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Sauerstoff-Fühler mit einem rohr-
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förmigen Festelektrolytkörper Die Erfindung bezieht sich ganz allgemein
auf einen Sauerstoff-Fühler zur Bestimmung oder Messung der in einem zu prüfenden
Gas, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, enthaltenen Sauerstoffkonzentration.
Insbesondere ist die Erfindung auf einen derartigen Sauerstoff-Fühler abgestellt,
der einen rohrförmigen Körper eines Feststoffelektrolyten, ein metallisches Gehäuse
zur Lagerung des rohrförmigen Festelektrolytkörpers und einen ringförmigen Metallmantel,
dessen eines Ende mit einer Außenfläche des Metallgehäuses an seinem offenen, auf
der Seite der Umgebungsluft befindlichen Ende in Anlage ist.
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In der Technik der Steuerung oder Regelung eines Luft/ Kraftstoff-Verhältnisses
einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug oder für andere Anwendungszwecke
ist es bekannt, einen Sauerstoff-Fühler zu verwenden, der eine Masse aus Zirkonerde
oder einen anderen festen, Sauerstoffionen leitenden Elektrolyten benutzt, um die
Konzentration oder den Anteil des Sauerstoffs in dem vom Motor erzeugten Abgas nach
dem Prinzip einer Sauerstoff-Konzentrationszelle zu ermitteln. Ein solcher Sauerstoff-Fühler
verwendet beispielsweise einen rohrförmigen Festelektrolytkörper aus Zirkonerde,
der an seiner Innen- sowie Außenfläche mit geeigneten Elektroden, z.B. porösen Platinelektroden,
versehen ist. Im einzelnen wird die Elektrode an der Innenfläche des rohrförmigen
Körpers aus Zirkonerde der Umgebungsluft ausgesetzt, so daß diese Elektrode als
einem Bezugsgas, dessen Sauerstoffkonzentration bekannt ist, ausgesetzte Elektrode
dient. Andererseits wird die an der Außenfläche des rohrförmigen Zirkonerdekörpers
befindliche Elektrode dem Abgas der Brennkraftmaschine ausgesetzt, so daß diese
Elektrode als einem Prüfgas, dessen Sauerstoffkonzentration zu bestimmen ist, ausgesetzte
Meßelektrode dient. Ein solcher Sauerstoff-Fühler ermittelt die Sauerstoffkonzentration
im Abgas, indem er eine elektromotorische Kraft (EMK) mißt, die zwischen der Bezugs-
sowie Meßelektrode auf Grund eines Unterschieds in den Sauerstoffkonzentrationen
der Umgebungsluft und des Abgases, die von der Bezugs- sowie Meßelektrode erfühlt
werden, induziert wird.
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Der rohrförmige Festelektrolytkörper eines Sauerstoff-Fehlers der
oben beschriebenen Art wird üblicherweise von einem metallischen Gehäuse derart
getragen, daß eine von der Innenwand abgegrenzte Längsbohrung in einem gasdichten
Zustand in bezug auf das Abgas gehalten wird, dem die Außenfläche des rohrförmigen
Körpers an seinem geschlossenen
Endabschnitt ausgesetzt ist. Das
Metallgehäuse weist einen ringförmigen Kragen auf, der an dem der Umgebungsluft
zugewandten Ende des rohrförmigen Körpers eine Offnung umschließt. Verschiedene
Teile des Sauerstoff-Fühlers sind so angeordnet, daß sie sich axial nach außen vom
Festelektrolytkörper und von der vom Kragen des Metallgehäuses umschlossenen Öffnung
weg erstrecken. Diese Teile werden über einen geeigneten oder angemessenen Teil
ihrer Länge von einem ringförmigen Metallmantel umgeben, der an seinem einen axialen
Ende an der Außenfläche des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses angebracht ist.
Die Befestigung dieses ringförmigen Metallmantels am ringförmigen Kragen des Gehäuses
erfolgt üblicherweise derart, daß der Endabschnitt des ringförmigen Mantels zuerst
über die Außenfläche des Kragens des Metallgehäuses gepaßt und dann an diesem Kragen.
durch Verstemmen des ringförmigen Mantels an mehreren, in der Umfangsrichtung zueinander
beabstandeten Stellen fest angebracht wird.
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Es hat sich nun gezeigt, daß die Anbringung des ringförmigen Metallmantels
durch Verstemmen am Kragen des Metallgehäuses, wie es oben geschildert wurde, eine
fluiddichte Berührung oder Anlage dieser beiden Bauteile aneinander nicht gewährleistet.
Falls der Sauerstoff-Fühler Wasser ausgesetzt wird, mit diesem in Berührung kommt
oder in dieses eingetaucht wird, so wird dadurch das Innere des Sauerstoff-Fühlers
abgekühlt, die Luft im Fühler wird zusammengezogen, und damit wird der Druck innerhalb
des Sauerstoff-Fühlers - im Metallgehäuse und im Mantel -herabgesetzt. Diese Verminderung
im Innendruck führt dazu, daß das umgebende Wasser durch Spalte zwischen der Innenfläche
des ringförmigen Mantels und der Außenfläche des ringförmigen Kragens am Metallgehäuse
in den Sauerstoff-Fühler eingesaugt wird. In diesem Fall versagt der Sauerstoff-Fühler
in der Erzeugung einer EMK, die genau die Sauerstoffkonzentration des Abgases wiedergibt
und darstellt.
Ferner besteht die große Wahrschei.nlichkeit, daß
dem Wassereinfluß unterliegende Teile des Sauerstoff-Fühlers Schaden erleiden. Die
oben angesprochenen Probleme sind vor allem dann schwerwiegend, wenn der Sauerstoff-Fühler
für einen Kraftfahrzeugmotor verwendet wird,wobei der Fühler nahe dem Motor angeordnet
und mehr oder weniger für Wassertröpfchen zugänglich oder empfänglich ist.
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Um das obige Problem des Eindringens von Wasser in den Sauerstoff-Fühler
zu lösen oder zu beseitigen, wurde vorgeschlagen, den ringförmigen Metallmantel
mit dem Metallgehäuse auf dem gesamten Umfang von Mantel und Gehäuse zu verschweißen.
Es ist jedoch äußerst schwierig, arbeitsintensiv und kostspielig, eine gesunde Verschweißung
oder Schweißnaht zwischen Mantel und Gehäuse auf dem gesamten Umfang zu bewerkstelligen.
Insbesondere setzt dieses Schweißen aber die Montageleistung bei diesen Fühlern
herab und kann zu einer Unbeständigkeit oder Schwankung in der Qualität der einzelnen
Fühler führen. Insofern hat sich dieser Lösungsvorschlag als nicht praktikabel und
nützlich erwiesen.
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Es ist demzufolge die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sauerstoff-Fühler
der oben erörterten Art zu schaffen, der einen einfachen Aufbau hat, um eine fluiddichte
Abdichtung bzw. einen fluiddichten Abschluß zwischen einem einen Festelektrolytkörper
lagernden Gehäuse und einem ringförmigen, verschiedene Teile des Fühlers umschließenden
Mantel auf einfache Weise so zu bewerkstelligen, daß keinerlei Spalte vorhanden
sind, durch die, wenn der Fühler Wasser ausgesetzt und demzufolge in seinem Innern
abgekühlt wird, Wasser in den Fühler eingesaugt werden könnte.
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Erfindungsgemäß wird ein Sauerstoff-Fühler mit einem rohrförmigen
Festelektrolytkörper, in dem eine am einen Ende des rohrförmigen Festelektrolytkörpers
geschlossene, am anderen Ende offene Bohrung ausgebildet ist und der an seiner Innen-
sowie Außenfläche Elektroden aufweist, mit einem Metallgehäuse, das den rohrförmigen
Festelektrolytkörper derart trägt, daß seine Außenfläche an dem einen Ende einem
Prüfgas und seine Innenfläche der Umgebungsluft, di.e als Bezugsgas dient, ausgesetzt
ist, und das die Bohrung in gasdichtem Zustand in bezug auf das Prüfgas hält sowie
auf der Seite der Umgebungsluft mit einem ringförmigen Kragen versehen ist, mit
einem in die Bohrung eingesetzten, den Festelektrolytkörper beheizenden Heizelement,
mit Leitereinrichtungen, die ein für eine zwischen den Elektroden induzierte elektromotorische
Kraft kennzeichnendes Ausgangssignal abgeben und dem Heizelement Energie zuführen,
und mit einem ringförmigen Metallmantel, der einen ersten, an einer Außenfläche
des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses in Anlage befindlichen Endabschnitt
hat, geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Innenfläche des ersten
Endabschnitts des ringförmigen Metallmantels an der Außenfläche des ringförmigen
Kragens des Metallgehäuses in fluiddichter Druckanlage gehalten ist und daß die
Innenfläche des ersten Endabschnitts des Metallmantels sowie die Außenfläche des
ringförmigen Kragens des Metallgehäuses in Zusammenarbeit miteinander über den gesamten
Umfang des Metallgehäuses sowie des ringförmigen Metallmantels eine durchlaufende
ringförmige Abdichtung bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung hat der ringförmige
Kragen des Metallgehäuses an seiner Außenfläche wenigstens einen ringförmigen Außen-Vorsprung
mit einem Außen-Durchmesser, der nicht kleiner als ein Innendurchmesser des ersten
Endabschnitts des Metallmantels ist.
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Dabei wird die durchlaufende ringförmige Abdichtung durch
Anpressen
der Innenfläche des ringförmigen Metallmantels an den wenigstens einen Außen-Vorsprung
des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses erhalten.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform im Rahmen der Erfindung hat der
ringförmige Kragen des Metallgehäuses wenigstens einen großkalibrigen Abschnitt
mit einem Außendurchmesser, der nicht kleiner als ein Innendurchmesser des ersten
Endabschnitts des Metallmantels ist, wobei die durchlaufende ringförmige Abdichtung
durch=-pressen der Innenfläche des ringförmigen Metallmantels an den wenigstens
einen großkalibrigen Abschnitt des ringförmigen Kragens erhalten wird.
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Des weiteren sieht die Erfindung eine Ausführungsform vor, wonach
der erste Endabschnitt des ringförmigen Metallmantels wenigstens einen ringförmigen
Innen-Vorsprung an seiner Innenfläche aufweist, welcher einen Innendurchmesser hat,
der nicht größer als ein Außendurchmesser des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses
ist. Hierbei wird die durchlaufende ringförmige Abdichtung durch Anpressen des wenigstens
einen ringförmigen Innen-Vorsprungs des ersten Endabschnitts an die Außenfläche
des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses erhalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung ist vorgesehen,
daß der erste Endabschnitt des ringförmigen Metallmantels wenigstens einen kleinkalibrigen
Abschnitt aufweist, der einen Innendurchmesser hat, welcher nicht größer als ein
Außendurchmesser des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses ist. In diesem Fall
wird die durchlaufende ringförmige Abdichtung durch Anpressen des wenigstens einen
kleinkalibrigen Abschnitts des ersten Endabschnitts des Metallmantels an die Außenfläche
des ringförmigen Kragens des Metallgehäuses erlangt.
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Es ist klar, daß der oben erwähnte Außen-Vorsprung (oder Außen-Vorsprünge)
und/oder der großkalibrige Abschnitt (oder groRalibrige Abschnitte) des ringförmigen
Kragens am Metallgehäuse und der Innen-Vorsprung (die Innen-Vorsprünge) und/oder
der kleinkalibrige Abschnitt (oder kleinkalibrige Abschnitte) des ersten Endabschnitts
des ringförmigen Mantels in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können,
um zwei oder mehr ringförmig durchlaufende Abdichtungen zwischen dem ringförmigen
Kragen und dem ersten Endabschnitt herzustellen.
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Bei dem Sauerstoff-Fühler gemäß der Erfindung können die Leitereinrichtungen
einen ersten, an eine der Elektroden zur Lieferung des Ausgangssignals angeschlossenen
Stromleiter und zweite, zur Energieversorgung des elektrischen Heizelements mit
diesem verbundene Stromleiter umfassen, die an ihrem einen Ende in den Metallmantel
eingeführt sind.
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Wenigstens einer der ersten sowie zweiten Stromleiter kann ein in
der Länge veränderbares, federartiges Teil aufweisen, das eine Längung des wenigstens
einen Stromleiters, d.h.
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eine Einregelung des Abstands zwischen den einander entgegengesetzten
Enden des Stromleiters, zuläßt.
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Das elektrische Heizelement des Sauerstoff-Fühlers kann stabförmig
ausgebildet sein, und die Leitereinrichtungen können einen ringförmigen, auf die
Außenumfangsfläche des stabförmigen Heizelements gepaßten, das Ausgangssignal empfangenden
Leiter umfassen. In diesem Fall hat das stabförmige Heizelement in seiner Außenumfangsfläche
wenigstens eine Ausnehmung, während der ringförmige Leiter mit wenigstens einer
mit der wenigstens einen Ausnehmung in Eingriff gehaltenen Arretierung ausgestattet
ist, so daß der ringförmige Leiter in Umfangsrichtung mit Bezug zum stabförmigen
Heizelement festgelegt ist.
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Alternativ können die Leitereinrichtungen einen ersten, mit einer
der Elektroden zum Empfang des Ausgangssignals in Verbindung stehenden Leitungsdraht
und zweite, mit dem elektrischen Heizelement zur Energiezufuhr zu diesem in Verbindung
stehende Leitungsdrähte einschließen. Ferner umfassen die Leitereinrichtungen Verbinder
zur Verbindung des ersten Leitungsdrahtes mit der einen Elektrode sowie der zweiten
Leitungsdrähte mit dem Heizelement. Der ringförmige Metallmantel hat einen zum ersten
Endabschnitt entgegengesetzt liegenden zweiten Endabschnitt. In diesem Fall kann
der Sauerstoff-Fühler ferner in dem Metallmantel einen elektrischen Isolator mit
mehreren, den ersten sowie zweiten Leitungsdrähten entsprechenden Löchern, in denen
die Verbinder untergebracht sind, enthalten. Ferner ist bei dem Sauerstoff-Fühler
in dem zweiten Endabschnitt des Metallmantels ein elastischer Stopfen aufgenommen,
durch den die ersten sowie zweiten Leitungsdrähte aus dem Metallmantel austreten
und der an einer Innenfläche des zweiten Endabschnitts des Metallmantels in Druckanlage
gehalten ist, so daß die ersten und zweiten Leitungsdrähte in dem elastischen Stopfen
festgelegt sind.
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Ein Sauerstoff-Fühler der obigen Art kann wenigstens ein Paar von
Stecker/Kupplung-Kontakten enthalten, durch die die jeweils der Elektrode bzw. dem
Heizelement zugeordneten ersten und zweiten Leitungsdrähte mit diesen verbunden
werden. Jedes Stecker/Kupplung-Kontaktpaar kann aus einem Stecker und einer Verbindungsmuffe,
in die der Stecker zur Herstellung der elektrischen Verbindung eingesteckt wird,
bestehen.
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Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen, in denen mehrere
beispielhafte und bevorzuqte AUsSührungsformen dargestellt sind, erläutert. Es zeigen:
Fig.
1 einen Sauerstoff-Fühler in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung teils
im Längsschnitt, teils in einer Seitenansicht; Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt in
vergrößertem Maßstab der Ausbildung von Befestigungen zwischen einem Metallgehäuse
und einem Metallmantel; Fig. 3(a) bis 3(d) vergrößerte Teil-Längsschnitte von weiteren
Ausführungsformen für die Befestigung zwischen dem Metallgehäuse und -mantel; Fig.
4, 5 und 6 der Fig. 2 entsprechende Teil-Längsschnitte von weiteren Ausführungsformen
für einen Sauerstoff-Fühler gemäß der Erfindung; Fig. 7 einen anderen Sauerstoff-Fühler
gemäß der Erfindung teils im Längsschnitt, teils in einer Seitenansicht mit einer
abgewandelten Anordnung für die an eine Elektrode und ein Heizelement angeschlossenen
Stromleiter; Fig. 8(a) eine Draufsicht auf einen ringförmigen Leiter und einen daran
angeschlossenen Stromleiter des Fühlers; Fig. 8(b) den Längsschnitt nach der Linie
8 - 8 in der Fig. 8pa); Fig. 9 eine Draufsicht auf das Heizelement und die damit
verbundenen Stromleiter; Fig. 10 und 11 Seitenansichten von abgewandelten Stromleitern,
die mit einem ringförmigen Leiter verbunden sind; Fig. 12 eine Draufsicht auf ein
Heizelement mit daran angeschlossenen Stromleitern; Fig. 13 einen weiteren Sauerstoff-Fühler
teils im Längsschnitt, teils in einer Setienansicht mit einer abgewandelten Ausführung
eines ringförmigen Leiters und Heizelements; Fig.14(a) eine perspektivische Ansicht
eines auf das stabförmige Heizelement gepaßten ringförmigen Leiters in größerem
Maßstab;
Fig. 14(b) einen Teilschnitt zu Fig. 14(a), wobei der
ringförmige Leiter in einer Ausnehmung des Heizelements verrastet ist; Fig. 15(a)
eine teilweise geschnittene Teilansicht zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform
für die Anordnung des ringförmigen Leiters und des Heizelements; Fig. 15(b) den
Schnitt nach der Linie 15 - 15 in der Fig. 15(a): Fig. 15(c) eine Draufsicht auf
eine Grünkeramiktafel, die zur Ausbildung eines stabförmigen Heizelements um einen
Keramikstab herumgelegt wird; Fig. 16 einen weiteren Sauerstoff-Fühler gemäß der
Erfindung teils in einer Seitenansicht, teils im Längsschnitt mit einer Anordnung
zur Halterung von Leitungsdrähten am Ende des Metallmantels; Fig. 17 einen vergrößerten
Teilschnitt eines Endes des Metallmantels, in das zur Halterung der Leitungsdrähte
ein elastischer Stopfen eingesetzt ist; Fig. 18 und 19 Seitenansichten eines Verbinders
zum Anschluß eines Leitungsdrahtes an einen Stromleiter; Fig. 20 eine zu Fig. 17
gleichartige Darstellung eines Metallmantels in abgewandelter Ausführungsform; Fig.
21 eine perspektivische Ansicht eines Verbinders; Fig. 22 den Verbinder von Fig.
21 mit einem Leitungsdraht und einem Stromleiter; Fig. 23 eine perspektivische Darstellung
eines Kragenteils, durch das am Verbinder radial gerichtete Ansätze gebildet werden;
Fig. 24 eine Seitenansicht eines mit dem Kragenteil von Fig. 23 versehenen Verbinders
im in einen Isolator des Sauerstoff-Fühlers eingebauten Zustand;
Fig.
25 eine weitere Ausführungsform eines Sauerstoff-Fühlers gemäß der Erfindung mit
einer abgewandelten Anordnung von Verbindern zwischen den Stromleitern und zugeordneten
Leitungsdrähten; Fig. 26(a) eine Draufsicht auf eine Stecker/Kupplung-Verbindung
für einen Stromleiter des Heizelements; Fig. 26(b) eine teilweise geschnittene Seitenansicht
zu Fig. 26(a); Fig. 27 eine Seitenansicht des Heizelements mit einem darauf gepaßten
ringförmigen Leiter sowie den an das Heizelement und die Elektrode angeschlossenen
Stromleitern.
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Die Fig. 1 zeigt einen Sauerstoff-Fühler, der einen rohrförmigen festen
Elektrolytkörper (Festkörperelektrolyt) 2 aus Zirkonerde oder anderem Festkörperelektrolytmaterial
mit einer länglichen, zylindrischen, im Festkörper 2 in dessen Längsrichtung ausgebildeten
Bohrung 2a und mit einer (nicht gezeigten) inneren (Bezugs-)Elektrode an seiner
Innen- sowie mit einer (nicht gezeigten) äußeren (Meß-) Elektrode an seiner Außenfläche,
wie es in der einschlägigen Technik bekannt ist, umfaßt. Diese Elektroden sind aus
einem geeigneten Material, z.B. porösem Platin, gefertigt und über geeignete Leiterverbindungen
an eine externe Vorrichtung angeschlossen. Der rohrförmige Festkörperelektrolyt
2 wird an seinem offenen Endabschnitt von einem zylindrisch ausgestalteten Metallgehäuse
4 abgestützt, das über eine Kontaktpackung oder einen Kontaktring 3 an der Außenoberfläche
des Festkörpers 2 anliegt, der vom Gehäuse 4 derart getragen wird, daß die Außenfläche
des geschlossenen Endabschnitts einem zu prüfenden Gas, z.B. dem Abgas einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine,
ausgesetzt und die längliche Bohrung 2a in gasdichtem Zustand mit Bezug zum zu prüfenden
Gas gehalten ist, so daß di.eses Gas also nicht
in die Bohrung
2a eintreten kann. Im einzelnen ist das Metallgehäuse 4 mit einem Ringbund 6 sowie
einem Außengewindestück 7 versehen, durch das das Gehäuse 4 an einem (nicht gezeigten)
vom Prüfgas durchströmten Rohr, z.B. an einem Abgasrohr, befestigt wird. Der geschlossene
Endabschnitt des rohrförmigen Festkörperelektrolyten 2 ragt in das Rohr hinein,
um ihn dem zu prüfenden Gas auszusetzen, jedoch ist die längliche Bohrung 2a so
geschützt, daß sie dem Prüfgas nicht ausgesetzt wird. Damit der geschlossene Endabschnitt
des Festkörpers 2 der Strömung des zu prüfenden Gases nicht unmittelbar ausgesetzt
wird, ist eine Schutzhülle 8 vorgesehen, die Öffnungen aufweist, durch die das Prüfgas
zum geschlossenen Endabschnitt des Festkörpers 2 hin eingeführt wird. Eine Dichtung
10 sorgt für eine Abdichtung zwischen dem Ringbund 6 und dem Abgasrohr.
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Das Metallgehäuse 4 hat einen ringförmigen Kragen 12, der in Achsrichtung
des Gehäuses 4 in einer vom geschlossenen zum offenen Endabschnitt des rohrförmigen
Festkörpers 2 verlaufenden Richtung vorragt. Dieser Kragen 12 bestimmt einen offenen
Endabschnitt des Metallgehäuses 4 auf seiten der Umgebungsluft. Verschiedene Teile
des Sauerstoff-Fühlers sind so angeordnet, daß sie die vom Kragen 12 umschlossene
Öffnung durchsetzen. Insbesondere ist in der länglichen Bohrung 2a des Festkörperelektrolyten
2 ein stabförmiges Heizelement 14 so angeordnet, daß dessen rückwärtiger Endabschnitt
durch den ringförmigen Kragen 12 nach rückwärts ragt. Das Heizelement 14 ist zum
Anschluß an eine externe Energiequelle mit Leitungsdrähten 16 verbunden.
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Ein ringförmiger Leiter 18 ist so angeordnet, daß er mit der vorher
erwähnten inneren Elektrode des Festkörperelektrolyten 2 Verbindung hat. Im einzelnen
ist der rückwärtige Endabschnitt des Heizelements 14 von einem frontseitigen
keramischen
Isolator 20 umschlossen, dessen frontseitiger Endabschnitt in den ringförmigen Kragen
12 des Metallgehäuses 4 eingepaßt ist. Der ringförmige Leiter 18 ist mit der Außenfläche
des elektrischen Heizelements 14 und mit der Innenfläche des frontseitigen keramischen
Isolators 20 in Anlage. Des weiteren hat der Leiter 18 einen Flansch, der durch
die frontseitige Stirnfläche des frontseitigen Isolators 20 gegen die gegenüberliegende
Stirnfläche des Festkörperelektrolyten 2 gepreßt wird. Der ringförmige Leiter 18
wird auf diese Weise in seiner Lage gehalten.
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Der frontseitige Isolator 20 ist über ein Abstands- oder Zwischenglied
22 mit einem rückwärtigen keramischen Isolator 24 zusammengefügt. Diese beiden keramischen
Isolatoren 20 und 24 umschließen zusammen rund um den rückwärtigen Abschnitts des
Heizelements 14 einen innenliegenden Isolier- oder Schutzraum. Die Leitungsdrähte
16 sind in den rückwärtigen Isolator 24 eingesetzt und innerhalb des Isolierraumes
an zugeordnete Stromleiter 26a sowie 26b angeschlossen, die mit dem ringförmigen
Leiter 18 und dem Heizelement 14 verbunden sind.
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Der front- und rückseitige Isolator 20, 24 sind von einem metallischen
ringförmigen Mantel 28 umschlossen und abgedeckt, wobei zwischen der Innenfläche
des Mantels 28 und den Außenflächen der keramischen Isolatoren 20, 24 ausreichende
bzw. angemessene Ringräume belassen werden.
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Der Ringmantel 28 ist mit einem ersten Endabschnitt 28a, der mit der
Außenfläche des ringförmigen Kragens 12 des Metallgehäuses 4 in Anlage ist, und
mit einem zweiten Endabschnitt 28b von zum ersten Endabschnitt 28a vergleichsweise
geringem Durchmesser versehen. Ein federnder oder elastischer Stopfen 30, z.B. aus
Gummi, ist im zweiten Endabschnitt 28b festgehalten, und durch diesen Stopfen treten
die Leitungsdrähte 16 in das Innere des rückwärtigen Isolators 24 ein. Angrenzend
an den zweiten Endabschnitt
28b weist der Metallmantel 28 eine
Schulter 28c auf, zwischen deren Innenfläche und dem Isolator 24 eine kegelige Tellerfeder
32 so angeordnet ist, daß deren Innenumfang mit der Außenfläche des rückwärtigen
Isolators 24 in Anlage ist. Diese Tellerfeder 32 übt auf den rückwärtigen Isolator
24 einen zum frontseitigen Isolator 20 hin in deren Achs- oder Längsrichtung gerichteten
Druck aus. Die Schulter 28c ist mit (nicht gezeigten) Nadel löchern versehen, durch
die die Umgebungsluft als Bezugsgas in den Ringmantel 28 eingeführt wird. Durch
Spalte zwischen den verschiedenen Teilen des Fühlers wird die eingeführte Umgebungsluft
zur länglichen Bohrung 2a hin geleitet.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird die Art der Befestigung des metallischen
Mantels 28 am ringförmigen Kragen 12 des Metallgehäuses 4 näher erläutert.
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Wie die Fig. 2 in größerem Maßstab zeigt, ist der erste Endabschnitt
28a des Mantels 28 mit dem Kragen 12 an mehreren Stellen auf dem Umfang verstemmt,
nachdem die Innenfläche dieses Endabschnitts 28a mit der Außenfläche des Kragens
über ihren gesamten Umfang in eine fluiddichte Preßberührung oder zu einem fluiddichten
Preßsitz gebracht worden ist. Im einzelnen werden am Kragen 12 eine in der einschlägigen
Technik bekannte V-förmige Ringkehle 34 sowie ein mit dem Kragen einstückiger ringförmiger
Außen-Vorsprung 36, der von der Außenfläche des Kragens 12 radial auswärts mit vorbestimmer
Höhe zwischen der V-Ringkehle 34 und dem rückwärtigen Ende des Kragens vorsteht,
ausgestaltet. Der Außendurchmesser des Außen-Vorsprungs 36 wird - gemessen an seinem
Scheitel - so gewählt, daß er geringfügig größer ist als der Innendurchmesser des
ersten Endabschnitts 28a des Mantels 28.
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Um den ringförmigen Mantel 28 am Kragen 12 des Metallgehäuses 4 zu
befestigen, wird der erste Endabschnitt 28a des Mantels 28 auf den ringförmigen
Kragen 12 gedrückt, während er in gleitender Reibberührung mit dem Außen-Vorsprung
36 am Kragen 12 in Richtung zum Ringbund 6 hin geschoben wird.
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Im Verlauf der Preßsitz-Reibungsbewegung des Mantels 28 mit Bezug
zum Kragen 12 wird der erste Endabschnitt28a auf Grund einer Verformung radial aufgeweitet,
wobei seine Innenfläche unter Druck am Außen-Vorsprung 36 anliegt. Nach dem Einbringen
des ringförmigen Kragens 12 in den ersten Endabschnitt 28a wird dieser mit dem Kragen
12 an mehreren über den Umfang beabstandeten Stellen verstemmt, so daß verstemmte
Teile 38 des ersten Mantelendabschnitts 28a mit der V-Ringkehle 34 zum Eingriff
kommen. Auf diese Weise wird der Ringmantel 28 am ringförmigen Kragen 12 befestigt.
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Wenn der Mantel 28 am Metallgehäuse 4 in der beschriebenen Weise befestigt
ist, so wird die Innenfläche des ersten Endabschnitts 28a des Mantels 28 in fluiddichter
Druckberührung oder -anlage am Außen-Vorsprung 36 des Kragens 12 gehalten, was bedeutet,
daß die Anordnung des ringförmigen Außen-Vorsprungs 36 die Erstellung eines durchlaufenden,
ringförmigen und fluiddichten Ab- oder Verschlusses zwischen dem ringförmigen Kragen
12 und dem ersten Endabschnitt 28a des Mantels 28 über deren gesamte Umfänge ermöglicht
und gewährleistet.
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Das Ausmaß der Verformung, d.h. der radialen Erweiterung, des ersten
Endabschnitts 28a bei seiner Bewegung in bezug zum Kragen 12 zum Preßsitz hängt
vom Außendurchmesser des Außen-Vorsprungs 36 ab, was bedeutet, daß der Grad der
radialen Erweiterung des Endabschnitts 28a in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen
dem Außendurchmesser des Außen-Vorsprungs 36 und dem Innendurchmesser des ersten
Endabschnitts 28a zu verändern ist. Der Außendurchmesser des
Außen-Vorsprungs
36 kann gleich dem Innendurchmesser des ersten Endabschnitts 28a sein. Der oben
erwähnte Unterschied, der Null sein kann, wird durch das Material und die Wandstärke
des metallischen Mantels 28 sowie durch andere Faktoren bestimmt.
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Die durchlaufende fluiddichte Abdichtung zwischen dem Metallmantel
28 und dem ringförmigen Metallgehäuse 4 bzw.
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dessen Kragen 12 über deren gesamte Umfänge verhindert ein Eindringen
von Wasser in den Sauerstoff-Fühler durch ansonsten vorhandene Spalte zwischen dem
Gehäuse 4 und dem Mantel 28, wenn der Sauerstoff-Fühler Wasser ausgesetzt oder in
solches eingetaucht wird, was ein Abkühlen im Innern des Fühlers und damit ein Einsaugen
von Wasser in diesen zur Folge hat. Die bauliche Ausgestaltung der fluiddichten
Befestigung des Mantels 28 am Gehäuse 4 in der oben beschriebenen Weise bietet eine
wirksame, leistungsfähige Lösung gegenüber dem üblicherweise aufgetretenen Wassereindringen
in den Fühler, das eine nachteilige Wirkung auf die vom Fühler erzeugte EMK ausübt
und einen Schaden an oder ein Fehlverhalten von verschiedenen Teilen des Fühlers
hervorrufen kann.
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Die Fig. 3(a) - 3(d) zeigen abgewandelte Ausbildungen für eine fluiddichte
Befestigung des Ringmantels 28 am ringförmigen Kragen 12 des Metallgehäuses 4.
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Gemäß Fig. 3(a) hat der Kragen des Gehäuses 4 an seinem freien Ende
einen konischen oder kegeligen Abschnitt 40 sowie einen großkalibrigen Abschnitt
44, der sich über eine beträchtliche Länge vom großkalibrigon Ende des konischen
Abschnitts 40 weg erstreckt. Der großkalibrige Abschnitt 44 hat einen gegenüber
dem Innendurchmesser des ersten Endabschnitts 28a des Mantels 28 größeren Außendurchmesser.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. 3(b) weist der Kragen 12 einen von seinem
Ende ausgehenden konischen Abschnitt 42 von beträchtlicher Länge auf. Dieser Abschnitt
42 ist mit einem großkalibrigen Abschnitt 44 versehen, dessen Außendurchmesser größer
ist als der Innendurchmesser des ersten Endabschnitts 28a des Mantels 28.
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Gemäß Fig. 3(c) hat der Kragen 12 einen kleinkalibrigen Abschnitt
43, der sich vom freien Kragenende aus über eine angemessene Länge erstreckt, einen
großkalibrigen Abschnitt 44 und einen konischen Abschnitt 46 zwischen dem kleinsowie
großkalibrigen Abschnitt 43 und 44. Der Außendurchmesser des kleinkalibrigen Abschnitts
43 ist geringer als der Innendurchmesser des ersten Endabschnitts 28a des Mantels
28, während der Außendurchmesser des großkalibrigen Abschnitts 44 im wesentlichen
gleich dem oder größer ist als der Innendurchmesser des ersten Endabschnitts 28a.
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Der großkalibrige Abschnitt 44 ist mit einer V-förmigen Kehle 34 zum
Verstemmen versehen.
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Der in Fig. 3(d) gezeigte ringförmige Kragen 12 hat einen zusätzlichen
großkalibrigen Abschnitt 44, der einen Außen-Vorsprung am in Fig. 3(c) gezeigten
kleinkalibrigen Abschnitt 43 darstellt. Das heißt mit anderen Worten, daß der ringförmige
Kragen 12 nach Fig. 3(d) mehrere großkalibrige Abschnitte oder Außen-Vorsprünge
44 aufweist.
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Bei jeder der verschiedenen Ausführungsformen für den ringförmigen
Kragen 12, die in den Fig. 3(a) - 3(d) gezeigt sind, wird, wenn der erste Endabschnitt
28a auf den Kragen 12 gedrückt wird, dieser Endabschnitt 28a des Metallmantels 28
an der Keilfläche des jeweiligen konischen Abschnitts 40, 42 oder 46 geführt. Während
der Preßsitzbewegung des ersten Endabschnitts 28a mit Bezug zum Kragen 12 wird der
Endabschnitt 28a auf Grund seiner Verformung bei der unter
Pressung
erfolgenden Reibanlage am ringförmigen Kragen 12 radial erweitert und schließlich
infolgedessen am großkalibrigen Abschnitt 44 in fluiddichter Berührung unter Druck
gehalten. Bei den in Fig. 3(a) - 3(d) gezeigten Ausführungsformen ist der erste
Endabschnitt 28a über einen größeren Umfangsbereich im Vergleich zur Ausführungsform
von Fig. 2 mit dem ringförmigen Kragen 12 in Druckanlage, weshalb folglich die Fluiddichtigkeit
zwischen dem Metallgehäuse 4 und dem ringförmigen Mantel 28 erhöht wird.
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Ferner ist die V-förmige Ringkehle 34 für das Verstemmen des ersten
Mantelendabschnitts 28a mit dem Kragen 12 im großkalibrigen Abschnitt 44 ausgebildet,
was bedeutet, daß das Verstemmen des ersten Endabschnitts 28a dort erfolgt, wo er
fluiddicht gegen die Oberfläche des großkalibrigen Abschnitts 44 gepreßt wird, d.h.,
das Verstemmen wird ohne einen Zwischenraum oder Spalt zwischen dem ringförmigen
Kragen 12 und dem ringförmigen Mantel 28 bewerkstelligt.
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Durch das Verstemmen oder Einquetschen des ersten Endabschnitts 28a
zum Eingriff mit der V-Kehle 34 wird eine gesteigerte Wirkung in bezug auf die Fluiddichte
erhalten.
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Der Kegelwinkel oc der konischen Abschnitte 40, 42 und 46 zur Führung
des ersten Endabschnitts 28a zum oder auf den großkalibrigen Abschnitt 44 wird so
gewählt, daß der erste Endabschnitt die Möglichkeit zur radialen Erweiterung bei
Beibehaltung eines angemessenen Drucks gegen den großkalibrigen Abschnitt 44 hat.
Im allgemeinen wird der Kegelwinkel cs vorzugsweise nicht größer als 450 angesetzt.
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Während gemäß den bisherigen Erläuterungen der fluiddichte Eingriff
zwischen dem ringförmigen Metallmantel 28 und dem Kragen 12 des Metallgehäuses 4
mit Hilfe eines geeigneten Profils der Außenumfangsfläche des ringförmigen Kragens
12 erreicht wird, kann das Prinzip der Erfindung in gleicher Weise durch Ausgestaltung
des ersten Endabschnitts
28a des Mantels 28 mit geeignetem Profil,
wie die Fig.4 und 5 zeigen, in die Praxis umgesetzt werden, d.h., es kann ein fluiddichter
Eingriff zwischen dem Kragen 12 und dem Mantel 28 durch Ausbildung von einem oder
von mehreren Innen-Vorsprüngen und/oder von kleinkalibrigen Abschnitten an der Innenfläche
des ersten Endabschnitts 28a erzielt werden, so daß der Innen-Vorsprung oder die
Innen-Vorsprünge und/oder der kleinkalibrige Abschnitt bzw. die kleinkalibrigen
Abschnitte in Druckberührung mit der Außenfläche des ringförmigen Kragens 12 gehalten
wird bzw. werden.
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Bei der Ausführungsform von Fig. 4 ist der erste Endabschnitt 28a
an seiner Innenfläche mit zwei in Längsrichtung zueinander beabstandeten ringförmigen
Innen-Vorsprüngen 48 versehen, die über den gesamten Umfang des ersten Endabschnitts
28a verlaufen. Der Innendurchmesser dieser Innen-Vorsprünge 48 wird so gewählt,
daß er dem Außendurchmesser des Kragens 12 gleich oder kleiner als dieser ist, so
daß der Preßsitz der Innen-Vorsprünge 48 an der Außenfläche des Kragens 12 zu einer
durchlaufenden, ringförmigen, fluiddichten Abdichtung zwischen dem ersten Mantelendabschnitt
28a und dem ringförmigen Kragen 12 über deren gesamten Umfang führt. Wenn die Innen-Vorsprünge
48 in Druckanlage an der Außenfläche des Kragens 12 gehalten werden, dann wird der
erste Endabschnitt 28a an mehreren Stellen auf seinem Umfang an seinem freien Ende
in die im Kragen 12 ausgestaltete V-Ringkehle 34 eingestemmt oder -gequetscht, womit
die verstemmten Teile oder Bereiche 38 erzeugt werden.
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Der in Fig. 5 gezeigte erste Endabschnitt 28a weist lediglich einen
Innen-Vorsprung 48 auf, jedoch hat er zusätzlich einen kleinkalibrigen Abschnitt
50, der an der äußersten Kante des ersten Endabschnitts 28a ausläuft. Der kleinkalibrige
Abschnitt 50 hat einen Innendurchmesser, der geringer ist als der Außendurchmesser
des ringförmigen
Kragens 12. Bei dieser Ausführungsform wird der
erste Endabschnitt 28a des Mantels 28 sowohl am kleinkalibrigen Abschnitt 50 wie
auch am Innen-Vorsprung 48 gegen die Außenfläche des Kragens 12 gepreßt. Das bedeutet,
daß der durchlaufende, ringförmige, fluiddichte Abschlußzustand an zwei in Achs-
oder Längsrichtung voneinander getrennten Stellen auf der Längserstreckung des ringförmigen
Mantels 28 bewerkstelligt wird. In diesem Zustand wird an den Stellen 38 der kleinkalibrige
Abschnitt 50 mit dem Kragen 12 verstemmt, womit der Mantel 28 am Kragen 12 des Metallgehäuses
4 mit erhöhter Fluiddichtigkeit zwischen diesen Teilen befestigt wird.
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Eine andere Art von fluiddichten Ausbildungen zwischen dem Kragen
12 und dem ersten Mantelendabschnitt 28a ist in Fig. 6 dargestellt, wobei der erste
Endabschnitt 28a an drei in Längsrichtung zueinander beabstandeten Stellen mit dem
Kragen 12 in Druckanlage gehalten wird, um eine noch perfektere Dichtigkeit gegen
einen Fluiddurchtritt zwischen den beiden Bauteilen 28a und 12 zu gewährleisten.
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Im einzelnen ist am ersten Endabschnitt 28a ein ringförmiger Innen-Vorsprung
48 ausgestaltet, während am Kragen 12 ein einziger ringförmiger Außen-Vorsprung
36 sowie ein großkalibriger Abschnitt 44 mit der V-Ringkehle 34 zwischen diesen
Teilen 36 und 44 ausgebildet sind. Der Außen-Vorsprung 36 ist zwischen dem Innen-Vorsprung
48 und der V-Ringkehle 34 angeordnet, wenn der Mantel 28 am Kragen 12 in seine Lage
gebracht worden ist. Bei dieser Ausführungsform werden am großkalibrigen Abschnitt
44, am Außen-Vorsprung 36 sowie am Innen-Vorsprung 48 jeweils ein durchlaufender,
ringförmiger, fluiddichter Abschluß gebildet.
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Die Fig. 7 bis 27 zeigen verschiedenartige Abwandlungen des Erfindungsgegenstandes,
wobei zu den Ausführungsformen
von Fig. 1 - 6 gleiche Teile und
Elemente dieselben Bezugszahlen tragen und nicht nochmals besonders erläutert werden.
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Eine erste abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 7 gezeigt.
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Hierbei ist der ringförmige Leiter 18, der mit der inneren Elektrode
(Bezugselektrode) des Festkörperelektrolyten 2 Verbindung hat, an den Leitungsdraht
16a über einen ersten Stromleiter 52 in Form eines schmalen Streifens angeschlossen.
Im einzelnen weist der ringförmige Leiter 18 mehrere Zungen 54 auf, die in der Umfangsrichtung
des Leiters 18, wie die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen, voneinander beabstandet sind.
Der erste Stromleiter 52 ist an seinem einen Ende mit einer dieser Zungen 54 und
an seinem anderen Ende mit einem Verbinder 56 am Ende des Leitungsdrahtes 16a verbunden,
wobei sich der Verbinder 56 innerhalb des rückwärtigen keramischen Isolators 24
befindet. Die Verbindung zwischen dem ersten Stromleiter 52 und dem Verbinder 56
wird durch dessen Verstemmen oder Zusammenquetschen hergestellt. Damit ist der ringförmige
Leiter 18 elektrisch mit dem Leitungsdraht 16a, der sich durch den im kleinkalibrigen
zweiten Endabschnitt 28b des Metallmantels 28 festgehaltenen Gummistopfen 30 erstreckt,
verbunden.
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Der erste Stromleiter 52 weist fünf Abbiegungen oder Abwinkelungen
auf, die, wie die Fig. 8(a) und 8(b) zeigen, ein W-förmiges Teil 58 bestimmen, das
als dehn- oder streckbares Teil dient und eine Längung des Stromleiters 52 in seiner
Längsrichtung erlaubt.
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Um dem stabförmigen elektrischen Heizelement 14 Energie zuzuführen,
sind zwei zweite Stromleiter 60, von denen in Fig. 7 nur einer zu sehen ist und
die sich vom rückwärtigen Ende des Heizelements 14 nach rückwärts erstrecken, an
die Leitungsdrähte 16b und 16c mit Hilfe von zugeordneten Verbindern
62
angeschlossen. Die zweiten Stromleiter 60 sind an ihrem einen Ende mit Leitern des
elektrischen Heizelements 14 durch Hart löten und an ihrem anderen Ende mit den
Verbindern 62 durch Zusammenquetschen dieser verbunden.
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Bei dem auf diese Weise aufgebauten Sauerstoff-Fühler ist der erste,
mit dem ringförmigen Leiter 18 verbundene Stromleiter 52 dank des Vorhandenseins
des W-förmigen Teils 58 in seiner Längsrichtung auseinander-und zusammenziehbar.
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Das bedeutet, daß der Abstand zwischen den einander entgegengesetzten
Enden des Stromleiters 52 nach Erfordernis oder Bedarf eingeregelt werden kann,
wenn die Bauteile des Fühlers zusammengebaut werden. Das W-förmige Teil 58 wird
so verformt, daß es möglich ist, den ersten Stromleiter 52 als Ganzes zu verlängern
oder zu verkürzen, um einen Ausgleich für eine Kürzung oder ein Übermaß der ursprünglichen
Länge, was auf Grund von Abmesssungsabweichungen oder -toleranzen der zusammenzubauenden
Teile eintreten kann, zu erhalten.
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Insofern ist dieser in der Länge veränderliche Teil 58 von großem
Nutzen, wenn es darum geht, einen möglichen Durchhang (Schlaffheit) oder eine übermäßige
Streckung des ersten Stromleiters 52 bei dem Zusammenbau des Sauerstoff-Fühlers
zu beseitigen.
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Die Aufnahme eines Durchhangs des ersten Stromleiters 52 durch das
Förmige Teil 58 trägt ganz entscheidend zur Beseitigung des Problems einer Berührung
des ersten Stromleiters 52 mit anderen elektrisch leitenden Elementen, insbesondere
mit den zweiten Stromleitern 60 für das Heizelement 14, bei, da durch eine solche
Berührung ein Kurzschluß zwischen den Stromleitern 52 und 60 hervorgerufen wird.
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Somit bietet das W-förmige, in der Länge veränderliche Teil 58 Lösungen
in bezug auf die herkömmlicherweise in Erscheinung tretenden Nachteile, wie Kürzung
in der Länge
des Stromleiters und dessen Loslösen wegen übermäßiger
Streckung. Das hat einen leichteren Zmmenbau, eine verlängerte Lebensdauer und eine
erhöhte Betriebszuverlässigkeit des Sauerstoff-Fühlers zum Ergebnis.
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Während bei der oben beschriebenen Ausführungsform der erste Stromleiter
52 mit einem in der Länge nach Art einer Feder veränderbaren Teil versehen ist,
ist es auch möglich, die zweiten Stromleiter 60 mit geeigneten längenveränderlichen
Teilen, wie Fig. 9 zeigt, auszustatten, wobei jeder zweite Stromleiter 60 einen
veränderbaren Abschnitt in Gestalt eines gewendelten Teils 64 aufweist, der bzw.
das wirksam den Abstand zwischen den entgegengesetzten Enden des Stromleiters 60
so regelt, daß eine Überlänge oder eine Knappheit in der Länge des Stromleiters
aufgenommen oder ausgeglichen wird. Ferner verringert das längenveränderliche gewendelte
Teil 64 die Möglichkeit für einen Kurzschluß zwischen den beiden zweiten Stromleitern
60 oder zwischen einem zweiten und dem ersten Stromleiter 60 bzw. 52 wie auch die
Möglichkeit einer übermäßigen Streckung oder Spannung mit daraus folgendem Loslösen
der zweiten Stromleiter 60.
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Wenngleich es vorgezogen wird, daß die längenveränderlichen Teile
58, 64 der ersten und zweiten Stromleiter 52, 60 ein elastisches Verhalten zeigen,
so kann die Funktion dieser Teile auch ohne elastische oder federnde Kennwerte erfüllt
werden.
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Die Fig. 10 und 11 zeigen alternative Ausführungsformen für ein längenveränderliches
Teil im ersten, mit dem ringförmigen Leiter 18 verbundenen Stromleiter 66, der im
Fall der Fig. 10 ein in der Länge veränderliches Teil in Form einer Wendel 68 enthält,
während er im Fall der Fig. 11
mit einer Schlaufe oder Schlinge
70 als längenveränderliches Teil versehen ist. Die zweiten Stromleiter 60 können
ebenfalls je eine Schlaufe 72 enthalten, wie Fig. 12 zeigt.
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Diese Ausbildungen des längenveränderlichen Teils der Stromleiter
erfüllen im wesentlichen die gleiche Funktion, wie sie vorher dargelegt wurde.
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Wenngleich es erwünscht ist, alle ersten und zweiten Stromleiter 52,
60 mit geeigneten, in der Länge veränderlichen Teilen von federartigem Verhalten
oder federartiger Gestalt zu versehen, so kann eine bedeutsame Wirkung selbst dann
erwartet werden, wenn entweder der erste oder der zweite Stromleiter 52 bzw. 60
mit solchen längenveränderlichen Teilen zur Einregelung des Abstands zwischen einander
entgegengesetzten Anschlußenden der Stromleiter ausgestattet wird bzw. werden.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 13, 14(a) und 14(b) wird eine weitere
Ausführungsform gemäß der Erfindung erörtert.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Innen- oder Bezugselektrode des
Festkörperelektrolyten 2 mit dem Leitungsdraht 16a über einen ringförmigen Leiter
74, einen ersten Stromleiter 26a und den bereits erwähnten Verbinder 56 verbunden.
Der ringförmige Leiter 74 ist mit mehreren Zungen 54 versehen, von denen eine im
ersten Stromleiter 26a ausläuft, wie das in Verbindung mit der vorigen Ausführungsform
erläutert wurde. Die Zungen 54 werden mit der Außenfläche des stabförmigen Heizelements
14 in Berührung gehalten, so daß sie einen Reibungswiderstand bezüglich der Bewegung
des ringförmigen Leiters 74 gegenüber dem Heizelement 14 bieten.
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Für einen vollkommenen Schutz des ringförmigen Lei.ters 74 gegen seine
Verlagerung mit Bezug zum Heizelement 14 wird eine der Zungen 54, die nicht im ersten
Stromleiter 26a ausläuft, als eine Raste oder Arretierung 54', die einen radial
nach
innen gerichteten Vorsprung 76 hat, herangezogen.
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Das stabförmige Heizelement 14 ist seinerseits in seiner Außenumfangsfläche
mit einer Ausnehmung 78 versehen, wie die Fig. 14(a) und 14(b) erkennen lassen.
Der mit der Raste 54' als einstückiges Teil ausgebildete Innen-Vorsprung 76 wird
mit der Ausnehmung 78 in Eingriff gehalten, so daß der ringförmige Leiter 74 mit
Bezug zum Heizelement 14 in seiner Lage gesichert ist. Durch das Eingreifen des
Innen-Vorsprungs 76 der Raste 54' in die Ausnehmung 78 wird somit der ringförmige
Leiter 74 an einer Bewegung in Umfangswie in Längsrichtung mit Bezug'zum Heizelement
14 gehindert, womit die Möglichkeit, daß der erste, vom ringförmigen Leiter 74 ausgehende
Stromleiter 26a mit den zweiten, hart an die Leiter des Heizelements 14 gelöteten
Stromleitern 26b in Berührung kommt, was ansonsten auf Grund einer möglichen Reibdrehung
des ringförmigen Leiters 74 mit Bezug zum Heizelement 14 bei einem Schwingen des
Sauerstoff-Fühlers während seines Zusarenenbaus oder während seines Arbeitens an
einem Kraftfahrzeug geschehen kann, im wesentlichen beseitigt wird Insofern wird
damit ein Kurzschluß der Stromleiter 26a und 26b vermieden.
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Die Ausnehmung 78 für einen Innen-Vorsprung an der Rastzunge 54' des
ringförmigen Leiters 74 wird geeigneterweise im stabförmigen Heizelement 14 derart
ausgebildet, wie das unter Bezugnahme auf die Fig. 15(a) - 15(c) beschrieben wird,
wobei die Ausnehmung 78 mit einem Innen-Vorsprung 80 in Eingriff ist. Das Heizelement
14 von Fig. 15(a) und 15(b) besteht aus einem einstückigen, gebrannten, inneren
Keramikstab 82 und einer äußeren, ringförmigen Keramikhülle 84 mit einem aufgedruckten
Wärmeerzeugungsteil 88. Die äußere Keramikhülle 84 wird, wie Fig. 15(c) zeigt, aus
einer ungebrannten Grünkeramiktafel 86 gebildet, auf die mit geeigneten Materialien
vorbestimmte Schemata des wärmeerzeugenden
Teils 88 und eines
elektrisch leitenden Teils 90 gedruckt werden. In der Grünkeramiktafel 86 wird eine
rechteckige Öffnung 92 ausgestanzt. Die derart vorbereitete Grünkeramiktafel 86
wird um eine ungebrannte Masse des inneren Keramikstabes 82 derart herumgelegt,
daß die aufgedruckten wärmeerzeugenden und elektrisch leitenden Teile 88, 90 auf
der Seite der ungebrannten Masse des Keramikstabes 82 angeordnet sind. Die so erhaltene
Anordnung aus der ungebrannten Grüntafel 86 und der ungebrannten Masse des Keramikstabes
82 wird dann zusammen gebrannt, so daß der gebrannte, ein Stück bildende Körper
des stabförmigen Heizelements 14 erzeugt wird.
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Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, wirkt die ursprünglich
in der Grüntafel 86 ausgebildete Rechtecköffnung 92 mit der Außenfläche des inneren
Keramikstabes 82 zusammen, um die Ausnehmung 78 zu bestimmen, mit der der Innen-Vorsprung
80 der Raste 54' des Leiters 74 zum Eingriff gebracht wird, um den Leiter 74 am
stabförmigen Heizelement 14 zu halten und zu positionieren.
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Die zweiten Stromleiter 26b werden jeweils an die elektrisch leitenden
Teile 90 durch (nicht gezeigte) Zugangsöffnungen, die ebenfalls in der äußeren,
grünen Keramiktafel 86 ursprünglich ausgebildet wurden, hart angelötet. Bei dem
oben erläuterten Vorgang, wobei das Heizelement 14 durch ein Abdecken des ungebrannten
Keramikstabes mit der grünen Keramiktafel 86 gefertigt wird, wird die Ausnehmung
78 auf einfache Weise als Ergebnis der Ausbildung der Rechtecköffnung 92 in der
Grünkeramiktafel 86 ausgestaltet.
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Eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung wird anhand der Fig.
16 und 17 beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird am zweiten Endabschnitt 28b
des metallischen ringförmigen Mantels 28 ein mittlerer Bereich 94 radial
nach
innen gegen die Außenfläche des elastischen Gummistopfens 30 gestemmt oder gepreßt,
und zwar erfolgt das auf dem gesamten Umfang des mittleren Teils des zweiten Endabschnitts
28b. Als Ergebnis dieses radialen Einwärtspressens oder -quetschens wird am zweiten
Mantelendabschnitt 28b ein eingedrückter Bereich 94 gebildet, der den entsprechenden
mittleren Bereich des Gummistopfens 30 radial einwärts zusammendrückt, so daß der
erste Leitungsdraht 16a wie auch die zweiten Leitungsdrähte 16b und 16c fest im
Gummistopfen 30 gehalten werden.
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Die auf diese Weise festgehaltenen Leitungsdrähte 16a, 16b und 16c
verlaufen durch im rückwärtigen keramischen Isolator 24 ausgebildete Eintrittsöffnungen
96 und sind mit den zugeordneten Stromleitern 26a bzw. 26b (von letzteren ist nur
einer in Fig. 16 sichtbar) unter Verwendung von Verbindern 98 verbunden. Die Verbinder
98 sind in ebenfalls im Isolator 24 ausgestalteten Löchern 100 aufgenommen.
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Die elektrische Verbindung der Leitungsdrähte 16a - 16c und der Stromleiter
26a - 26c mit den Verbindern 98 wird durch Quetschen oder Verstemmen der Verbinder
98 gegen die Stromleiter und Leitungsdrähte hergestellt.
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Wie die Fig. 18 und 19 in größerem Maßstab deutlich zeigen, weist
jeder Verbinder 98 ein Paar von radialen Nasen 102 auf, die sich in entgegengesetzten
Richtungen erstrecken, so daß ihre Enden an die Innenflächen der im rückwärtigen
Isolator 24 abgegrenzten Löcher 100 stoßen, womit die Verbinder innerhalb des jeweils
zugeordneten Lochs 100 durch die radialen Nasen 102 in ihrer Lage gehalten werden.
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Diese Nasen 102 dienen dazu, radiale Rüttelbewegungen der Verbinder
auf Grund von Vibrationen, denen der Sauerstoff-Fühler ausgesetzt ist, zu verhindern
und damit die Stromleiter 26a und 26b, die sonst allzu leicht einem Ermüdungsbruch
ausgesetzt sind, zu schützen.
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Ein Verbinder 98 hat drei in der Längsrichtung voneinander beabstandete
Verstemm- oder Quetschteile 98a, 98b und 98c, wie Fig. 18 zeigt. Das erste Quetschteil
98a dient dazu, den Endabschnitt des Außenmantels (der Isolierung) des Leitungsdrahtes
16a zu halten, während das zweite, mittlere Quetschteil 98b dazu dient, das Ende
der Seele des Leitungsdrahtes für eine elektrische Verbindung zu halten. Das dritte
Quetschteil 98c hat die Aufgabe, zur Herstellung einer elektrischen Verbindung das
Ende des zugeordneten Stromleiters 26a zu halten. Die radialen Nasen 102 gehen von
dem zwischen dem zweiten und dritten Quetschteil 98b und 98c liegenden Bereich aus,
so daß die Nasen 102 im wesentlichen rechtwinklig zur Längsrichtung des Verbinders
98, d.h. zur Erstreckung des Lochs 100, gerichtet sind, wie in Fig. 19 mit ausgezogenen
Linien angedeutet ist. Bei dem Zusammenbau des Sauerstoff-Fühlers wird der Verbinder
98 in das zugehörige Loch 100 gepreßt, wobei die radialen Nasen 102 leicht gebogen
werden und mit der Innenfläche des Lochs 100 unter Druck in gleitenderReibanlage
sind, wie in Fig. 19 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Schließlich nimmt
der Verbinder 98 die in Fig. 18 gezeigte Lage ein.
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Bei der in Rede stehenden Anordnung sind die Leitungsdrähte 16a, 16b
und 16c unter der Wirkung der vom eingedrückten Bereich 94 im zweiten Mantelendabschnitt
28b ausgeübten Kompressionskraft fest im Gummistopfen 30 gehalten. Demzufolge werden
äußere Vibrationen der Leitungsdrähte nicht unmittelbar auf die Stromleiter 26a
und 26b übertragen. Zusätzlich werden durch die stoßende Anlage der radialen Nasen
102 an den Innenflächen der im Isolator 24 ausgestalteten Löcher 100 Rüttelbewegungen
der Verbinder 98 verhindert.
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Wenngleich der Gummistopfen 30 durch Aufbringen eines Quetschdrucks
auf den Bereich 94 des zweiten Mantelendabschnitts
28b radial
nach innen hin zusammengedrückt wird, nachdem der Stopfen 30 in diesen Endabschnitt
28b eingesetzt worden ist, so sst es auch möglich, den Gummistopfen 30 im zweiten
Endabschnitt 28b im Preßsitz festzuhalten, ohne anschließend eine Quetschwirkung
am Endabschnitt 28b auszuüben. Der in Fig. 20 gezeigte Gummistopfen 30 ist im Preßsitz
festgelegt worden. In diesem Fall werden die Leitungsdrähte 16a - 16c zuerst durch
den Gummistopfen 30 geführt, der dann in den zweiten Mantelendabschnitt 28b eingedrückt
wird.
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Die an den Verbindern 98 vorgesehenen Nasen 102 können durch andere
Ausbildungen ersetzt werden, wie die Fig. 21 - 24 zeigen.
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Der Verbinder 104 von Fig. 21 und 22 weist ein erstes Quetschstück
104a zum Festhalten des Endes der äußeren Isolierunq des Leitungsdrahtes 16a (oder
16b bzw. 16c), ein zweites Quetschstück 104b zum Halten der Seele des Leitungsdrahtes
und ein drittes Quetschstück 104c zum Halten des Endes des Stromleiters 26a (oder
26b) auf. Das dritte Quetschstück 104c ist mit zwei Lappen 106 versehen, die sich
in einer vom ersten Quetschstück 104a zum dritten Quetschstück 104c parallel verlaufenden
Richtung erstrecken. Diese beiden parallelen Lappen 106 werden in entgegengesetzten
Richtungen unter einem geeigneten Winkel mit Bezug zur Linie der Erstreckung des
Stromleiters 26a (oder 26b) seitwärts abgebogen, wie mit gestrichelten Linien in
Fig. 22 angedeutet ist, so daß die Enden der abgebogenen Lappen 106' in stoßender
Berührung an der Innenwand des im rückwärtigen Isolator 24 bestimmten Lochs 100
gehalten werden. Damit wird der Verbinder 104 im Loch 100 in seiner Position festgelegt.
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Eine weitere Ausführungsform für einen Verbinder ist in den Fig. 23
und 24 gezeigt. Hier ist ein Verbinder 107
herkömmlicher Art mit
einem eigenen oder getrennten Kragenteil 108 versehen, das einen Zylinderabschnitt
110, der auf einen in Längsrichtung mittleren Teil des Verbinders 107 paßt, und
ferner vier durch V-förmige Ausschnitte voneinander getrennte Kragenabschnitte 112
umfaßt, welche einen allgemein kegelstumpfförmigen Kragen, der sich in axialer Richtung
an die eine Seite des Zylinderabschnitts 110 anschließt, bestimmen. Wie die Fig.
24 zeigt, wird der Verbinder 107 mit dem in die richtige Lage gebrachten Kragenteil
108 im Loch 100 dadurch festgelegt, daß die Kragenabschnitte 112 an der das Loch
100 umschließenden Innenwand in stoßende Anlage gebracht werden.
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Anhand der Fig. 25 - 27 wird eine weitere Ausführungsform gcmäß der
Erfindung beschrieben. Hierbei sind die Leitungsdrähte 16a - 16c mit dem ersten
Stromleiter 26a bzw. den zweiten Stromleitern 26b, von denen nur einer in Fig. 25
zu sehen ist, elektrisch durch Verbinder 114 nach Art einer Stecker/Kupplung-Verbindung
verbunden.
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Jeder der zweiten Stromleiter 26b, die sich vom rückwärtigen Teil
des elektrischen Heizelements 14 weg erstrecken, ist, wie die Fig. 26(a) und 26(b)
zeigen, als Stecker in Form eines dünnen Metallstifts ausgebildet. Andererseits
ist der Verbinder 114 an seinem einen Ende elektrisch an das Ende eines zugeordneten
Leitungsdrahtes 16b (oder 16c) angeschlossen und weist eine einstückig mit ihm ausgebildete
Kupplung in Form einer relativ langen Verbindungsbuchse 116 mit einer Öffnung 118
auf. Die Verbindungsbuchse 116 geht vom anderen (dem Leitungsdraht 16b gegenüberliegenden)
Ende des Verbinders 114 aus, so daß der Endabschnitt des Metallstifts 26b in die
Öffnung 118 eingesetzt werden kann, um einen elektrischen Anschluß zum Verbinder
114 und damit zum Leitungsdraht 16b (oder 16c) herzustellen. In gleichartiger
Weise
besteht der erste, mit dem ringförmigen Leiter 18 verbundene Stromleiter 26a aus
einem Steckerkontakt aus einem starren oder einem elastischen Metallmaterial, der
in die Öffnung 118 in der länglichen Verbindungsbuchse 116 des Verbinders 114 eingesteckt
wird.
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Jeder Verbinder 114 ist von herkömmlicher Art und weist einen ersten
Abschnitt 114a, um das Ende der Außenisolierung eines Leitungsdrahtes 16 zu halten,
sowie einen zweiten Abschnitt 114b, um das Ende der Seele des Leitungsdrahtes zu
halten, auf, so daß der Verbinder 114 somit mit dem Leitungsdraht elektrisch verbunden
ist. Die vorher erwähnte Verbindungsbuchse 116 ist als ein Stück mit dem zweiten
Abschnitt 114b, von dessen Ende sie ausgeht, ausgebildet.
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Wie Fig. 27 zeigt, ist der erste Stromleiter 26a, d.h. der Stecker,
ein einstückiges Teil des ringförmigen Leiters 18, das sich von einem rückwärtigen
Ende einer nach rückwärts ragenden Zunge des ringförmigen Leiters 18 aus erstreckt.
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Das elektrische Heizelement 14 ist an seinem rückwärtigen Ende mit
Hartlötflächen 120, von denen nur eine gezeigt ist, versehen, an denen die zweiten
Stromleiter 26b (Metallstifte) hart an die Leiter des Heizelements 14 gelötet werden.
Der erste und die zweiten Stromleiter 26a bzw. 26b sind elektrisch an die jeweiligen
Verbindungsbuchsen 116 angeschlossen, d.h., in deren Öffnungen 118 eingesetzt, womit
sie folglich zu den entsprechenden Leitungsdrähten 16a - 16c elektrisch Verbindung
haben. Bei dieser Anordnung wird ein Signal von der inneren Elektrode des Festkörperelektrolyten
2 einer externen Vorrichtung durch den Leitungsdraht 16a zugeführt, während das
Heizelement 14 über die Leitungsdrähte 16b sowie 16c an eine äußere Energiequelle
angeschlossen ist.
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Gemäß der oben beschriebenen Anordnung werden die Stromleiter 26a
und 26b auf einfache Weise mit den zugehörigen Leitungsdrähten 16a - 16c durch eine
einfache Stecker/ Kupplung-Verbindung (Stecker 26a und 26b, Verbindungsbuchse 116)
verbunden, womit ein Verstemm- oder Quetschvorgang unnötig wird, um die Leitungsdrähte
und die Stromleiter körperlich fest sowie elektrisch zu verbinden.
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Wenngleich bei der Ausführungsform nach den Fig. 25 - 27 eine Stecker/Kupplung-Verbindung
für alle drei Paare von Stromleitern und Leitungsdrähten (26a, 16a; 26b, 16b; 2fb,
16c)vorgesehen ist, so kann diese Art einer Verbindung auch nur für ein Paar oder
zwei Paare aus den dreien angewendet werden, was immer noch einen bedeutenden Beitrag
zur Erleichterung in der Ausbildung der elektrischen Verbindungen des Sauerstoff-Fühlers
bringt.
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Ferner ist es möglich, eine Kupplung auf der Seite der Stromleiter
und einen Stecker auf der Seite der Leitungsdrähte (bzw. Verbinder) anzuwenden.
Um das Einsetzen des Stromleiters in die Öffnung 118 zu erleichtern, ist es von
Vorteil, das Ende der Kupplung oder Muffe 116 anzufasen.
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Ein Sauerstoff-Fühler umfaßt somit im wesentlichen einen rohrförmigen
Festelektrolytkörper mit Elektroden an seiner Innen- sowie Außenfläche, ein Gehäuse,
das den Festelektrolytkörper derart lagert, daß seine Außenfläche am einen Ende
des Körpers einem zu prüfenden Gas, seine Innenfläche unter Einhaltung eines gasdichten
Zustands in bezug auf das Prüfgas der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und das auf
der Seite der Umgebungsluft mit einem ringförmigen Kragen versehen ist, ein elektrisches,
in den rohrförmigen Festelektrolytkörper eingesetztes Heizelement, Leitereinrichtungen,
die ein für eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden kennzeichnendes
Ausgangssiqnal liefern sowie dem
Heizelement Energie zuführen,
und einen ringförmigen Mantel, der einen an der Außenfläche eines ringförmigen Kragens
des Gehäuses anliegenden Endabschnitt aufweist.
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Die Innenfläche des Endabschnitts des ringförmigen Mantels wird an
der Außenfläche des ringförmigen Kragens in gasdichter Anlage unter Andruck gehalten,
so daß diese Innenfläche des Mantelendabschnitts und die Außenfläche des ringförmigen
Kragens im Zusammenwirken miteinander eine ununterbrochene, ringförmige Abdichtung
über den gesamten Umfang des Gehäuses und des Mantels bilden.
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Wenngleich die Erfindung anhand von verschiedenen Ausführungsformen
erläutert und dargelegt wurde, so ist klar, daß sie auf diese speziellen Ausführungsformen
nicht beschränkt ist, vielmehr werden dem Fachmann auf Grund der offenbarten Lehre
Abwandlungen und Abänderungen an die Hand gegeben sein, die aber als in den Rahmen
der Erfindung fallend anzusehen sind.