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Sauerstoffsensor
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Sauerstoffsensor
nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Sauerstoffsensoren die beispielsweise
aus den DE-OS 28 55 012, 29 07 032 und 32 o6 903 bekannt sind, haben Sensorelement-Träger,
deren meßgasseitiger, mindestens ein Sauerstoffsensorelement tragender Abschnitt
gegenüber ihrem meßgasfernen, mit elektrischen Anschlußbereichen versehenen Abschnitt
gasdicht abgetrennt ist. Diese gegenseitige Abdichtung hat den Zweck, daß kein Luftsauerstoff
durch das Metallgehäuse zu dem Sauerstoffsensorelement gelangt und die Genauigkeit
des Meßergebnisses verfälscht; nachteilig ist jedoch der für diese Abdichtung erforderliche
Aufwand und das Risiko, daß das nicht mittel dennoch bei allen Betriebszuständen
des Sauerstoffsensors und auf Dauer keine vollständige Abdichtung bewirkt.
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Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das
Problem des Herstellens und Brhaltens einer gasdichten Abtrennung zwischen meßgasseitigem
und
meßgasfernem Abschnitt des Sensorelement-Trägers beseitigt ist. Durch die in den
Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Hauptanspruch angegebenen Sauerstoffsensors möglich. Besonders vorteilhaft
ist es, daß die vorgeschlagene Lösung sehr einfach mit einer Schutzvorrichtung gegen
die Meßgasströmung zu kombinieren ist.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur
1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors
nach der Erfindung in vergrößerter Darstellung, Figur 2 eine Seitenansicht des meßgasseitigen
Abschnitts des im Schnitt dargestellten Sauerstoffsensors nach Figur 1, Figur 3
einen Schnitt nach der Linie III-III durch den meßgasseitigen Abschnitt des Sauerstoffsensorc
nach Figur 2, Figur 4 einen Längsschnitt durch den meßgasseitigen Abschnitt einer
zweiten Ausführungsform eines Sauerstoffsensors nach der Erfindung in vergrößerter
Darstellung, Figur 5 einen Schnitt nach der Linie V-V durch den meßgasseitigen Abschnitt
des Sauerstoffsensors in Figur 4, Figur 6 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors nach der Erfindung in vergrößerter Darstellung
und Figur 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII durch den Sauerstoffsenor in Figur
6.
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Beschreibung der AusFhrungsbeispiele In den Figuren 1 bis 3 ist eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors 10 dargestellt:
Dieser Sauerstoffsensor 10 besitzt ein Metallgehäuse 11, das eine Längsbohrung 12
auSweist; in dieser Längsbohrung 12 befindet sich eine Schulter 13, die zur meßgasfernen
Seite des Sauerstoffsensors 10 gerichtet ist. Koaxial zu dieser Schulter 13 ist
meßgasseits ein ringförmiger Absatz 14 angebracht. An der Außenseite des Metallgehäuses
11 ist bekannterweise meßgasseits ein Einschraubgewinde 15, meßgasfern davon ein
Dichtkonus 16, ein Schlüsselsechskant 17 und schließlich ein Stutzen 18 angeordnet,
auf dessen Umfang einige Einkerbungen 19 verteilt sind.
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In diese Einkerbungen 19 fassen entsprechend geformte, eingescherte
Lappen 20 einer Metallhülse 21, die auf den Stutzen 18 des Metallgehäuses 11 aufgeschoben
ist und meßgasfern einen Boden 22 aufweist. In diesem Boden 22 befindet sich ein
koaxialer Durchzug 23 mit einer ebenfalls koaxialen, ringförmigen Schulter 24. Der
Durchzug 23 umfaßt einen gummiartigen, warmfesten Dichtkörper 25, welcher sich meßgasfern
an der Schulter 24 der Metallhülse 21 abstützt, meßgasseits eine koaxiale Vertiefung
26 aufweist, meßgasseits außerdem etwa mit dem Boden 22 der Metallhülse 21 bündig
abschließt und Durchgangsöffnungen 27 für Anschlußkabel 28 besitzt, In der Metallhülse
21 liegt auf dem Boden 22 der meßgasferne, äußere Randbereich einer Tellerfeder
29, durch deren mittige Öffnung 30 der im Durchmesser reduzierte, meßgasferne Endabschnitt
eines bevorzugt aus keramischem Material (z. B. Aluminiumoxid) bestehenen Elektroisolierkörpers
32
hindurchragt; die meßgasferne Stirnfläche 33 dieses Elektroisolierkörpers 32 berührt
dabei den Boden der Vertiefung 26 im Dichtkörper 25. In Verlängerung der Durchgangsöffnungen
27 im Dichtkörper 25 sind in dem Elektroisolierkörper 32 Durchgangsöffnungen 34
angeordnet, in welche auch die elektrischen Anschlußkabel 28 des Sauerstoffsensors
10 hineinragen und in bekannter Weise mit elektrisch leitfähigen Klemmhülsen 35
versehen sind.
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Diese Klemmhülsen 35 umfassen meßgasseits die meßgasfernen Endabschnitte
von Kontaktdrähten 36; mittels Klemmprägungen 37 in den Klemmhülsen 35 werden die
Anschlußkabel 28 mit diesen Kontaktdrähten 36 elektrisch verbunden.
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Der meßgasseitige Endabschnitt dieser Klemmhülsen 35 ist jeweils als
Flansch 37 ausgebildet und liegt an der meßgasseitigen Stirnfläche 39 des Elektroisolierkörpers
32 als Kabelzugsicherung auf. Die meßgasseitige Stirnfläche 39 des Elektroisolierkörpers
32 ist mit einem koaxialen Absatz 40 ausgestattet; die infolge des meßgasfernen
Endabschnitts 31 gebildete Schulter des Elektroisolierkörpers 32 ist mit 41 bezeichnet
und dient als Auflage für den meßgasseitigen, inneren Randbereich der Tellerfeder
29.
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Auf dem ringförmigen Absatz 40 des Elektroisolierkörpers 32 liegt
der meßgasferne, rohrförmige Endabschnitt eines elektrisch isolierenden Kontaktträgers
42 auf, welcher bevorzugt auch aus keramischem Material (z, B. Aluminiumoxid) besteht
und von seinem ebenfalls rohrförmigen, meßgasseitigen Endabschnitt durch ein Mittelteil
43 getrennt ist; in dem Mittelteil 43 befinden sich eine Anzahl von Längsdurchbrüchen
44, die jeweils den Kontakt drähten 36 zugeordnet sind und diese haarnadelförmigen
Kontaktdrähte 36 führen. Das Mittelteil 43 weist zudem einen Schlitz 45 auf, in
welchen die freien Endabschnitte der Kontaktdrähte 36 ragen und auf die (nicht
dargestellten)
Anschlußbereiche der Leiterbahnen 46 drücken, welche auf dem meßgasfernen FndQbschnitt
des Sensorelement-Trägers 47 angeordnet sind. Diese vorstehend beschriebene Klemmkontaktierung
ist bereits bekanne und wurde in der DE-OS 32 o6 903 beschrieben. Derartige Sensorelement-Träger
47 sind beispielsweise längliche Plättchen aus keramischem Material, welche in bekannter
Weise in Längsrichtung durch die Längsbohrung 12 des Metallgehäuses ]1 führen, dabei
bevorzugterweise aus dem meßgasseitigen Ende des Metallgehäuses 11 herausragen und
auf ihrem meßgasseitigen Endabschnitt das in der Figur 1 angedeutete Sensorelement
48, ein Heizelement 49, ggf. auch einen Temperaturfühler tragen. Zumeist sind solche
Sensorelemente 48, Heizelemente 49 und auch Temperaturmeßelemente schichtförmig
auf die Sensorelement-Träger 47 aufgebracht und zur Erzielung einer guten Lebensdauer
mittels einer (nicht dargestellten) Schutzschicht (z. B. aus Magnesiumspinell) abgedeckt;
ebenso wie die vorgenannten Elemente werden mittels einer solchen Schutzschicht
auch die auf dem Sensorelement-Träger 47 angeordneten Leiterbahnen 46 abgedeckt.
Sensorelemente 48 sind an sich aus der Literatur weitgehend bekannt, so z. B. auch
aus der bereits oben genannten DE-OS 32 06 903 und auch aus den in der Beschreibungseinleitung
genannten Veröffentlichungen. Die einzelnen Elemente der Sensorelemente 48 können
dabei auf einer einzigen Großfläche des Sensorelement-Trägers 47 angeordnet sein,
sie können jedoch in dem Falle, wo der Sensorelement-Träger 47 selbst ein Teil des
Sensorelementes 48 ist, auch auf beiden Seiten dieses Sensorelement-Trägers 47 liegen.
Im vorliegenden Falle ist das Sensorelement 48 zum Bestimmen des Sauerstoffanteils
des Meßgases vorgesehen und erfordert keine Luftreferenz - wie es bereits aus der
DE-OS 25 47 683 und auch den in der
Beschreibungseinleitung genannten
deutschen Offenlegungs -schriften beschrieben ist.
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Auf der ringförmigen Schulter 13 in der Längsbohrung 12 des Metallgehäuses
11 liegt eine metallische Trennwand 51 auf, auf deren meßgasferner Seite im Randbereich
der meßgasseitige, rohrförmige Endabschnitt des Kontakträgers 42 aufsteht; infolgedessen,
daß beim Montieren eines solchen Sauerstoffsensors 10 die Metallhülse 21 auf den
Stutzen 18 des Metallgehäuses 11 gegen den mechanischen Druck der Tellerfeder 29
aufgeschoben ist, ergibt sich ein schüttelfester Aufbau dieses Sauerstoffsensors
10.
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Die Trennwand 51 weist mittig ein Durchgangsloch 52 auf, durch welches
der Sensorelement-Träger 47 hindurchführt; aufgrund der Bemessung des Durchgangsloches
52 verbleibt zwischen dem Sensorelement-Träger 47 und der Trennwand 51 ein Spalt
53, der an den Großflächen und (mindestens) einer Längskante 54 des Sensorelement-Trägers
47 etwa 0,25 mm breit ist. Es hat sich herausgestellt, daß bei Sensorelementen 48
zum Bestimmen des Sauerstoffpartialdruckes oder ähnlichem, die keiner Luftreferenz
bedürfen, ein Spalt 53 zwischen der Trennwand 51 und dem Sensorelement-Träger 47
von bis zu 0,6 mm Breite unschädlich für die Steuerung von Brennkraftmaschinen und
Ofenanlagen ist, da zwischen einem solchen Sauerstoffsensor 50 und dem (nicht dargestellten)
Stellglied des (ebenfalls nicht dargestellten) Regelkreises sowieso eine gewisse
zeitliche Verzögerung vorliegt, die geringe temporäre Meßabweichungen unschädlich
ausgleicht. Bei bevorzugten Ausführungsformen derartiger Durchganslöcher 52 kann
ein solcher Spalt 53 zwischen 0,15 und 0,35 mm breit sein,
Zwecks
Verbesserung der Schüttelfestigkeit des Sensorelement-Trägers 47 ist auf der meßgasfernen
Seite der Trennwand 51 ein Federelement 55 befestigt, vorzugsweise eine Blattfeder,
die mit ihrem freien Ende zum meßgasfernen Ende des Sauerstoffsensors 10 weist,
gegen eine der Längskanten 54 drückt und demzufolge die andere Längskante 54 des
Sensorelement-Trägers 47 gegen eine Seite des Durchgansloches 52 in der Trennwand
51 preßt, Anstelle einer einzigen Blattfeder 55 können auch mehrere derartiger Federelemente
55 am Sensorelement-Träger 47 angreifen.
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Auf der meßgasseitigen Fläche der Trennwand Si ist eine Schutzvorrichtung
56 befestigt, die aus warmfesten Metallblech hergestellt ist, rohrförmig den gesamten
diesseitigen Abschnitt des Sensorelement-Trägers 47 mit Abstand umfaßt, bevorzugt
auch einen Boden 57 aufweist und in Höhe des Sensorelementes 48 auf dem Sensorelement-Träger
47 Öffnungen 58 hat; diese Öffnungen 58 sind in der Schutzvorrichtung 56 auf dem
Umfang verteilt und in bekannter Weise als eingescherte Lappen ausgebildet, welche
die Meßgase zwar zum Sensorelement 48 eintreten lassen, sie jedoch nicht direkt
auf den Sensorelement-Träger 47 mit seinem Sensorelement 48 und sonstigen auf dem
Sensorelement-Träger 47 aufgebrachten Elementen (z. B.
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Heizelement 49, Temperaturmeßfühler, . £) auftreffen lassen. - Die
Befestigung der Schutzvorrichtung 56 an der Trennwand 51 erfolgt vorzugsweise unter
Zuhilfenahme eines am meßgasfernen Endabschnitt der Schutzvorrichtung 56 angeformten
Flansches 59, welcher durch eine (nicht dargestellte) Schweißverbindung mit der
Trennwand 51 verbunden ist, Zur räumlichen Unterbringung dieses Flansches 59 in
der Längsbohrung 12 des Metallgehäuses
11 ist der Absatz J4 in
der Längsbohrung 22 vorgesehen. Anstelle einer solchen Befestigung der Schutzvorrichtung
56 können aber auch andere bekannte Ausführungsformen von derartigen Schutzvorrichtungen
56 am Sauerstoffsensor Verwendung finden; so kann z, B, die Schutzvorrichtung 56
auch direkt am Metallgehäuse 11 festgelegt sein.
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Die Innenseite dieser Schutzvorrichtung 56 dient außerdem als Träger
für Klammern 60, welche den Sensorelement-Träger 47 an seinen Längskanten 54 erfassen
und zusätzlich schüttelfest fixieren. Zur Fixierung des Sensorelement-Trägers 47
in Längsrichtung können in den meßgasseitigen Endabschnitt der Schutzvorrichtung
56 Blechlappen 61 eingeschert werden, die in den Innenraum der Schutzvorrichtung
56 hineinragen und als Anschlag für die meßgasseitige Stirnkante 62 des Sensorelement-Trägers
47 dienen. - Obwohl in den Figuren 1 bis 3 die Klammern 60 mit gegenüberliegenden
Schenkeln dargestellt sind, ist es auch möglich, die Schenkel der Klammern 60 in
Längsrichtung des Sauerstoffsensors 10 gegeneinander zu versetzen.
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Der in den Figuren 4 und 5 dargestellte Sauerstoffsensor 10/1 unterscheidet
sich von dem Sauerstoffsensor 10 dadurch, daß die Schutzvorrichtung 56/1 anders
ausgebildet ist: Der wieder als längliches Plättchen ausgebildete Sensorelement-Träger
47/1 ist hier auf seinen beiden Großflächen mit je einem Schutzplättchen 62 belegt,
welches porös und für das Maßgas durchlässig ist, jedoch den Sensorelement-Träger
47/1 mit seinen hier nicht dargestellten Sensorelementen usw. vor einem direkten
Aufprall des Meßgases schützt, Derartige Schutzplättchen
62 können
beispielsweise aus Keramikpapier bestehen und gegebenenfalls partiell mittels geeigneter
Kleber am Sensorelement-Träger 47/1 festgelegt sein. Um die Längskanten und um die
Stirnkante 62/1 des Sensorelement-Trägers 47/1 einschließlich der aufgelegten Schutzplättchen
62 greift nun die eigentliche aus warmfestem Metallblech bestehende Schutzvorrichtung
56/1 und hält klammerartig das von dem Sensorelement-Träger 47/1 und den beiden
Schutzplättchen 62 gebildete Paket zusammen; die Schutzvorrichtung 56/1 faßt dabei
etwas auf die Randbereiche der Schutzplättchen 62, überlappt dabei aber nicht die
unter den Schutzplättchen 62 liegenden Elemente auf dem Sensorelement-Träger 47/1
Auch eine solche Schutzvorrichtung 56/1 kann mit einem Flansch 59/1 versehen sein,
der an der Trennwand 51/1 des Sauerstoffsensors 10/1 befestigt ist, aber beispielsweise
auch an der meßgasseitigen Stirnfläche 63 des Metallgehäuses 11/1 angebracht sein
kann. Der zwischen dem Sensorelement-Träger 47/1 und der Trennwand 51/1 befindliche
Spalt ist mit 53/1 bezeichnet, Erwähnt sei außerdem, daß es bei Sauerstoffsensoren,
die eine vollständig definierte Einbaulage haben, genügt, wenn nur auf der der Meßgasströmung
zugewendeten Großfläche des Sensorelement-Trägers ein Schutzplättchen aufgebracht
wird.
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In den Figuren 6 und 7 ist eine dritte Ausführungsform eines Sauerstoffsensors
10/2 dargestellt, Bei diesem Sauerstoffsensor 10/2 besteht die in der Längsbohrung
12/2 des Metallgehäuses 11/2 befindliche Trennwand 5112 aus keramischem Material
(z. B. Aluminiumoxid). Auch in dieser Trennwand 51/2 ist ein Durchgangsloch 52/2,
durch welches ein Sensorelement-Träger 47l2 hindurchragt; das Durchgangsloch 5212
ist jedoch etwas breiter gestaltet, weil auf Jeden (nicht dargestellten) elektrischen
Anschlußbereich
auf dem Sensorelement-Träger 47/2 ein Winkelteil 64 mit der nach außen weisenden
Fläche seines ersten Schenkels 65 aufgebracht ist und dabei in dieses Durchgangsloch
52/2 mit hineinragt.
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Die zweiten Schenkel 66 der bevorzugter Weise aus Silber bestehenden
Winkelteile 64 liegen mit ihrer Innenseite auf der meßgasfernen Seite der keramischen
Trennwand 5312 auf und fixieren den Sensorelement-Träger 47/2 in Längsrichtung.
Die Winkelteile 64 können z. B. durch Hartlöten, Schweißen auf den elektrischen
Anschlußbereichen am Sensorelement-Träger 47/2 befestigt sein. Alternativ können
anstelle der Winkelteile 64 auch nicht dargestellte metallische Plättchen Verwendung
finden, die auf den elektrischen Anschlußbereichen des Sensorelement-Trägers 47/2
befestigt sind, nur einen sehr geringen Spalt 53/2 bis zur Wand des Durchgangslochs
52/2 belassen und mit Leiterbahnen verbunden sind, welche sich jeweils aus dem Durchgangsloch
52/2 bis auf die meßgasferne Fläche der Trennwand 51 l2 erstrecken.
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Auf den meßgasfernen Seiten der zweiten Schenkel' 66 der Winkelteile
64 stehen Kontaktköpfe 67 auf, die an den meßgasseitigen Enden der Kontakt drähte
36/2 angeformt sind. Die meßgasfernen Endabschnitte dieser Kontaktdrähte 36/2 sind
über Klemmhülsen 35/2 wie in den vorhergehenden Beispielen mit Anschlußkabeln 28Z2
verbunden und fuhren meßgasseits aus dem Sauerstoffsensor 2012 hinaus. Der Kontaktträger
42l2 liegt dabei mit seinen meßgasseitigen Stirnfläche 68 auf den meßgasfernen Seiten
der Kontaktköpfe 67å infolge der mechanischen Vorspannung der Tellerfeder 29/2 und
des sich somit ergebenden Druckes auf den Elektroisolierkörper 32l2 und damit auch
auf den Kontakträger 42l2 werden die Kontaktköpfe 67 auf ihre zugeordneten Winkelteile
64 gepreßt, mit denen sie somit sicheren elektrischen Kontakt erhalten. Ein an der
meßgasseitigen Stirnfläche
68 des Kontaktträgers 42/2 befindlicher,
die seitlichen Konturen der Kontakt köpfe 67 weitgehend umfassender Vorsprung 69,
dessen Umfang in der Längsbohrung 12l2 des Metallgehäuses 11/2 mit anliegt, dient
als Führungshilfe für die Winkelteile 64j die meßgasseitige Stirnfläche 70 des Vorsprunges
69 halt aber Abstand von der Trennwand 51/2> damit der von der Tellerfeder 29/2
ausgeübte mechanische Druck auf den Kontaktköpfen 67 und damit auch auf die Winkelteile
64 sichergestellt ist, Die den Sensorelement-Träger 47(2 meßgasseits umgebende Schutzvorrichtung
56/2 entspricht prinzipiell der Schutzvorrichtung 56 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
einer Sauerstoffsonde 10 in den Figuren 1 bis 3; der Unterschied gegenüber der Schutzvorrichtung
56 liegt allein darin, daß die Schutzvorrichtung 56/2 mit ihrem meßgasfernen Endabschnitt
in einer meßgasseitigen Aufbohrung 71 der Längsbohrung 12/2 des Metallgehäuses 11/2
befestigt ist. Eine solche Befestigung der Schutzvorrichtung 56/2 im Metallgehäuse
li/2 kann durch Hartlöten erfolgen, kann aber auch durch mechanisches Einpressen
und gegebenenfalls durch zusätzliches Sicher mittels einiger Schweißpunkte 72 bewirkt
werden.
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Sofern ein in den Figuren 6 und 7 beschriebene Sensorelement-Träger
47/2 nur auf einer einzigen seiner Großseiten Sensorelemente oder ähnliches trägt,
können die zweiten Schenkel 66 der Winkelteile 64 auch über das meßgasferne Ende
des Sensorelement-Trägers 47/2 waagrecht hinwegragen und die Innenseiten der vertikalen,
ersten Schenkel 65 an den entsprechenden elektrischen Anschlußbereichen auf dem
Sensorelement-Träger 47/2 befestigt sein; vorteilhafterweise können bei dieser Ausführungsform
der Befestigung die elektrischen Anschlußbereiche auf dem Sensorelement-Träger 47/2
auch auf der
meßgasfernen Stirnfläche dieses Sensorelement-Trägers
47/2 fortgesetzt sein und die Innenseiten der waagerechten zweiten Schenkel 66 auch
in diesem Bereich mit den elektrischen Anschlußbereichen verbunden sein, was zu
einer weiteren Verbesserung der Schüttelfestigkeit des Sauerstoffsensors 10/2 beiträgt.
- Die vorstehend beschriebenen, zu den Figuren 6 und 7 gehörigen Ausführungsbeispiele
zur Befestigung des Sensorelement-Trägers 47/2 sind im Prinzip auch für die Befestigung
von plättchenförmigen, elektrischen Heizelementen geeignet, die bei Sauerstoffsensoren
in den Innenraum vom rohrförmigen, meßgasseits mit einem Boden versehenen Festelektrolyten
hineinragen.
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Während in den vorstehenden Beispielen die elektrische Verbindung
zwischen den nicht dargestellten elektrischen Anschlußbereichen auf den Sensorelement-Trägern
47,...
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direkt oder indirekt durch eine sogenannte Klemmkontaktierung erfolgt,
können derartige elektrische Verbindungen auch mittels nicht dargestellter elektrischer
Leiter erfolgen, die direkt an diesen Anschlußbereichen befestigt sind (z. B. durch
Schweißen, Löten).