DE3025670A1 - OXYGEN SENSOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
OXYGEN SENSOR AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Description
- 8 HOEGER, STELLRECHi & PARTNER- 8 HOEGER, STELLRECHi & PARTNER
A 44 234 b Anmelder: UOP Inc.A 44 234 b Applicant: UOP Inc.
k - 177 Ten UOP Plazak - 177 Ten UOP Plaza
7. JuIi 1980 Algonquin & Mt. ProspectJuly 7, 1980 Algonquin & Mt. Prospect
RoadsRoads
Des Piaines, Illinois 60016Des Piaines, Illinois 60016
USAUnited States
Sauerstoffsensor und Verfahren zu seiner HerstellungOxygen sensor and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor mit einem Keramikrohr und einer in dieses quer zur Längsachse dichtend eingesetzten, eine Bezugsse j. te und eine Messeite aufweisenden, dünnen Scheibe aus einem stabilisierten, festen Elektrolyten, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sauerstoffsensors. The invention relates to an oxygen sensor with a ceramic tube and one in this transverse to the longitudinal axis sealingly inserted, a reference point j. te and one measuring side, thin disk made of one stabilized, solid electrolyte, as well as a method for the production of such an oxygen sensor.
Die Erfindung betrifft also Sauerstoffsensoren desjenigen Typs, bei dem eine Scheibe aus einem stabilisierten festen Elektrolyten in einem Keramikrohr aus einem nicht-elektrolytischen Material angeordnet ist. Bei solchen Sensoren haben sich zwei Problembereiche ergeben, die darin zu sehen sind, daß es einerseits Schwierigkeiten bereitet, eine hermetische Abdichtung zwischen Rohr und Scheibe zu erreichen, und andererseits mit Problemen verbunden ist, mit den dünnen Platinelektroden auf den Hauptflächen der Scheibe Zuleitungen zu verbinden. Obwohl für jedes dieser Probleme einzeln angemessene Lösungen entwickelt wurden, muß für die Herstellung einer kompletten Sensoranordnung immer noch eine beträchtliche Anzahl zeitraubender Operationen durchgeführt werden. Beispielsweise beschreibt die US-PS 4 119 513 einen Sensor, der ausserordentliche genaue Messpannungen liefert undThe invention thus relates to oxygen sensors of the type in which a disk consists of a stabilized solid electrolyte is arranged in a ceramic tube made of a non-electrolytic material. With such sensors, two have mutually Problem areas arise that are to be seen in the fact that on the one hand it presents difficulties, a hermetic To achieve sealing between pipe and disc, and on the other hand associated with problems is to connect leads to the thin platinum electrodes on the main surfaces of the pane. Although adequate solutions have been developed for each of these problems individually, there must be manufacturing a complete sensor assembly is still a significant number of time consuming Operations are performed. For example, US Pat. No. 4,119,513 describes a sensor which delivers extraordinarily accurate measuring voltages and
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bei dem Zuleitungen aus einem Metall der Platinmetallgruppe, welche zu den aus einem ebensolchen Metall bestehenden Elektroden führen, sich über die gesamte Länge des Rohres erstrecken,und zwar eine an der Innenwand und eine an der Aussenwand, wobei die aussenliegende Zuleitung über das Messende des Rohres hinweg zu der Messelektrode geführt ist. Die Scheibe wird dabei durch eine Dichtung aus einer Glasfritte festgehalten, welche sich als recht befriedigend erwiesen hat und welche - wie Versuche gezeigt haben - gegen Temperatürschocks bei Temperaturen bis zumindest 7000C unempfindlich ist. Weiterhin beschreibt die US-PS 4 123 344 einen scheibenförmigen Elektrolyten, welcher in einem Keramikrohr festgelegt wird, während dieses beim Brennen schrumpft. Die Scheibe liegt dabei in einer Aussparung und besitzt eine innere und eine äussere Zuleitung, an deren Anschlußstelle! unterschiedliche Materialien zusammentreffen, sowie gewisse zusätzliche, dem Zusammenbau dienende Elemente. Im allgemeinen erzwingt die geringe Schrumpfung, die sich bei den meisten Keramikmaterialien zeigt, sehr enge Toleranzen für den Aussendurchmesser der Scheibe und den Innendurchmesser der Senkbohrung, in der die Scheibe gemäß den Lehren der genannten Patentschrift gehaltert ist. Ausserdem dürfen beim Einsatz von Dichtungen aus einer Glasfritte praktisch keinerlei Materialfehler vorhanden sein, wenn zwischen den dichtend miteinander zu verbindenden Oberflächen eine gasdichte Abdichtung erreicht werden soll.in the case of the supply lines made of a metal of the platinum metal group, which lead to the electrodes made of such a metal, extend over the entire length of the tube, namely one on the inner wall and one on the outer wall, the outer supply line over the measuring end of the tube is led away to the measuring electrode. The pulley is held by a seal made of a glass frit, which has proved to be quite satisfactory and which - as experiments have shown - against Tempera door shocks at temperatures up to at least 700 0 C is insensitive. Furthermore, US Pat. No. 4,123,344 describes a disk-shaped electrolyte which is fixed in a ceramic tube while it shrinks during firing. The disk lies in a recess and has an inner and an outer supply line at their connection point! different materials come together, as well as certain additional elements used for assembly. In general, the low shrinkage exhibited by most ceramic materials imposes very tight tolerances on the outside diameter of the disk and the inside diameter of the counterbore in which the disk is held in accordance with the teachings of the cited patent. In addition, when using seals made of a glass frit, there must be practically no material defects whatsoever if a gas-tight seal is to be achieved between the surfaces to be connected to one another in a sealing manner.
Ausgehend vom Stände der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen rohrförmigen Sauerstoff-The invention is based on the state of the art is based on the task of creating a tubular oxygen
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sensor mit einer Scheibe aus einem Festelektrolyten anzugeben, welcher schnell und wirtschaftlich zusammengebaut werden kann und welcher hinsichtlich der Abmessungen des Rohres und der darin dichtend festzulegenden Scheibe große Toleranzen aufweist.sensor with a disk made of a solid electrolyte, which can be assembled quickly and economically can be and which in terms of the dimensions of the pipe and the sealing to be determined therein Disc has large tolerances.
Diese Aufgabe wird bei einem Sauerstoffsensor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Aussendurchmesser der Scheibe zumindest bezüglich der axial im Abstand voneinander befindlichen Rohrbereiche, die unmittelbar an die beiden Seiten der Scheibe angrenzen,grosser ist als der Innendurchmesser des Rohrs, dass der Aussendurchmesser des Rohrs in der Ebene der Scheibe grööser ist als in unmittelbar angrenzenden quer zur Längsachse des Rohrs verlaufenden Ebenen und dass die Unterschiede in den Durchmessern ausreichend groß sind, um die Scheibe in dem Rohr in einem Temperaturbereich von mindestens etwa 260 bis 11000C hermetisch dichtend festzulegen.This object is achieved according to the invention in an oxygen sensor of the type described at the outset in that the outer diameter of the disc is greater than the inner diameter of the pipe, at least with respect to the axially spaced apart pipe regions that directly adjoin the two sides of the disc, that the outer diameter of the tube is larger in the plane of the disk than in immediately adjacent planes running transversely to the longitudinal axis of the tube and that the differences in the diameters are sufficiently large to hermetically seal the disk in the tube in a temperature range of at least about 260 to 1100 ° C to be determined.
Dabei wird zusätzlich angestrebt, auf schnelle und einfache Weise eine Verbindung zwischen den Elektroden der Scheibe und den Zuleitungen herzustellen, welche dabei gegen Beschädigungen geschützt sein sollen und welche ausserdem aus demselben Material wie die Elektroden hergestellt werden können, um die Entstehung von Sekundärspannungen Undefinierter Größe zwischen unterschiedlichen, aneinandergrenzenden Metallen zu vermeiden.An additional aim is to establish a connection between the electrodes in a quick and simple manner the disk and the supply lines, which are protected against damage should and which can also be made of the same material as the electrodes in order to the emergence of secondary stresses of undefined size between different, adjacent ones Avoid metals.
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Dieses zusätzliche Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der überwiegende Teil der Messeite der Scheibe und ein erster schmaler Umfangsbereich derselben mit einer ersten kontinuierlichen porösen Elektrodenschicht beschichtet ist, dass der überwiegende Teil der Bezugsseite der Scheibe und ein zweiter, schmaler Umfangsbereich derselben, welcher in Umfangsrichtung gegenüber dem ersten Umfangsbereich versetzt ist, mit einer zweiten, kontinuierlichen, porösen Elektrodenschicht beschichtet sind, dass die Messeite und die Bezugsseite in den Bereichen, die unmittelbar an die beschichteten Umfangsbereiche angrenzen, keine Elektrodenbeschichtung aufweisen, dass an der Innenwand des Keramikrohrs ein erster und ein zweiter, in axialer Richtung verlaufender leitfähiger Streifen vorgesehen ist, dass die leitfähigen Streifen, ausgehend vom Bezugsende des Rohres, mindestens bis zum Rand der Messeite der Scheibe reichen und dass von den beiden leitfähigen Streifen der eine mit dem zweiten beschichteten Ümfangsbereich und der andere mit dem ersten beschichteten Ümfangsbereich fluchtet, derart, dass die leitfähigen Streifen und die beschichteten Umfangsbereiche in engem elektrischen und mechanischen Kontakt miteinander stehen.This additional problem is thereby solved in accordance with the invention solved that the predominant part of the measuring side of the disc and a first narrow circumferential area the same is coated with a first continuous porous electrode layer that the predominant part of the reference side of the disc and a second, narrow peripheral area of the same, which in the circumferential direction with respect to the first circumferential area is offset, coated with a second, continuous, porous electrode layer are that the measuring side and the reference side in the areas that directly adjoin the coated peripheral areas do not have any electrode coating that on the inner wall of the ceramic tube a first and a second conductive strip extending in the axial direction are provided is that the conductive strips, starting from the reference end of the tube, at least to the edge of the The measuring side of the disc is enough and that of the two conductive strips one is coated with the second Circumferential area and the other is aligned with the first coated circumferential area such that the conductive strips and the coated peripheral areas in close electrical and mechanical contact stand together.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sauerstoffsensors anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.The invention is also based on the object of a method for producing such an oxygen sensor to specify. This object is achieved according to the invention by the method according to claim 9.
Im einzelnen wird bei einem Sauerstoffsensor gemäß der Erfindung und bei dem Verfahren zu seiner Her-In detail, in an oxygen sensor according to the invention and in the method for its manufacture
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Stellung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Scheibe verwendet, die auf dem überwiegenden Teil ihrer Hauptfläche, sowohl auf der Messeite wie auch auf der Bezugsseite, mit einer durchgehenden Elektrodenbeschichtung versehen ist, wobei jede Elektrodenbeschichtung in ein schmales Band bzw. einen Streifen an der Kante bzw. am Umfang der Scheibe ausläuft. Die schmalen Kontakt- bzw. Elektrodenstreifen sind dabei im Abstand voneinander vorgesehen und liegen einander vorzugsweise diametral gegenüber. Ausserdem wird sowohl auf der Messeite wie auch auf der Bezugsseite der Scheibe ein kleiner Bereich freigelassen bzw. nicht beschichtet, welcher unmittelbar an den schmalen Streifen angrenzt, der einstückig mit der Elektrodenbeschichtung der gegenüberliegenden Seite verbunden ist. Weiterhin wird eine Beschichtung aus leitendem Material, vorzugsweise aus demselben Material, aus dem die Elektrodenbeschichtungen hergestellt sind, in Form zweier Streifen auf die Innenwand des Rohres aufgebracht. Die Scheibe wird dann auf einem Sockel plaziert, woraufhin über Scheibe und Sockel das ungebrannte Rohr geschoben wird, welches dann beim Brennen schrumpfen kann, um zusammen mit der Scheibe einen Sitz mit Übermaß zu bilden. Die Scheibe ist vorgesintert und besteht vorzugsweise aus mit Yttrium stabilisierten Zirkon, während das Rohr vorzugsweise aus Fosterit hergestellt ist, welcher beim Brennen mit einer Temperatur von etwa 13000C eine Schrumpfung um etwa 25 % erleidet. Befriedigende Ergebnisse wurden erzielt, wenn der Innendurchmesser des ungebrannten Keramikrohres um etwa 20 % grosser war als der Aussendurchmesser der Scheibe (Innendurchmesser ca. 11,6 mm; Aussendurchmesser ca. 9,65 mm).Position according to a preferred embodiment of the invention, a disk is used which is provided on the predominant part of its main surface, both on the measurement side and on the reference side, with a continuous electrode coating, each electrode coating in a narrow band or a strip on the edge or runs out at the periphery of the disc. The narrow contact or electrode strips are provided at a distance from one another and are preferably diametrically opposite one another. In addition, a small area is left free or not coated both on the measurement side and on the reference side of the pane, which area directly adjoins the narrow strip which is integrally connected to the electrode coating on the opposite side. Furthermore, a coating of conductive material, preferably of the same material from which the electrode coatings are made, is applied in the form of two strips to the inner wall of the pipe. The disk is then placed on a base, whereupon the unfired tube is pushed over the disk and base, which can then shrink during firing in order to form an oversized seat together with the disk. The disk is pre-sintered and is preferably made of yttrium-stabilized zirconium, while the tube is preferably made of fosterite, which shrinks by about 25% when fired at a temperature of about 1300 ° C. Satisfactory results were achieved when the inside diameter of the unfired ceramic tube was about 20% larger than the outside diameter of the disk (inside diameter approx. 11.6 mm; outside diameter approx. 9.65 mm).
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Ferner wurden die Elektroden und die Zuleitungen vorzugsweise aus einer Platinpaste hergestellt, deren als Bindemittel verwendete Glasfritte einen Schmelzpunkt hatte, der etwa 35 bis 95°C unter der Brenntemperatur für das Rohr lag. Bei dieser Ausgestaltung schrumpft das Rohr während des Brennens so, dass mit der Scheibe ein Sitz mit einem Übermaß von etwa 5 % entsteht, was im Bereich der Scheibe zu einer schwachen Auswölbung der Rohrwandung führt. Das Rohr wird beim Brennen ebenfalls "glasig", so dass eine dichtende mechanische Verbindung mit der Scheibe sowohl aufgrund der"Verglasung" als auch aufgrund des Druckes der Passung zustande kommt.Furthermore, the electrodes and the leads were preferably made of a platinum paste, as The glass frit used as the binder had a melting point that was about 35 to 95 ° C below the firing temperature for the pipe lay. In this configuration, the tube shrinks during the burning so that with the disc a seat with an oversize of about 5% results, which leads to a slight bulge in the area of the disc the pipe wall leads. The pipe is also "glassy" when burning, so that a tight mechanical connection with the pane both due to the "glazing" and due to the pressure of the fit comes.
Der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Sauerstoffsensor kann ausserdem eine Heizvorrichtung enthalten. Eine solche Heizvorrichtung ermöglicht es, dass der Sensor bei einer konstanten Temperatur arbeitet, die etwas über der Maximaltemperatur bei dem Verfahren liegt, bei dem der Sensor eingesetzt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist das Sensorausgangssignal direkt mit der bekannten Nernst-Gleichung verknüpft und kann den prozentualen Sauerstoffanteil anzeigen, ohne dass die Notwendigkeit bestünde, eine komplizierte Schaltung vorzusehen, welche den Einfluss der Temperaturänderung auf das Messergebnis berücksichtigt. Die Heizvorrichtung kann dabei in der rohrförmigen Wand des Keramikrohres in radialer Richtung angrenzend an den scheibenförmigen Festelektrolyten angeordnet werden.The oxygen sensor produced according to the method described above can also be a heating device contain. Such a heating device allows the sensor to be at a constant temperature works that is slightly above the maximum temperature in the process in which the sensor is used will. In this embodiment, the sensor output signal is direct with the well-known Nernst equation linked and can display the percentage of oxygen without the need to to provide a complicated circuit, which the influence of the temperature change on the measurement result considered. The heating device can be in the tubular wall of the ceramic tube in the radial direction be arranged adjacent to the disk-shaped solid electrolyte.
Bei einem bevorzugten Ausfüurungsbeispiel wird ein Sauerstoffsensor mit einem Festelektrolyten durch Auf-In a preferred exemplary embodiment, an oxygen sensor with a solid electrolyte is
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schrumpfen eines Keramikrohres hergestellt, wobei in der Rohrwandung Heizeinrichtungen dichtend eingebaut sind und wobei eine dichtende Verbindung zwischen dem Rohr und einer Scheibe aus dem Festelektrolyten hergestellt wird.shrinking of a ceramic tube produced, with heating devices installed in a sealing manner in the tube wall are and a sealing connection between the tube and a disk made of the solid electrolyte will.
Das Keramikmaterial ist vorzugsweise Fosterit, dessen thermische Dehnung eng an die thermische Dehnung von mit Yttrium stabilisiertem Zirkondioxid angepaßt ist, welches ein üblicher Festelsktrolyt ist. DerThe ceramic material is preferably fosterite, its thermal expansion closely matched to the thermal expansion of yttrium stabilized zirconia is which is a common solid electrolyte. Of the
Fosteritkörper wird mit einem Aussendurchmesser von etwa 25,4 mm und mit einer Mittelöffnung von etwa 9,45 mm extrudiert, welche von einer Anzahl engerer Kanäle umgeben ist, die einen Durchmesser von etwa 3,15 mm besitzen und zur Aufnahme von Heizelementen geeignet sind. Die Anzahl der Kanäle kann dabei in einem breiten Bereich, beispielsweise zwischen etwa 4 und 12 schwanken, wobei offensichtlich eine grössere Anzahl von Kanälen zu einer gleichmässigeren Beheizung der Platte oder Scheibe aus dem Festelektrolyten führt. Wenn der Fosterit getrocknet, aber noch ungebrannt und leicht bearbeitbar ist, dann wird das Rohr auf Länge geschnitten. Ausserdem wird in der Aussenwand des Rohres eine Ringnut mit einer Breite von etwa 3,15 mm hergestellt, deren Tiefe etwa gleich der Tiefe der am weitesten innenliegenden Punkte der in Umfangsrichtung der Rohrwand verteilten Kanäle ist. Ausserdem wird in die Stirnfläche des Messendes des Rohres eine zweite Nut eingeschnitten, die einen Durchmesser hat, welcher dem Durchmesser des Kreises bzw. Kreisringes entspricht, welcher die Kanäle enthält. Die beiden Nuten bieten Platz für die Bögen einer Heizwicklung, welche in die Kanäle eingefülltFosterite body has an outside diameter of about 25.4 mm and a central opening of about 9.45 mm extruded, which is surrounded by a number of narrower channels that are about 3.15 mm in diameter and are suitable for receiving heating elements. The number of channels can vary widely Range, for example between about 4 and 12, obviously a larger number of channels leads to more even heating of the plate or disk made of the solid electrolyte. If the fosterite is dry but still unfired and easy to work with, then the pipe will open Cut length. In addition, an annular groove with a width of about 3.15 mm, the depth of which is approximately equal to the depth of the innermost points of the in Circumferential direction of the pipe wall is distributed channels. In addition, the face of the measuring end of the Cut a second groove in the tube which has a diameter which is the diameter of the circle or circular ring, which contains the channels. The two grooves provide space for the arches a heating coil, which is filled into the channels
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wird, nachdem das Rohr gebrannt ist. Die Nuten werden dann mit einem giessbaren Keramikmaterial gefüllt,
um die Heizwicklung abzudichten. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen der Heizwicklung und dem
Keramikrohr werden die Kanäle nach dem Abdichten der Ringnut mit einer Packung aus MgO-Partikeln oder aus
einem anderen Material gefüllt. Die Scheibe aus dem
Festelektrolyten wird erfindungsgemäß in dem Keramikrohr durch das Schrumpfen desselben beim Brennen dichtend
festgelegt, wobei eine mechanische Verbindung
der Elemente erfolgt, wenn die Oberfläche des Phosteritkörpers bei der typischen Brenntemperatur von etwa
13000C glasig wird.after the pipe is burned. The grooves are then filled with a castable ceramic material,
to seal the heating coil. To improve the heat transfer between the heating coil and the
Ceramic tube, the channels are filled with a packing of MgO particles or another material after the annular groove has been sealed. The disc from the
According to the invention, solid electrolyte is tightly fixed in the ceramic tube by the shrinkage of the same during firing, with a mechanical connection
of the elements takes place when the surface of the Phosteritkörpers is glassy at the typical firing temperature of about 1300 0 C.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:Further details and advantages of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Scheibe, das Rohr und Zuleitungen einer bevorzugten Ausführungsform eines Sauerstoffsensors gemäß der Erfindung nach dem Brennen;1 shows a longitudinal section through the disk, the tube and supply lines of a preferred embodiment of an oxygen sensor according to the invention after burning;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Sensor gemäß Fig. 1 längs der Linie 2-2 in dieser Figur;FIG. 2 shows a cross section through the sensor according to FIG. 1 along the line 2-2 in this figure;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch das ungebrannte Rohr des Sensors gemäß Fig. 1;3 shows a longitudinal section through the unfired tube of the sensor according to FIG. 1;
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Rohr gemäß Fig. 3;FIG. 4 shows a plan view of the tube according to FIG. 3;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der Festelektrolytscheibe des Sensors gemäß Fig. 1FIG. 5 shows a perspective illustration of the solid electrolyte disk of the sensor according to FIG. 1
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nach dem Aufbringen der Elektrodenschichten; Fig.6 eine Seitenansicht der Scheibe gemäß Fig. 5;after applying the electrode layers; 6 shows a side view of the disk according to FIG. 5;
Fig.7 einen Längsschnitt durch eine Sensoranordnung gemäß Fig. 1 vor dem Brennen mit einem Brenneinsatz zum gegenseitigen Positionieren der Sensorelemente;7 shows a longitudinal section through a sensor arrangement according to Fig. 1 before firing with a burner insert for mutual positioning of the Sensor elements;
Fig.8 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig.7;FIG. 8 a plan view of the arrangement according to FIG. 7;
Fig.9 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors mit integrierter Heizeinrichtung, wobei einige Teile weggebrochen sind und9 shows a perspective illustration of an inventive Oxygen sensor with integrated heating device, with some parts broken away are and
Fig. 10 einen Längsschnitt durch den Sensor gemäß Fig.9.FIG. 10 shows a longitudinal section through the sensor according to FIG.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen verbesserten erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor 10, welcher im wesentlichen aus einem Keramikrohr 12 bzw. einem keramischen, rohrförmigen Grundkörper und einer darin in der Nähe des oberen Endes bzw. des Sensorendes 12' montierten Scheibe 14 aus einem keramischen festen Elektrolyten besteht. Dabei ist das Keramikrohr 12 bei 12" etwas "ausgebeult" dargestellt, um die Tatsache zu verdeutlichen, dass die unmittelbar an die Scheibe 14 angrenzenden Rohrbereiche während eines Brennvorganges geschrumpft sind, um ein enges Ineinandergreifen von Rohr 12 und Scheibe 14 zu erreichen. Der Sauerstoffsensor 10 ist - was in der Zeichnung nicht dargestellt ist - im allgemeinen in einem Gehäuse montiert, welches es gestattet, dass das Messende 12' in die zu untersuchenden Gase, typischerweise Abgase bzw. Rauch-In detail, Fig. 1 shows an improved oxygen sensor 10 according to the invention, which essentially from a ceramic tube 12 or a ceramic, tubular base body and one therein in the Near the upper end or the sensor end 12 'mounted disc 14 made of a ceramic solid electrolyte consists. Here, the ceramic tube 12 is something at 12 " "bulged" shown in order to illustrate the fact that the directly adjacent to the disk 14 Pipe areas have shrunk during a firing process to a tight interlocking of To reach tube 12 and disk 14. The oxygen sensor 10 is - which is not shown in the drawing - generally mounted in a housing, which allows the measuring end 12 'to enter the gases to be examined, typically exhaust gases or smoke
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gase, eintaucht, während das andere Sensorende, welches als Bezugsende 12' '' bezeichnet wird, mit der Umgebungsluft in Verbindung steht. Bei einer derartigen Montage sind die Messeite 14' und die Bezugsseite 14'* des Elektrolyten der Scheibe 14 Gasgemischen ausgesetzt, in denen ein unterschiedlicher Partialdruck des Sauerstoffs vorliegt. Bekanntlich führen diese unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücke zu einer Spannung über der eine Festelektrolytzelle darstellenden Scheibe 14, welche mittels einer Schaltung (nicht dargestellt) gemessen werden kann, die mit Anschlüssen 16' und 18' eines Bezugselektrodenleiters 16 bzw. eines Messelektrodenleiters 18 verbunden ist. Die Leiter 16, 18 bestehen dabei vorzugsweise aus Platin und stehen in festem Kontakt mit einer Bezugselektrode 20 und einer Messelektrode 22, wobei die beiden Elektroden 20, 22 ebenfalls vorzugsweise aus Platin bestehen, so dass in dem Sensor keine unterschiedlichen Metalle vorhanden sind, welche zur Entstehung unerwünschter Spannungen führen können. Die Elektroden 20, 22 sind ferner auf der Bezugsseite 14'' bzw. auf der Messeite 14' der Scheibe 14 vorgesehen.gases, while the other end of the sensor, which referred to as reference end 12 '' 'with the ambient air communicates. With such an assembly, the measuring side 14 'and the reference side 14' * of the electrolyte of the disk 14 exposed to gas mixtures in which a different partial pressure of oxygen is present. It is known that these different oxygen partial pressures lead to one Voltage across the disk 14, which represents a solid electrolyte cell, which by means of a circuit (not shown) can be measured, which with connections 16 'and 18' of a reference electrode conductor 16 or a measuring electrode conductor 18 is connected. The conductors 16, 18 are preferably made of platinum and are in firm contact with a reference electrode 20 and a measuring electrode 22, the two Electrodes 20, 22 are also preferably made of platinum, so that there are no different electrodes in the sensor Metals are present, which can lead to the creation of undesirable stresses. The electrodes 20, 22 are also on the reference page 14 '' or on the measuring side 14 'of the disk 14 is provided.
Der Sauerstoffsensor 10 wird aufgebaut, indem man zunächst den anhand der Figur 7 erläuterten Verfahrensschritt durchführt. Bei diesem Verfahrensschritt wird eine gesinterte Platte bzw. Scheibe aus einem festen Elektrolyten,auf dessen Hauptflächen pastenförmige Elektrodenschichten 20, 20' und 22, 22' aufgetragen wurden, wie dies in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, auf einen Sockel 30 gesetzt, der an einem keramischen Brenneinsatz 32 vorgesehen ist? so dass die Scheibe 14 in einer vorgegebenen axialen Lr je Lezüglich desThe oxygen sensor 10 is constructed by first performing the method step explained with reference to FIG. In this process step, a sintered plate or disk made of a solid electrolyte, on the main surfaces of which paste-like electrode layers 20, 20 'and 22, 22' have been applied, as shown in FIGS. 5 and 6, is placed on a base 30 which is provided on a ceramic firing insert 32 ? so that the disc 14 in a predetermined axial Lr depending on the
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ungebrannten oder rohen Keramikrohrs 12 gehalten wird, welches in Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Die Scheibe 14 wird so angeordnet, dass streifenförmige Elektrodenteile 2O1 bzw. 22' mit den streifenförmigen Leitern 16 bzw. 18 an der Innenwand des Rohres 12 fluchten, wie dies Fig. 8 zeigt. Der Brenneinsatz 32 mit dem ungebrannten Rohr 12 und der Scheibe 14 kann nunmehr in einen Ofen gestellt werden, wo das Rohr 12 gebrannt wird, wobei es schrumpft und in einen festen mechanischen Kontakt mit der Scheibe 14 gelangt, wie dies Fig. 1 zeigt. Wenn als Material für das Rohr Fosterit verwendet wird, welches beim Brennen eine Schrumpfung von etwa 25 % zeigt, dann können der Aussendurchmesser der Scheibe 14 und der Innendurchmesser des Rohres 12 in ihrer Größe um 20 % voneinander abweichen, wobei dennoch eine Passung mit einem Übermaß von 5 % erzielt wird. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, da es bedeutet, dass die Toleranzen der Scheiben und der extrudierten ungebrannten Keramikrohre ziemlich großzügig bemessen werden können. Ausserdem muß auch keine Maschinenbearbeitung des Rohres zur Schaffung eines Sitzes für die Scheibe erfolgen. Ausserdem wird dadurch, dass die Rohrwand nunmehr durchgehend die gleiche Wandstärke hat, die Widerstandsfähigkeit des Sensors gegen sprunghafte Temperatüränderungen verbessert.unfired or raw ceramic tube 12, which is shown in Figs. The disk 14 is arranged in such a way that strip-shaped electrode parts 2O 1 or 22 ′ are aligned with the strip-shaped conductors 16 and 18 on the inner wall of the tube 12, as FIG. 8 shows. The burner insert 32 with the unfired tube 12 and the disk 14 can now be placed in a furnace, where the tube 12 is fired, whereby it shrinks and comes into firm mechanical contact with the disk 14, as FIG. 1 shows. If fosterite is used as the material for the tube, which shows a shrinkage of about 25% when fired, then the outer diameter of the disk 14 and the inner diameter of the tube 12 can differ in size by 20%, although there is still a fit with an oversize of 5% is achieved. This is a significant advantage as it means that the tolerances of the disks and the extruded unfired ceramic tubes can be set fairly generously. In addition, there is no need to machine the tube to create a seat for the disc. In addition, the fact that the pipe wall now has the same wall thickness throughout improves the resistance of the sensor to sudden changes in temperature.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines mit einer Heizvorrichtung versehenen Sauerstoffsensors 10 gemäß der Erfindung, wobei einige Teile weggebrochen sind. Das Rohr 12 hat wieder ein Messende 12' und ein Bezugsende 12···, die durch die Scheibe 14 aus einem festen Elektrolyten getrennt sind. Der Bezugselektrodenleiter 16 und der Messelektrodenlei-9 shows a perspective illustration of an oxygen sensor provided with a heating device 10 according to the invention, with some parts broken away. The tube 12 again has a measuring end 12 'and a reference end 12 ··· passing through the disc 14 are separated from a solid electrolyte. The reference electrode conductor 16 and the measuring electrode conductor
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ter 18 stehen in engem Kontakt mit streifenförmigen Teilen der Bezugselektrode 20 bzw. der Messelektrode 22. Die Leiter und Elektroden bestehen vorzugsweise alle aus demselben Material, vorzugsweise aus Platin, welches zunächst als Paste aufgetragen wird, um Sekundärspannungen zu vermeiden, die entstehen können, wenn unterschiedliche Metalle verwendet werden. Beim Extrudieren des Rohres 12 aus formbarem Keramikmaterial wird ausser einer Mittelöffnung 26 noch eine Anzahl von kleineren Öffnungen bzw. Kanälen 24 in der Rohrwand hergestellt. Durch Maschinenbearbeitung wird ausserdem in der Mantelfläche des Rohrs 12 eine Ringnut 28 hergestellt, die etwa bis zur Innenseite der Kanäle 24 reicht. Die Ringnut 28 besitzt eine Breite von etwa 2 mm, so dass es möglich ist, einen Heizdraht 30 so in die Kanäle 24 einzufädeln, dass er diese mäanderförmig durchläuft, wobei die Nut 28 die Heizdrahtbögen am Bezugsende der Heizvorrichtung aufnimmt, während eine weitere Nut 32 die Heizdrahtbögen am Messende derselben aufnimmt. Die beiden Enden 30', 30'' des Heizdrahts 30 stehen über das Bezugsende 12'*' des Sensors 10 vor, wo sie mit einer Speisespannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden werden können. Wie die Zeichnung zeigt, steht der Heizdraht 30 auf einer Länge, die etwas größer ist als der Durchmesser der Scheibe 14 in axialer Richtung nach vorn und hinten über die Scheibe 14 vor, um sicher zu stellen, dass eine gleichmäßige Beheizung der Scheibe 14 und ihrer Elektroden erfolgt. Eine Packung von MgO-Partikeln 34 in den Kanälen 24, durch die der Heizdraht 3C geführt ist, fördert die Wärmeleitung durch die Wandung des Rohres 12 zu der Scheibe 14. Eine Schicht 36 aus giessfähigem Keramikmaterial dient dazu,die Ringnut 28 dichtend zu schlies-ter 18 are in close contact with strip-shaped Parts of the reference electrode 20 and the measuring electrode 22. The conductors and electrodes are preferably made all made of the same material, preferably platinum, which is first applied as a paste to avoid secondary stresses avoid that can arise when different metals are used. At the Extruding the tube 12 from malleable ceramic material is a central opening 26 as well Number of smaller openings or channels 24 made in the pipe wall. By machining is also in the lateral surface of the tube 12 a Annular groove 28 is produced, which extends approximately to the inside of the channels 24. The annular groove 28 has a Width of about 2 mm, so that it is possible to thread a heating wire 30 into the channels 24 so that it runs through this in a meandering shape, the groove 28 being the heating wire arches at the reference end of the heating device receives, while another groove 32 receives the heating wire arches at the measuring end of the same. The two ends 30 ', 30' 'of the heating wire 30 protrude over the reference end 12' * 'of the sensor 10, where they are connected to a Supply voltage source (not shown) can be connected. As the drawing shows, it stands Heating wire 30 over a length which is slightly larger than the diameter of the disk 14 in the axial direction forward and backward over the washer 14 to ensure that there is even heating the disc 14 and its electrodes takes place. A pack of MgO particles 34 in the channels 24, through which the heating wire 3C is guided, promotes heat conduction through the wall of the tube 12 to the Disk 14. A layer 36 of castable ceramic material serves to seal the annular groove 28
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sen, während eine Schicht 38 aus giessbarem Keramikmaterial dazu dient, die an der Stirnseite des Rohres 12 vorgesehene Nut 32 dichtend zu verschliessen. Die Schichten 36 und 38 schützen dabei auch den Heizdraht 30 gegenüber der angrenzenden Atmosphäre, beispielsweise gegen Rauchgase, welchen der Sensor 10 normalerweise ausgesetzt ist.sen, while a layer 38 of castable ceramic material serves to seal the groove 32 provided on the end face of the tube 12. the Layers 36 and 38 also protect the heating wire 30 from the adjacent atmosphere, for example against smoke gases to which the sensor 10 is normally exposed.
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