DE3509195C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 29 42 494 ist ein Sauerstoffsensor dieser Art bekannt, der die Sauerstoffkonzentration eines von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases erfaßt oder bestimmt, um die Verbrennung oder die Kraftstoffverbrennungszustände der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von vom Sauerstoffsensor erzeugten Signalen zu steuern und auf diese Weise das Abgas zu reinigen sowie den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Hierbei findet ein Fühlerelement Verwendung, das einen Korpus eines Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, beispielsweise Zirkondioxid, das mit Kalziumoxid oder Yttriumoxid dotiert ist, aufweist und desweiteren geeignete Elektroden umfaßt, die auf gegenüberliegenden Flächen des Festelektrolytkorpus angeordnet sind. Bei diesem Sauerstoffsensor ist eine der Elektroden einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere Elektrode dem Abgas ausgesetzt ist. Im Betrieb erzeugt der Sauerstoffsensor ein Ausgangssignal, das eine zwischen den beiden Elektroden nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle induzierte elektromotorische Kraft verkörpert. Das Fühlerelement besitzt an einem Ende einen Sauerstofferfassungsabschnitt, der dem Abgas oder einem anderen zu messenden Gas ausgesetzt ist.

Sauerstoffsensoren des vorstehend erwähnten Typs werden derart installiert, daß sich ihr Fühlerelement durch die Wand einer Leitung erstreckt, durch die man ein Abgas oder ein anderes zu messendes Gas strömen läßt, so daß der Endabschnitt des Fühlerelementes in die Leitung eingesetzt ist und sein Erfassungsabschnitt dem zu messenden Gas im Meßraum der Leitung ausgesetzt ist. Bei diesem Sauerstoffsensor findet ein erstes Schutzrohr Verwendung, das im Querschnitt etwa zylindrisch ausgebildet ist und den Umfang des Endabschnittes des Fühlerelementes, der in die Strömungsmittelleitung eingesetzt ist, umgibt, um das Fühlerelement gegen thermische Schocks zu schützen, die durch das eine hohe Temperatur aufweisende Abgas verursacht werden, und um zu verhindern, daß sich Partikel im Abgas auf dem Fühlerelement absetzen sowie zu anderen Schutzzwecken. Der Sauerstoffsensor besitzt desweiteren ein zweites Schutzrohr, das ebenfalls zylindrisch ausgebildet ist und den freiliegenden Abschnitt des Fühlerelementes außerhalb der Strömungsmittelleitung aufnimmt, um diesen freiliegenden Abschnitt vor äußeren Fremdsubstanzen, einschließlich Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, zu schützen.

Bei einem derartigen bekannten Sauerstoffsensor, bei dem das erste und zweite Schutzrohr getrennte Teile darstellen, ist der Aufbau des Sensors zur Lagerung der verschiedenen Teile desselben innerhalb der getrennten Schutzrohre notwendigerweise kompliziert, so daß daher das Verfahren zum Zusammenbau der einzelnen Teile zur Sensoreinheit beschwerlich ist. Mit anderen Worten, ein Sauerstoffsensor, bei dem derartige getrennte Schutzrohre Verwendung finden, läßt sich nur relativ schwierig herstellen. Ferner muß der Sauerstoffsensor einen komplizierten Aufbau aufweisen, um derart an der Strömungsmittelleitung befestigt werden zu können, daß eine strömungsmitteldichte Dichtung am ersten und zweiten Schutzrohr sichergestellt wird, damit ein Abgas oder ein anderes zu messendes Gas nicht von außen hindurchlecken kann und damit der Sensor gegen den Eintritt von Wasser oder anderen Flüssigkeiten geschützt ist, die eine Beschädigung des Fühlerelementes bewirken würden, da dieses mit einer hohen Temperatur betrieben wird. Diese Dichtung führt zu erhöhten Schwierigkeiten bei der Herstellung und Montage des Sauerstoffsensors.

Sauerstoffsensoren dieser Art, die zwei getrennte Schutzrohre aufweisen, sind ferner aus den DE-OS 28 48 847, 29 12 334, 29 39 725 und 30 00 993 bekannt. Auch diese bekannten Sensoren weisen die vorstehend geschilderten Nachteile auf. Die aus den DE-OS 29 12 334 und 29 39 725 bekannten Sensoren besitzen zwar einen Keramikring, der zwischen einem Schutzrohr und dem Fühlerelement vorgesehen ist; dieser weist jedoch einen ringförmigen Kanal auf, so daß zwischen Schutzrohr und Fühlerelement keine luftdichte Abdichtung vorhanden ist, durch die sich ggf. die vorstehend aufgzeigten Nachteile vermeiden ließen.

Ergänzend sei noch auf die DE-PS 29 16 178 verwiesen, aus der ein Sauerstoffsensor mit einem Aufbau bekannt ist, der sich wesentlich vom Patentgegenstand unterscheidet. Die DE-OS 29 37 048 betrifft einen Sensor, der kein durchlaufendes Schutzrohr aufweist. Dieser Sensor ist zwar mit einer keramischen Halterung versehen, die jedoch als solche keinen luftdichten Abschluß zwischen einem äußeren Schutzrohr und dem Fühlerelement bildet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffsensor der angegebenen Art zu schaffen, der sich bei einer besonders guten Abdichtung zwischen einem vorderen und hinteren Raum der Schutzrohre und zwischen den Schutzrohren und dem Halterungsgehäuse in besonders einfacher Weise herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Sauerstoffsensor der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäßen Lösungsmerkmale wird die Herstellung des Sensors wesentlich vereinfacht, wobei gleichzeitig sowohl eine gute Abdichtung innerhalb des Schutzrohres als auch eine gute Abdichtung zwischen Rohr und Halterungsgehäuse erreicht wird. Dadurch, daß die luftdichte Masse gegenüberliegend zu dem luftdichten Dichtungsring angeordnet ist, kann durch den Befestigungsvorgang des Halterungsgehäuses am Rohr sowohl die Abdichtung innerhalb des Rohres als auch die Abdichtung zwischen dem Halterungsgehäuse und dem Rohr verbessert werden.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht, teilweise im Längsschnitt, eines Sauerstoffsensors;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang Linie V-V in Fig. 1;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht eines Sauerstoffühlerelementes und anderer Teile des Sauerstoffsensors der Fig. 1, die die Art und Weise des Zusammenbaues verdeutlicht;

Fig. 4 (a) eine Teilansicht im Schnitt eines metallischen Halterungsgehäuses zur Lagerung des Sauerstoffsensors der Fig. 1 an seinem Schutzrohr und anderer Teile des Sensors, bevor das Rohr endgültig am metallischen Gehäuse befestigt wird;

Fig. 4 (b) eine Fig. 4 (a) entsprechende Ansicht, nachdem das Schutzrohr endgültig am metallischen Halterungsgehäuse befestigt worden ist; und

Fig. 5 einen Teilschnitt entsprechend Fig. 4 (b), der eine weitere Ausführungsform zeigt.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Sauerstoffsensor dargestellt, der ein längliches planares Sauerstoffühlerelement mit einem laminaren Aufbau besitzt, das mit dem Bezugszeichen 2 versehen ist. Das planare Fühlerelement 2 besteht aus Zirkondioxid-Keramik oder anderen Sauerstoffionen- leitenden Festelektrolytmaterialien. Wie in der perspektivischen Ansicht der Fig. 2 gezeigt ist, handelt es sich bei dem Fühlerelement 2 um einen länglichen Korpus, der im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist und eine kleine Breite relativ zu seiner Länge aufweist. Das Führerelement 2 besitzt einen Referenzgaskanal 4, der im Element über die Länge des länglichen Korpus ausgebildet ist. Der Referenzgaskanal 4 endet an einem ersten Endabschnitt 2 a (linkes Ende der Fig. 2) des länglichen Korpus des Fühlerelementes 2 und wird in Verbindung mit der Umgebungsluft gehalten, die als Referenzgas für den Sensor dient.

Wie bekannt, besitzt das Sauerstoffühlerelement 2 eine äußere Elektrode (nicht gezeigt), die derart am ersten Endabschnitt 2 a angeordnet ist, daß sie einem Abgas oder anderen vom Sauerstoffsensor zu messenden Gasen ausgesetzt ist. Eine innere Elektrode (nicht gezeigt) ist in einem Abschnitt des Fühlerelementes 2 im wesentlichen zu der äußeren Elektrode ausgerichtet angeordnet, so daß sie dem Referenzgas im Referenzgaskanal 4 ausgesetzt ist. Bei dieser speziellen Ausführungsform bildet der erste Endabschnitt 2 a des Fühlerelementes 2, an dem die äußere und innere Elektrode angeordnet ist, einen Sauerstofferfassungabschnitt 6 (Fig. 2) des Elements 2. Geeignete Leitungen erstrecken sich von dieser äußeren und inneren Elektrode in Richtung auf einen zweiten Endabschnitt 2 b (rechte Seite der Fig. 2) des Fühlerelementes 2, so daß elektrische Signale von den Elektroden einer äußeren Vorrichtung zugeführt werden können.

In das Fühlerelement 2 ist eine geeignete elektrische Heizeinrichtung eingearbeitet, wie bekannt, die den Sauerstofferfassungsabschnitt 6 des Fühlerelementes 2, an dem die Elektroden angeordnet sind, erhitzt. Durch das Erhitzen des Erfassungsabschnittes durch die Heizeinrichtung kann die erforderliche Aufwärmzeit vor einer beständigen Betriebsweise des Sensors nach dem Beginn des Ausgesetztseins eines zu messenden Gases, beispielsweise eines Abgases, reduziert werden (d. h. nach dem Anlassen einer kalten Brennkraftmaschine, deren Abgas vom Sensor erfaßt wird). Darüberhinaus hält die Heizeinrichtung den ersten Endabschnitt 2 a (Erfassungsabschnitt 6) des Fühlerelementes 2 auf einer gewünschten Temperatur über einer unteren Grenze, und zwar selbst dann, wenn die Temperatur des zu messenden Gases (d. h. des Abgases) nicht hoch genug ist für die beabsichtigte Betriebsweise des Sensors. Daher sichert die Heizeinrichtung zu jeder Zeit eine beständige und genaue Messung der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases durch den Sauerstoffsensor.

Das Fühlerelement 2 wird in einer geeigneten bekannten Weise hergestellt, beispielsweise durch Laminieren von Schichten der Elektroden und der Heizeinrichtung und von anderen Schichten, beispielsweise Isolationsschichten, auf einer Rohmateriallage und durch gemeinsames Brennen des mehrere Schichten aufweisenden Laminates. Alternativ dazu kann das Fühlerelement 2 hergestellt werden, indem die vorstehend genannten Schichten auf der Rohmateriallage über Bedrucken hergestellt und der bedruckte Mehrschichtenaufbau zusammen gebrannt wird. Während das Fühlerelement 2 vorzugsweise eine längliche plattenähnliche Form mit einer geringeren Breite relativ zur Länge aufweist, kann es auch andere Formen besitzen, solange es nur länglich ist.

Das längliche planare oder plattenförmige Fühlerelement 2 mit dem Sauerstofferfassungsabschnitt 6 benachbart zu seinem ersten oder inneren Endabschnitt 2 a wird an seinem mittleren Abschnitt durch ein erstes keramisches Isolationselement 8 und an seinem zweiten Endabschnitt 2 b durch ein zweites keramisches Isolationselement 10 gelagert. Dieses erstes und zweites keramische Isolationselement 8, 10 sind in einem zylindrischen Schutzrohr 12 aus Metall aufgenommen und darin über Füllmaterialien 14, 14 aus Zement oder anderen geeigneten Bindematerialien fixiert, die an gegenüberliegenden Längsenden des ersten keramischen Isolationselementes 8 vorgesehen sind. Die Füllmaterialien 14 unterteilen das Innere des Schutzrohres 12 in mehrere Räume, die untereinander in einem strömungsmitteldichten oder luftdichten Zustand stehen. Das Fühlerelement 2 ist so angeordnet, daß sein Sauerstofferfassungsabschnitt 6 sich in dem Raum befindet, der in einem Endabschnitt (linker Endabschnitt in Fig. 1) des Schutzrohres 12, der dem ersten oder inneren Endabschnitt 2 a des Fühlerelementes 2 entspricht, ausgebildet ist, und so, daß der Referenzgaskanal 4 in dem Raum offen ist, der im zweiten oder äußeren Endabschnitt (rechter Endabschnitt in Fig. 1) des Schutzrohres 12 ausgebildet ist.

Ein Gummipfropfen 16 ist mittels Preßpassung im zweiten Endabschnitt des Schutzrohres 12 angeordnet. Elektrische Leiter in der Form von Leitungsdrähten 18 a, 18 b und 18 c erstrecken sich durch den Gummipfropfen 16 in das zweite keramische Isolationselement 10. Mehrere Verbindungsstücke (nicht gezeigt) sind im Isolationselement 10 gelagert und elektrisch an die Leitungsdrähte 18 a, 18 b und 18 c angeschlossen. Über diese Verbindungsstücke ist der Leitungsdraht 18 a an eine Leitung angeschlossen, die sich von der vorstehend erwähnten inneren Elektrode, die dem Referenzgas im Kanal 4 ausgesetzt ist, aus erstreckt, während die Leitungsdrähte 18 b und 18 c an ein Paar von elektrischen Leitungen angeschlossen sind, die sich von der eingebauten Heizeinrichtung aus erstrecken. Die äußere Elektrode, die dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, ist über das entsprechende Verbindungsstück an das Schutzrohr 12 angeschlossen und über ein metallisches Halterungsgehäuse 34 geerdet, das elektrisch an das Schutzrohr 12 angeschlossen ist, wie später erläutert wird.

Der Endabschnitt des Schutzrohres 12, in dem der Gummipfropfen 16 aufgenommen ist, ist radial einwärts an zwei axial voneinander beabstandeten Stellen gegen die Fläche des Gummipfropfens 16 gepreßt oder verstemmt. Hieraus resultieren zwei radial einwärts vorspringende Teile 20, 20, die auf dem Endabschnitt des Schutzrohres 12 ausgebildet sind. Diese vorstehenden Teile 20 rücken den Gummipfropfen 16 radial einwärts zusammen und haltern dadurch die Leitungsdrähte 18 a, 18 b und 18 c fest im Gummipfropfen 16, so daß Vibrations- oder Klapperbewegungen dieser Leitungsdrähte verhindert werden, die sonst auf die zugehörigen Teile innerhalb des Sauerstoffsensors, insbesondere die elektrischen Verbindungen, übertragen werden würden. Insbesondere wird durch den von den vorspringenden Teilen 20 des Schutzrohres 12 auf den Gummipfropfen 16 ausgeübten Druck ein Ausfallen der elektrischen Verbindungen durch Ermüdungserscheinungen verhindert.

Das zweite keramische Isolationselement 10 wird durch das Fühlerelement 2 in Position gehalten, dessen zweiter Endabschnitt 2 b in das Isolationselement eingesetzt ist, und durch den Gummipfropfen 16. Da das offene Ende des Schutzrohres 12 durch den Gummipfropfen 16 luftdicht verschlossen ist, weist die zylindrische Wand des Schutzrohres 12 Lufteinlaßöffnungen 22 auf, über die der Referenzgaskanal 4 mit der Umgebungsluft außerhalb des Rohres 12 in Verbindung steht. Mit 24, 26 sind Halteplatten für die Füllmaterialien 14, 14 bezeichnet.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besitzt das Schutzrohr 12, das das Fühlerelement 2 aufnimmt, einen Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser, der als erste Schutzabdeckung für den Abschnitt des Fühlerelementes 2 dient, der den Erfassungsabschnitt 6 enthält. Dieser Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser (d. h. die erste Schutzabdeckung) ist in einem Meßraum angeordnet, der bei dieser speziellen Ausführungsform in einer Strömungsmittelleitung, beispielsweise einem Abgasrohr eines Fahrzeuges, ausgebildet ist, durch die ein zu messendes Gas, beispielsweise ein Abgas, strömt. Der Erfassungsabschnitt 6 des Fühlerelementes 2 ist im Endabschnitt 30 des Schutzrohres 12 mit kleinem Durchmesser angeordnet, so daß der Erfassungsabschnitt 6 dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, das durch mehrere Öffnungen 28 eingeführt wird, welche sich durch die Wand des Endabschnittes 30 mit kleinem Durchmesser erstrecken. Das Schutzrohr 12 besitzt ferner einen Abschnitt 32 mit großem Durchmesser, der einen größeren Durchmesser aufweist als der Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser. Das Schutzrohr erstreckt sich durch das vorstehend erwähnte metallische Halterungsgehäuse 34, so daß das Halterungsgehäuse das Schutzrohr an einem Abschnitt desselben lagert, der die Verbindungsteile des Abschnittes 32 mit großem Durchmesser und des Abschnittes 30 mit kleinem Durchmesser umfaßt. Der Abschnitt 32 mit großem Durchmesser dient als zweite Schutzabdeckung zur Abdeckung desjenigen Abschnittes des Fühlerelementes 2, der außerhalb des Halterungsgehäuses 34 und der Strömungsmittelleitung angeordnet ist, d. h. zum Schutze des Abschnittes des Elementes 2, der nicht dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Das Schutzrohr 12 ist aus einem einzigen rohrförmigen Element gebildet, d. h. einem Rohr, so daß auf diese Weise ein einstückiges Rohr zur Verfügung gestellt wird, das aus dem Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser (der ersten Schutzabdeckung) und dem Abschnitt mit großem Durchmesser (der zweiten Schutzabdeckung) besteht.

Das Halterungsgehäuse 34 ist beispielsweise mit einer Strömungsmittelleitung so verschraubt, daß der Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser des Schutzrohres 12 in der Strömungsmittelleitung angeordnet ist, wobei eine strömungsmitteldichte Verbindung zwischen dem Halterungsgehäuse 34 und der Wand der Strömungsmittelleitung und zwischen dem Schutzrohr 12 und dem Halterungsgehäuse 34 hergestellt wird.

Im einzelnen besitzt das Halterungsgehäuse 34 in einem rückwärtigen Teil (auf der vom Gewindeende entfernten Seite) eine ringförmige Ausnehmung 36 mit einer Innenfläche, die eine Bohrung bildet, durch die sich das Schutzrohr 12 erstreckt. Diese ringförmige Ausnehmung 36 und die Außenfläche des Schutzrohres 12 wirken zusammen und bilden einen Dichtungsraum, in dem ein luftdichter Dichtungsring 38 derart angeordnet ist, wie in Fig. 3 gezeigt, daß sich sein keilförmiges Ende 38 a auf der Innenseite der ringförmigen Ausnehmung 36 in Längsrichtung des Schutzrohrs 12 befindet. Dieses innere keilförmige Ende 38 a des Dichtungsringes 38 dient dazu, einen Spalt zwischen der Innenfläche des Halterungsgehäuses 34 und der Außenfläche des Schutzrohres 12 zu füllen und dadurch eine luftdichte Verbindung zwischen diesen beiden Elementen 34, 12 aufrechtzuerhalten. Der zwischen dem Halterungsgehäuse 34 und dem Schutzrohr 12 angeordnete Dichtungsring 38 wird im Dichtungsraum 36 gehaltert, indem der hintere Endabschnitt eines zylindrischen Flansches 40 des Halterungsgehäuses 34 gegen die äußere Endfläche des Dichtungsringes 38 verstemmt ist.

Bei dem in der vorstehend beschriebenen Weise konstruierten Sauerstoffsensors ist die am Erfassungsabschnitt 6 des Fühlerelementes 2 angeordnete innere Elektrode der Umgebungsluft im Referenzgaskanal 4, die durch die Lufteinlaßöffnungen 22 eingeführt wird, ausgesetzt. Die äußere Elektrode ist ebenfalls am Erfassungsabschnitt 6 dem zu messenden Gas, d. h. dem durch das Abgasrohr strömenden Abgas, ausgesetzt, das durch die Öffnungen 28 eingeführt wird. Bei dieser Ausführungsform wird zwischen dem an die innere Elektrode angeschlossenen Leitungsdraht 18 a und der geerdeten äußeren Elektrode ein elektrisches Ausgangssignal erhalten, das die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases anzeigt.

Wie vorstehend erläutert, findet bei diesem Sauerstoffsensor das einstückig ausgebildete Schutzrohr 12 Verwendung, das mit dem Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser zum Abdecken des innhalb der Strömungsmittelleitung angeordneten Abschnittes des Fühlerelementes 2 und dem Abschnitt 32 mit großem Durchmesser zum Abdecken des außerhalb des Halterungsgehäuses 4 angeordneten Abschnittes des Elementes 2 versehen ist. Im Unterschied zu einer bekannten Abdeckung, die aus zwei getrennten Abdeckungselementen für zwei getrennte Abschnitte des Fühlerelementes 2 besteht, bewirkt die einstückig ausgebildete Schutzabdeckung, d. h. das Schutzrohr 12, bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine Vereinfachung der Gesamtkonstruktion des Sauerstoffsensors in beträchtlichem Ausmaß und somit eine einfache Herstellung, Montage und Installation des Sauerstoffsensors. Die Vereinfachungen in bezug auf die Montage und Installation sind besonders dann groß, wenn bei dem Sauerstoffsensor ein Fühlerelement mit einer länglichen plattenähnlichen Form, wie das Element 2 der dargestellten Ausführungsform, Verwendung findet. In diesem Fall wird das Fühlerelement 2 innerhalb des einstückigen Schutzrohres 12 positioniert, und eine einheitliche Untereinheit dieser beiden Elemente 2, 12 wird in einfacher Weise am Halterungsgehäuse 34 befestigt, das mit der Strömungsmittelleitung verschraubt worden ist.

Bei der Befestigung des Schutzrohres 12 am Halterungsgehäuse 34 ist es erforderlich, die Verbindung zwischen diesen beiden Elementen luftdicht zu halten, um ein Lecken des zu messenden Gases durch den dazwischen befindlichen Spalt zu verhindern. Hierzu sind verschiedene Methoden geeignet, beispielsweise eine Befestigung mittels Preßpassung, Löten und Schweißen. Die Verwendung eines luftdichten Dichtungsringes mit einem keilförmig ausgbildeten Ende, der bei 38 in der dargestellten Ausführungsform gezeigt ist, wird jedoch am meisten empfohlen, da es sich hierbei um eine einfache und zuverlässige Einrichtung zum Abdichten des Schutzrohres 12 und des Halterungsgehäuses 34 handelt.

Wie vorstehend erläutert, wird das bei der dargestellten Ausführungsform verwendete Schutzrohr 12 hergestellt, indem ein einziges rohrförmiges Werkstück ausgebildet wird, um auf diese Weise den Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser als erste Schutzabdeckung und den Abschnitt 32 mit großem Durchmesser als zweite Schutzabdeckung vorzusehen. Mit anderen Worten, die Herstellung des Schutzrohres 12 ist äußerst einfach und leicht. Das Schutzrohr 12 kann jedoch auch dadurch hergestellt werden, daß zwei getrennte rohrförmige Elemente, die vorgeformt worden sind und als Endabschnitt 30 mit kleinem Durchmesser und Abschnitt 32 mit großem Durchmesser dienen, miteinander verbunden werden.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Sauerstoffsensor nimmt ein einstückiges Schutzrohr 42 ein erstes keramisches Isolationselement 44 und ein zweites keramisches Isolationselement 46 auf, die voneinander in Längsrichtung des Schutzrohres 42 im Abstand angeordnet sind. Dieses erste und zweite Isolationselement 44, 46 lagern ein plattenförmiges Fühlerelement 2 an in Längsrichtung voneinander beabstandeten Abschnitten, d. h. an einem in einem Halterungsgehäuse 34 angeordneten Abschnitt und einem außerhalb des Halterungsgehäuses 34 befindlichen mittleren Abschnitt. Ein drittes Isolationselement 10 wird für den elektrischen Anschluß des Sensors verwendet. Das Fühlerelement 2 ist im Schutzrohr 42 über eine Masse 50 aus einem geeigneten Bindemittel und eine luftdichte Masse 52 aus einem anorganischen partikelförmigen Material fixiert, die nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. Die Masse 50 wird mit einer Scheibe 48, die in Kontakt mit dem hinteren Ende des zweiten Isolationselementes 46 angeordnet ist, in Preßkontakt gehalten. Die luftdichte Masse 52 ist über eine geeignete Länge entlang der Achse des Schutzrohres angeordnet, so daß sie einen Raum ausfüllt, der durch die Innenfläche des Schutzrohres 42, den Umfang des Fühlerelementes 2, das hintere Ende des ersten Isolationselementes 44 und das vordere Ende des zweiten Isolationselementes 46 begrenzt wird. Damit wird ein vorderer Raum im Schutzrohr 42, in dem der Erfassungsabschnitt 6 des Fühlerelementes 2 angeordnet ist, in luftdichter Weise über die luftdichte Masse 52 von einem hinteren Raum abgetrennt, mit dem ein Referenzgaskanal 4 des Fühlerelementes 2 an seinem vom Erfassungsabschnitt 6 entfernten offenen Ende in Verbindung steht. Das Schutzrohr 42 ist an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Abschnitten radial einwärts gepreßt, so daß ein erster und ein zweiter radial einwärts vorstehender Vorsprung 54, 56 gebildet werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Diese Vorsprünge 54, 56 verhindern eine Längsbewegung des ersten Isolationselementes 44, der luftdichten Masse 52, des zweiten Isolationselementes 46 und der Scheibe 48 im Schutzrohr 42.

Bei dieser Ausführungsform dient ein Abschnitt des Schutzrohres 42, der Öffnungen 28 (Fig. 1 und 2) aufweist, genauer gesagt ein vorderer Endabschnitt, der sich von der luftdichten Masse 52 nach vorne erstreckt, als erster Schutzabdeckungsabschnitt 58. Ein Abschnitt des Schutzrohres 42, der sich von der luftdichten Masse 52 nach hinten erstreckt, dient als zweiter Schutzabdeckungsabschnitt 60. Das Schutzrohr 42, das diese beiden Abdeckungsabschnitte 58, 60 aufweist, wird durch das Halterungsgehäuse 34 gelagert, das bei 35 mit einem Abgasrohr oder einer anderen Einrichtung, die einen Meßraum bildet, in dem das zu messende Gas vorhanden ist, verschraubt ist.

Die bei der dargestellten Ausführungsform verwendete luftdichte Masse 52 wird durch Kompression von Partikeln aus wärmebeständigen anorganischen Materialien, beispielsweise Talkum und Aluminiumoxid, preßgeformt, während die Masse 50 aus einem geeigneten anorganischen Bindemittel, wie beispielsweise Glas, hergestellt wird. Durch die Verwendung von anorganischem partikelförmigen Material mit einer hohen Wärmebeständigkeit (nicht niedriger als 500°C), jedoch abhängig von der Betriebsumgebung des Sensors, kann die luftdichte Masse 52 die beabsichtigte Luftdichtigkeit selbst dann über eine relativ lange Zeitdauer aufrechterhalten, wenn die luftdichte Masse 52 periodisch abwechselnd erhitzt und gekühlt wird. In entsprechender Weise sichert der Einsatz eines anorganischen Bindemittels für die Masse 56 eine beständige Lagerung und Fixierung des Fühlerelementes 2 innerhalb des Schutzrohres 42.

Um das Fühlerelement 2 im Schutzrohr 42 zu fixieren, wird es durch das erste und zweite keramische Isolationselement 44, 46, die Scheibe 48 und einen preßgeformten Gegenstand 62 geschoben, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Gegenstand 62, der als luftdichte Masse 52 dient, ist durch Preßformen von Partikeln aus Talkum oder anderen anorganischen Materialien mit einer relativ niedrigen Dichte hergestellt. In der Zwischenzeit wird das Schutzrohr 42 nur mit dem ersten einwärts vorstehenden Vorsprung 54 versehen, während der zweite Vorsprung 56 danach hergestellt wird.

Die aus dem ersten Isolationselement 44, dem preßgeformten Gegenstand 62, dem zweiten Isolationselement 46, der Scheibe 48 und dem Fühlerelement 2 bestehende Einheit wird durch die Öffnung am hinteren oder äußeren Ende auf der Seite eines Gummipfropfens 16 in das Schutzrohr 42 eingesetzt, wobei das Schutzrohr 42 über eine geeignete Befestigung in einer aufrechten Lage gehalten wird, so daß sein hinteres Ende nach oben offen ist. Die eingesetzte Einheit wird durch den ersten einwärts gerichteten Vorsprung 54 gestoppt und positioniert, wenn der untere Rand des ersten Isolationselementes 44 gegen den Vorsprung 54 stößt. Zur gleichen Zeit wird das Fühlerelement 2 durch die das Schutzrohr 42 lagernde Befestigung positioniert.

In diesem Zustand wird die Scheibe 48 gegen die obere Endfläche des zweiten Isolationselementes 46 mit einem geeigneten Werkzeug gepreßt, wodurch der preßgeformte Gegenstand 56 mit niedriger Dichte weiter komprimiert und zu der luftdichten Masse 52 verformt wird, die eine erhöhte Dichte aufweist. Somit füllt die luftdichte Masse 52 den vom Schutzrohr 42, dem Fühlerelement 2 und dem ersten und zweiten Isolationselement 44, 46 gebildeten Raum aus. Durch den auf die Scheibe 48 ausgeübten Druck wird das Schutzrohr 42 radial einwärts gepreßt, so daß der zweite einwärts vorstehende Vorsprung 56 gebildet wird, der die eingesetzte Einheit in Position hält.

Nachdem das Fühlerelement 2 im Schutzrohr 42 positioniert und fixiert und die luftdichte Masse 52 ausgebildet worden ist, wird eine geeignete vorgeformte Masse aus Glas in das Schutzrohr 42 eingesetzt und zu der als Bindemittel wirkenden Masse 50 verschmolzen.

Das Halterungsgehäuse 34 wird so am Schutzrohr 42 montiert, daß es in Längsrichtung des Schutzrohres angeordnet ist und einen Abschnitt desselben abdeckt, in dem die luftdichte Masse 52 angeordnet ist. Wie aus den Fig. 4a und 4b im einzelnen hervorgeht, wird ein zylindrischer Flansch 40 des Halterungsgehäuses 34 dabei gegen einen in einem Dichtungsraum (ringförmige Ausnehmung) 36 angeordneten Dichtungsring 38 verstemmt, wodurch das Halterungsgehäuse 34 am Schutzrohr 42 befestigt wird. Durch das Verstemmen am zylindrischen Flansch 40 preßt der Dichtungsring 38 den entsprechenden Teil der zylindrischen Wand des Schutzrohres 42 radial nach innen gegen die luftdichte Masse 52 und bewirkt somit, daß dieser Teil der Wand einwärts vorsteht. Da das Volumen des die luftdichte Masse 52 aufnehmenden Raumes durch die Begrenzungsflächen des ersten und zweiten Isolationselementes 44, 46, des Schutzrohres 42 und des Fühlerelementes 2 festgelegt ist, führt die einwärts gerichtete Bewegung der zylindrischen Wand des Schutzrohres 42 zu einer weiteren Kompression der Partikel der luftdichten Masse 52 und somit einem Anwachsen der Dichte oder der Luftdichtigkeit derselben. Ferner wird durch die Reaktionskraft der luftdichten Masse 52 der Flächendruck zwischen dem Schutzrohr 42 und dem Dichtungsring 38 erhöht und somit die Luftdichtigkeit zwischen dem Schutzrohr und dem Halterungsgehäuse verbessert.

Das bei dieser Ausführungsform verwendete Schutzrohr 42 besteht aus rostfreiem Stahl SUS-310S mit einem durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 17,5 × 10^-6 °C^-1 bei 0-600° C. Das Halterungsgehäuse 34 und der Dichtungsring 38 sind aus rostfreiem Stahl SUS-304 hergestellt, der einen durchschnittlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 18,9 × 10^-6 °C^-1 bei 0-600° C aufweist. Wie vorstehend erläutert, wird der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beliebigen zwei oder drei Elementen 42, 34, 38 relativ klein gehalten, um eine erhöhte Luftdichtigkeit zwischen dem Halterungsgehäuse 34 und dem Schutzrohr 42 sicherzustellen. Mit anderen Worten, durch den Einsatz von Materialien, deren Wärmeausdehnungskoeffizient sich stark voneinander unterscheidet, würde ein relativ großer Spalt zwischen dem Halterungsgehäuse und dem Schutzrohr 42 nach einer langen Betriebsdauer des Sauerstoffsensors unter schwankenden Temperaturen erzeugt werden. Um eine verbesserte Luftdichtigkeit zwischen dem Halterungsgehäuse und dem Schutzrohr zu erzielen, ist es zweckmäßig, metallische Materialien einzusetzen, deren Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient nicht größer als 3 × 10^-6 °C^-1 ist.

Während die Masse 50 zur Fixierung des Fühlerelementes 2 am Schutzrohr 42 bei der gezeigten Ausführungsform aus Glas besteht, ist es auch möglich, andere anorganische Bindemittel, wie beispielsweise Zement, einzusetzen. Diese Masse 50 kann an zwei oder mehreren Stellen vorgesehen sein, die in Längsrichtung des Schutzrohres im Abstand voneinander angeordnet sind.

Obwohl die luftdichte Masse 52 bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vorzugsweise aus Partikeln aus Talkum hergestellt wird, können auch andere wärmebeständige anorganische partikelförmige Materialien, wie beispielsweise Partikel aus Aluminiumoxid, eingesetzt werden. Es ist darüberhinaus möglich, die luftdichte Masse 52 an mehreren Stellen vorzusehen, die in Längsrichtung des Schutzrohres 42 im Abstand voneinander angeordnet sind. In diesem Fall kann eine der luftdichten Massen 52, die im zweiten Schutzabdeckungsabschnitt 60 angeordnet ist, als Masse 50 zu Verbindungszwecken eingesetzt werden oder diese Masse ersetzen, um auf diese Weise das Fühlerelement 2 am Schutzrohr zu fixieren.

Obwohl das Schutzrohr 42 über seine Gesamtlänge den gleichen Durchmesser aufweist, kann es auch aus einem zwei Durchmesser aufweisenden Rohr hergestellt werden, das einen Endabschnitt 64 mit kleinem Durchmesser einen Abschnitt 66 mit großem Durchmesser und einen konischen Abschnitt 68 aufweist, der die Abschnitte 64 und 66 miteinander verbindet, wie in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall wird das Schutzrohr 42 in einfacher und geeigneter Weise durch eine Fixierung festgeklemmt, wenn der preßgeformte Gegenstand 62 im Schutzrohr während der Montage des Sauerstoffsensors zu der luftdichten Masse 52 komprimiert wird. Mit anderen Worten, durch den Einsatz des zwei Durchmesser aufweisenden Rohres wird es möglich, ein Ausknicken oder andere Schwierigkeiten des Schutzrohres zu vermeiden, die auftreten würden, wenn das Schutzrohr während der Montage des Sensors an seinem Endabschnitt verklemmt würde.

Darüber hinaus kann durch das zwei Durchmesser aufweisende Rohr, dessen konischer Abschnitt 68 sich eng an die Innenfläche 70 des Halterungsgehäuses 34 anpassen und auf diese Weise eine bessere luftdichte Dichtung zwischen den beiden Elementen 34 und 42 sicherstellen.

Obwohl das Fühlerelement 2 vorzugsweise aus einem Festelektrolyt hergestellt wird, der im wesentlichen aus Zirkondioxid-Keramik besteht, ist es auch möglich, andere Festelektrolytmaterialien einzusetzen.

Darüberhinaus kann der Sauerstofferfassungsabschnitt 6 des Fühlerelementes 2 im wesentlichen aus einem oxidischen Halbleitermaterial, wie beispielsweise Titanoxid, hergestellt werden, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration eines zu messenden Gases, beispielsweise eines Abgases, ändert. In diesem Fall erfaßt der Sauerstoffsensor Veränderungen im elektrischen Widerstand des Erfassungsabschnittes 6, die durch Veränderungen im Sauerstoffpartialdruck des zu messenden Gases verursacht werden.

Claims (11)

1. Sauerstoffsensor zum Erfassen des Sauerstoffpartialdruckes eines zu messenden Gases in einem Meßraum, mit einem länglichen Sauerstoffühlerelement mit einem Sauerstofferfassungsabschnitt benachbart zu einem Längsende desselben, einem ersten Schutzrohr zum Schützen von mindestens einem Endabschnitt des Fühlerelementes, der im Meßraum angeordnet und dem zu messenden Gas ausgesetzt ist und der den Sauerstofferfassungsabschnitt umfaßt, einem zweiten Schutzrohr zum Abdecken eines anderen Abschnittes des Fühlerelementes, der nicht dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, einem Halterungsgehäuse zum Lagern des Fühlerelementes und des ersten und zweiten Schutzrohres derart, daß der Endabschnitt des Fühlerelementes im Meßraum angeordnet ist, und einem luftdichten Dichtungsring, der zwischen der Außenfläche des ersten Schutzrohres und dem Halterungsgehäuse angeordnet ist, um eine strömungsmitteldichte Abdichtung aufrechtzuerhalten, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Schutzrohr als einstückiges Rohr (42) ausgebildet sind, daß eine luftdichte Masse (52) aus einem anorganischen partikelförmigen Material einen Abschnitt eines Raumes, der vom Umfang des Fühlerelementes (2) und der Innenfläche des einstückigen Rohres (42) begrenzt wird, über eine vorgegebene Länge entlang der Achse des Rohres ausfüllt und daß die luftdichte Masse (2) im einstückigen Rohr (42) so angeordnet ist, daß sie dem luftdichten Dichtungsring (38) über eine Wand des Rohres (42) gegenüberliegt.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (52) aus einem anorganischen partikelförmigen Material aus Talkum besteht.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beliebigen zwei Elementen des einstückigen Rohres (42), des luftdichten Dichtungsringes (38) und des Halterungsgehäuses (34) nicht größer als 3 × 10^-6 °C^-1 ist.

4. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im einstückigen Rohr (42) zusätzlich zu der einen luftdichten Masse (52) mindestens eine weitere luftdichte Masse im Abstand voneinander entlang der Achse des Rohres angeordnet ist.

5. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (2) mindestens an einer Stelle im einstückigen Rohr (42) mit einem Bindemittel (50) fixiert ist, das aus einer Gruppe von anorganischen Materialien, einschließlich Zement und Glas, ausgewählt ist.

6. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Rohr (42) einen Abschnitt (64) mit kleinem Durchmesser und einen Abschnitt (66) mit großem Durchmesser besitzt.

7. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlerelement (2) aus einem länglichen plattenförmigen Element besteht, daß eine geringe Breite relativ zu seiner Länge aufweist.

8. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Sauerstofferfassungsabschnitt (6) des Fühlerelementes (2) aus einem Festelektrolytmaterial hergestellt ist, das im wesentlichen aus Zirkondioxid- Keramik besteht.

9. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstofferfassungsabschnitt des Fühlerelementes im wesentlichen aus einem oxidischen Halbleitermaterial besteht, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von dem Sauerstoffpartialdruck des zu messenden Gases ändert.

10. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einstückige Rohr durch Verbinden von zwei separaten Elementen hergestellt ist.

11. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Fühlerelement (2) eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Sauerstofferfassungsabschnitts (6) eingearbeitet ist.