE-OS 28 34 671, DE-OS 25 35 500); die erforderlichen Anpassungen sind nur handwerklicher Art. Sogar für die Anwendung bei Sensoren zum Bestimmen des Rußanteils in Gasen ist die Erfindung vorteilhaft (DE- Patentanmeldung P 28 36 002).

Claims

1. Beheizbarer Meßfühler für Bestandteile von Gasen, ins besondere für Bestandteile von Abgasen von Brennkraftma schinen, mit einem Sensor, dessen Funktion temperaturab hängig ist und der von einem Heizelement umgeben ist, welches auf einem rohrförmigen Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Heizelement (25) auf der Innenfläche (21) des Trägers (22) befindet, dessen Wand bevorzugt nur zwischen 0,3 und 0,8 mm dick ist, und daß der Abstand des Heizelementes (25) zum beschichteten Festelektrolytrohr (11′) maximal 1 mm, bevorzugt sogar weniger als 0,5 mm beträgt.

2. Beheizbarer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß er als elektrochemischer Meßfühler zur Be stimmung des Sauerstoffgehaltes einen in einer Durchgangs bohrung (31) eines Gehäuses (32) festgelegten Sensor (11) hat, der einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (11′) aufweist, auf welchem eine Meßelektrode (14) und eine Bezugselektrode (18) mit Abstand voneinander ange ordnet sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Heizelement (25) wendel- oder mäanderförmig auf der Innenfläche (21) des Trägers (22) angeordnet und bevorzugt ein derart geformter Draht ist.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der rohrförmige Heizelement-Träger (22) an seinem meßgasseitigen Ende einen Boden (23) und minde stens ein Durchgangsloch (24) für das Meßgas hat.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Heizelement-Träger (22) mit einer Schulter (28) auf einem Absatz (30) in der Durchgangsboh rung (31) des Gehäuses (32) aufliegt und zwischen Heizele ment-Träger (22) und Durchgangsbohrungs-Absatz (30) eine Dichtung (29) angeordnet ist.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizelement-Träger (22) an seiner Innenfläche (21) eine Auflage (20) besitzt, auf welcher ein Festelektrolyt rohr-Flansch (13) aufliegt und daß zwischen Heizelement- Träger-Auflage (20) und Festelektrolytrohr-Flansch (13) eine Dichtung (19) angeordnet ist.