DE3543083A1 - Sauerstoffuehler - Google Patents

Description

Tedtke - BOHLiNG - Kinne:-;Grupe

C* O Dipl.-lng. H. Tiedtke

- UIRAMS " OTRUIF Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-lng. R. Kinne Dipl.-lng. R Grupe

~ Dipl.-lng. B. Pellmann

Dipl.-lng. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

3543083 Bavariaring 4, Postfach 20240

8000 München 2

Tel.: 089-5396 Telex: 5-24845 tipat NGK INSULATORS, LTD. Telecopier: O89-537377

cable: Germaniapatent Münchei

Nagoya-shi, Japan _c , -nor

^a ' ' ^K 5. Dezember 1985

DE 5355 /

case 59-258,080 comb.

Sauerstoffühler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffühler zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration in einem einer Messung unterworfenen Gas, insbesondere Abgas einer Brennkraftmaschine.

Es ist ein Sauerstoffühler bekannt, der zur Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine verwendet wird, um die Verbrennungsbedingungen in der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dessen Erfassungssignal optimal im Hinblick auf die Abgasreinigung und die Kraftstoffersparnis zu regeln.

Im allgemeinen umfaßt ein solcher Sauerstoffühler ein Sauerstoff ühlelement, das aus einer dem die Messung unterliegenden Gas, z.B. einem Abgas od. dgl., ausgesetzten Meßelektrode, aus einer Bezugssubstanz mit konstanter Sauerstoffkonzentration ausgesetzten Normal- oder Standardelektrode und

aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper, der zwischen die Meß- sowie die Normaleelektrode eingefügt ist, besteht und auf der Grundlage der Sauerstoffionenleitung zwischen den beiden Elektroden ein Signal als ein Erfassungsoder Ermittlungssignal erzeugt. Als die Bezugssubstanz wird üblicherweise Luft genommen. Deshalb ist der herkömmliche Sauerstoffühler mit einem Lufteintritt versehen, um die Luft mit der Normalelektrode des Sauerstoffühlelements in Berührung zu bringen.

Wenn jedoch der mit einer Lufteintrittsöffnung versehene Sauerstoffühler an einem Fahrzeug fest angebracht ist, so kann Wasser oder Seewasser (Salzwasser) durch diese Lufteintrittsöffnung in den Sauerstoffühler eindringen, wodurch die Gefahr besteht, daß das Sauerstoffühlelement beschädigt werden kann oder nicht mehr leitfähig ist. Da ferner dieses Fühlelement einem Einsatz bei hohen Temperaturzuständen unterliegt, wird in den Sauerstoffühler eingedrungenes Wasser in Dampf umgesetzt, durch den die Bezugssubstanz, wie z.B. Luft, aus dem Sauerstoffühler ausgetrieben wird, so daß die Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration nicht wirksam und korrekt ausgeführt werden kann.

Um das oben angesprochene Problem zu überwinden, ist ein Sauerstoffühler vorgeschlagen worden, bei dem die Lufteintrittsöffnung nicht vorhanden und ein kleiner Raum in einem porösen Körper rund um die Normalelektrode gefertigt ist, in den Luft, beispielsweise Sauerstoff aus dem Abgas, mit Hilfe einer Sauerstoffpumpe eingeführt wird. Da bei diesem Sauerstoffühler ein Überschuß an Gas in dem kleinen Raum durch einen hier ausgebildeten engen Schlitz abgeführt wird, um den Sauerstoff-Partialdruck in dem kleinen Raum konstantzuhalten, oder da es notwendig ist, Sauerstoff in den kleinen Raum in einer Menge einzuführen, die gleich der zum

Ablesen eines Ausgangssignals des Sauerstoff ühlers mittels eines externen Instruments od. dgl. verbrauchten Menge ist, ist es notwendig, die Sauerstoffpumpe ständig zu betreiben. Weil hierbei die Sauerstoffpumpe bei niedriger Temperatur nicht leistungsfähig und wirksam arbeitet, muß an die Sauerstoffpumpe zu deren leistungsfähigem Arbeiten bei niedriger Temperatur eine hohe Spannung gelegt werden. Wird jedoch die hohe Spannung angelegt, so kann leicht in dem Festelektrolyten eine Elektrolyse stattfinden, was eine qualitative Verschlechterung oder gar die Zerstörung des Sauerstoffühlelements zum Ergebnis hat. Um diese Erscheinung zu vermeiden, wurde in Betracht gezogen, die Sauerstoffpumpe bzw. deren Bereich mittels eines Heizelements ständig auf eine hohe Temperatur aufzuheizen, um die Sauerstoffpumpe leistungsfähig zu betreiben. Die in diesem Fall auftretenden Nachteile sind nun darin zu sehen, daß der Energieverbrauch für das Heizelement recht groß wird, daß auf Grund der vom Heizelement entwickelten Hitze das Sauerstoffühlelement Schaden erleidet und daß die Lebensdauer des Heizelements verkürzt wird.

Der Erfindung liegt insofern die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu beseitigen und einen Sauerstoffühler zu schaffen, bei dem die auf dem Eindringen von Fremdstoffen, wie Wasser od. dgl., von außen her beruhende qualitative Verschlechterung sowie Beschädigung wirksam verhindert werden können.

Erfindungsgmeäß wird ein Sauerstoffühler mit einem Sauerstofffühlelement, das aus einem Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörper besteht und mit wenigstens einer Normalsowie einer Meßelektrode ausgestattet ist, und mit einem das Sauerstoffühlelement in seinem Inneren aufnehmenden Gehäuse geschaffen, der gekennzeichnet ist durch einen in einem mit Bezug zur Außenatmosphäre im wesentlichen in luftdichtem Zustand gehaltenen luftdichten Raum, der der Normalelektrode

gegenüberliegt, und durch wenigstens ein Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden zur Zufuhr von Sauerstoff in den luftdichten Raum durch Sauerstoffionenleitung.

Ein Ziel der Erfindung liegt ferner darin, ein in dem erfindungsgemäßen Sauerstoffühler vorzugsweise zu verwendendes Sauerstoffühlelement zu schaffen.

Demzufolge wird erfindungsgemäß ein Sauerstoffühlelement geschaffen, das einen Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörper und wenigstens eine Normal- sowie eine Meßelektrode umfaßt und gekennzeichnet ist durch einen in dem Festelektrolytkörper ausgebildeten, der Aufnahme einer Bezugssubstanz dienenden, der Normalelektrode gegenüberliegenden Spalt, durch wenigstens ein dem Spalt durch Sauerstoffionenleitung Sauerstoff zuführendes Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden, durch ein Heizelement, das wenigstens eine der Normal-, Meß- und Sauerstoff-Pumpelektroden beheizt, und durch eine Einrichtung zur Teilung einer dem Heizelement angelegten Spannung sowie zum Anlegen der geteilten Spannung an das Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden.

Ferner zielt die Erfindung auf die Schaffung eines Sauerstoff ühlelements ab, das in dem Sauerstoffühler Verwendung finden kann.

Gemäß der Erfindung wird auch ein Sauerstoffühlelement geschaffen, das einen Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörper und wenigstens eine Normal- sowie eine Meßelektrode umfaßt und gekennzeichnet ist durch einen in dem Festelektrolytkörper angeordneten, im wesentlichen in einem luftdichten Zustand mit Bezug zur Außenatmosphäre gehaltenen luftdichten Raum und durch wenigstens ein in den luftdichten Raum durch Sauerstoffionenleitung Sauerstoff einführendes Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden.

Der Erfindungsgegenstand wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Räumliche Angaben sind als auf die jeweilige Figur bezogen zu verstehen. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Sauerstoff ühlers in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 2 eine perspektivische Übersichtsdarstellung eines Sauerstoff ühlelements in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 3 und 4 jeweils eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Sauerstoffühlers in einer zweiten bzw. dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Sauerstofffühlelements in einer Ausführungsform, die vorzugsweise bei dem Sauerstoffühler von Fig. 4 zur Anwendung kommt;

Fig. 6 bis 9 perspektivische Übersichtsdarstellungen einer zweiten, dritten, vierten und fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform von Sauerstoffühlelementen.

Die auf die ersten Ausführungsformen eines Sauerstoffühlers sowie eines Sauerstoffühlelements bezogenen Fig. 1 und 2 zeigen den Sauerstoffühler 101 und ein platten- oder tafelartig ausgebildetes Sauerstoffühlelement 1, das in einem als Gehäuse dienenden zylindrischen Schutzrohr 20 aus Metall aufgenommen ist.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, hat das Fühlelement 1 einen Aufbau, wobei drei Sauerstoffionen leitende Festelektrolytkörper 31, 32 und 33, die im folgenden als Festelektrolyte bezeichnet werden, aufeinandergeschichtet sind und der mittlere Festelektrolyt 32 mit einem in seiner Längserstreckung verlaufenden Spalt 35 versehen ist. Es ist festzuhalten, daß

dieser Festelektrolyt 32 aus einem isolierenden Keramikmaterial gefertigt sein kann. Am einen Endabschnitt der Oberfläche des oberen Festelektrolyten 31 ist eine Meßelektrode

37 haftend angebracht, während an der Unterfläche des Festelektrolyten 31 an einer der Haftstelle der Meßelektrode 37 gegenüberliegenden Stelle eine Standard- oder Normalelektrode

38 haftend angebracht ist derart,daß sie dem Spalt 35 gegenüberliegt. Ferner ist am einen Endabschnitt der Oberfläche des unteren Festelektrolyten 33 eine Pumpelektrode 39 haftend angebracht, während eine weitere Pumpelektrode 40 haftend an der Unterfläche des Festelektrolyten 33 an einer der Pumpelektrode 39 gegenüberliegenden Stelle gehalten ist.

Jeder der Festelektrolyten 31 - 33 ist ein Sauerstoff ionen leitender Körper, der hauptsächlich aus Zirkoniumdioxyd (ZrOp) besteht, dem wenigstens eine der folgenden Substanzen zugefügt ist, nämlich Y₂O₃, CaO, Yb₂O₃ und MgO.

Ein Leiterelement 41, das an die Meßelektrode 37, und ein Teil eines Leiterelements 43, das an die Normalelektrode 38 angeschlossen ist, sind auf der Oberfläche des oberen Festelektrolyten 31 angeordnet und mit Ausnahme ihrer rechten Endabschnitte von einer Schutzschicht oder -lage 34 aus einem dünnen Keramikbelag abgedeckt. Ferner ist ein an die Normalektrode 38 angeschlossenes Leiterelement 42 an der Unterfläche des oberen Festelektrolyten 31 angebracht, wobei ein Endstück dieses Leiterelements 42 über ein Durchgangsloch 46 mit dem Leiterelement 43 verbunden ist.

In gleichartiger Weise sind ein an die Pumpelektrode 40 angeschlossenes Leiterelement 45 und ein Teil eines an die Pumpelektrode 39 angeschlossenen Leiterelements 48 an der Unterfläche des unteren Festelektrolyten 33 angeordnet sowie mit Ausnahme ihrer rechten Endabschnitte von einer Schutzschicht 36 aus einem dünnen Keramikbelag abgedeckt. Des

weiteren ist ein an die Pumpelektrode 39 angeschlossenes Leiterelement 44 auf der Oberfläche des Festelektrolyten 33 angeordnet, wobei ein Endstück dieses Leiterelements 44 über ein Durchgangsloch 47 mit dem Leiterelement 48 in Verbindung ist.

Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt das Schutzrohr 20 ein Schutzrohrteil 20a, das ein Sauerstoffnachweistei1 4, das die Elektroden 37 - 40 von Fig. 2 einschließt, des Fühlelements 1 umschließt, und einen Schutzzylinder 20b, in dem mit Ausnahme des SauerstoffnachweisteiIs 4 der übrige Teil des Sauerstofffühlelements 1 untergebracht ist. In dem Schutzrohrteil 20a sind in Übereinstimmung mit jeder Seitenkante des Fühlelements 1 in dessen Längsrichtung jeweils vier Einlaßöffnungen 7 für das der Messung unterliegende Gas ausgebildet, so daß dieses Gas durch die öffnungen 7 in Berührung mit dem Sauerstoffnachweisteil 4 gelangt. Eine in der Stirnfläceh des Schutzrohrteils 20a ausgestaltete öffnung 20c dient der Einführung einer Führuggsvorrichtung, um das Sauerstoffühlelement 1 im Schutzrohr 20 zu positionieren.

Rund um das untere Ende des Schutzzylinders 20b ist ein Aufnahmestück 15 befestigt, das dazu dient, den Sauerstoffühler 101 an einer Trennwand 25 festzulegen, die das der Messung unterliegende Gas von anderen Teilen abtrennt, z.B. eine Wand eines Abgasrohres eines Fahrzeugs. Zwischen dem Aufnahmestück 15 und dem Schutzzylinder 2ob ist ein luftdichter Ring 16 aus rostfreiem Stahl angeordnet, so daß das zu prüfende Gas, d.h. das der Messung unterliegende Gas, nicht an der Grenzfläche zwischen dem Aufnahmestück 15 und dem Schutzzylinder 20 durchsickern kann.

Im Schutzzylinder 20b ist der mittige Teil des Fühlelements 1 mit Hilfe eines ersten, zweiten und dritten Porzellanisolators 17 bzw. 3 bzw. 2 und eines ersten sowie zweiten luft-

dichten Abschlußteils 6 bzw. 14 festgelegt. Diese Abschlußteile 6 und 14 dienen nicht nur der Halterung des Fühlelements 1, sondern verhindern auch das Eindringen des zu prüfenden Gases von der Seite des Schutzrohrteils 20a in den Schutzzylinder 20b, und jedes Abschlußteil besteht aus einem anorganischen Füllstoff, wie Zement, Talkum oder ähnlichem Material. Die drei Porzellanisolatoren 17, 3 und 2 sowie die beiden luftdichten Abschlußteile 6 und 14 werden durch eine an der oberen Stirnfläche des dritten Porzellanisolators 2 anliegende Halteplatte 18 und eine am Schutzzylinder 20b ausgebildete Eindrückung oder Verstemmung 22 so festgelegt,daß sie sich nicht aufwärts verlagern können.

Im oberen Teil des Schutzzylinders 20b ist ein Porzellan-Verbindungsstück 5 angeordnet, das der Verbindung von Leitungsdrähten 11 - 13, die von äußeren Schaltkreisen kommen, und eines mit der Innenfläche des Schutzrohres 20 verbundenen Erdleiters 10 mit Anschlüssen der jeweiligen Leiterelemente 41, 43, 45 und 48 für die auf beiden Flächen des Fühlelements 1 angeordneten Elektroden dient. Ferner ist in die obere Stirnseite des Schutzzylinders 20b ein Gummistopfen 8 eingesetzt, durch den die Leitungsdrähte 11 - 13 geführt sind und der zur völligen Abdichtung des Schutzrohres 20b beiträgt. Der Gummistopfen 8 ist durch eine am Außenumfang des Schutzrohres 20 an einer dem Stopfen entsprechenden Stelle ausgebildeten Verstemmung 21 luftdicht befestigt.

In dem Porzellan-Verbindungsstück 5 sind Kontaktfedern 5a, 5b, 5c und 5d angeordnet, von denen nur die Feder 5a in Fig.1 gezeigt ist und die jeweils mit Steckanschlüssen zu den Leiterelementen 41, 43, 45 sowie 48 für die im Fühlelement 1 enthaltenen Elektroden in Verbindung gebracht werden. Die Kontaktfeder 5a steht beispielsweise mit dem Erdleiter 10 oder einem der Leitungsdrähte 11 - 13 in Verbindung.

Zwischen dem Porzellanisolator 5 und der Halteplatte 18 ist ein luftdichter Raum 9 ausgebildet, der eine erste, von der oberen Fläche der Halteplatte 18, dem Schutzzylinder 20b sowie der unteren Fläche des Porzellanisolators 5 umschlossene Kammer 9a und eine zweite, mit der ersten Kammer in Verbindung stehende Kammer 9b, die den Porzellanisolator 5 aufnimmt sowie von der unteren Fläche des Stopfens 8, den Leitungsdrähten 11 - 13 und dem Erdleiter 10 abgegrenzt ist, umfaßt. Der luftdichte Raum 9 hat allein mit dem Spalt 35, der der Normal- sowie der Pumpelektrode 38 bzw. 39 gegenüberliegt, durch einen Schlitz zwischen dem oberen Teil des Sauerstoffühlelements 1 und dem Porzellanisolator 5 Verbindung.

In dem Sauerstoffühler 101 mit dem oben geschilderten Aufbau kann eine relativ große Luftmenge als eine Standard- oder Bezugssubstanz in dem luftdichten Raum 9, der mit dem der Normalelektrode 38 gegenüberliegenden Spalt 35 in Verbindung steht und zum Äußeren hin luftdicht abgeschlossen ist, gehalten werden, so daß es möglich ist, jegliche Schädigung des Sauerstoffühlers auf Grund des Eindringens von Fremdmaterialien, wie Wasser, Seewasser od. dgl., was bei dem Stand der Technik geschehen kann, zu vermeiden.

Was den Sauerstoffverbrauch in dem luftdichten Raum 9, der mit dem Betrieb des Sauerstoffühlers einhergeht, betrifft, so wird Sauerstoff in den Spalt 35 aus dem zu prüfenden Gas durch Betreiben der Sauerstoff-Pumpelektroden 34 und 40 eingeführt, denn der die Pumpelektroden enthaltende Teil des Sauerstoffühlers bildet ein dem zu prüfenden Gas ausgesetztes Sauerstoffnachweistei1, und dann in dem luftdichten Raum 9 zur Verfügung gehalten. Da das Volumen dieses Raumes 9 groß ist, genügt es im vorliegenden Fall, die Einspeisung von Sauerstoff in den luftdichten Raum 9 nur bei einer relativ

hohen Temperatur des Sauerstoffühlers vorzunehmen, und es ist möglich, die Sauerstoffpumpe wirksam zu betreiben, selbst wenn eine an die Pumpelektroden 39, 40 angelegte Spannung niedrig ist. Wenn die Temperatur am Ort der Sauerstoff-Pumpelektroden 39, 40 einen niedrigeren Wert annimmt, so werden dadurch dann die Elektrolyse des Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolyten und die Verschlechterung (Qualitätsverminderung) des Sauerstoffühlelements nicht verursacht. Bei der niedrigeren Temperatur vermindert sich etwas die Arbeitsweise der Sauerstoff-Pumpelektroden 39 und 4o, jedoch ist das Volumen des luftdichten Raumes 9 groß, so daß es nicht ständig erforderlich ist, die Sauerstoffpumpe zu betreiben, ohne daß Schwierigkeiten im Betrieb des Sauerstoffühlers hervorgerufen werden.

Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform hat der Sauerstoffühler 102 denselben Aufbau wie derjenige der ersten'Ausführungsform (Fig. 1) mit der Ausnahme, daß zwischen dem Gummistopfen 8 und dem Porzellanisolator 5 eine Zwischenwand 23 zur Trennung dieser beiden Teile voneinander angeordnet ist, und es kann hier ein noch zu erläuterndes Sauerstofffühlelement 51 anstelle des Fühlelements 1 zur Anwendung kommen. Wenn der Gummistopfen 8 auf einen höheren Temperaturwert aufgeheizt wird, kann ein dem Gummimaterial eigenes organisches Gas erzeugt und dann in den luftdichten Raum 9 eingebracht werden, jedoch verhindert die Zwischenwand 23 eine Verunreinigung des Raumes 9 durch ein solches organisches Gas. Wenn der Gummistopfen 8 aus einem anderen Material gebildet wird, das kein Gas erzeugt, dann wird die Anwendung der Zwischenwand 23 als nutzlos angesehen.

Bei der in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsform eines Sauerstoffühlers 103 ist gegenüber derjenigen von Fig.1 nur die Lage des luftdichten Raumes 9 unteischiedl ich. Dieser der Bewahrung des Standard- oder Bezugsgases die-

nende Raum wird in bezug auf das zu prüfende Gas durch ein erstes luftdichtes Abschlußteil 6 aus einem organischen Füllstoff, wie Zement, Talkum od. dgl., auf der einen Seite und in bezug auf Gaskomponenten, die aus dem organischen Material, z.B. des Gummistopfens od. dgl., bei höherer Temperatur erzeugt werden können, durch das zweite luftdichte Abschlußteil 14, das aus geschmolzenem Glas oder einem anorganischen Füllstoff, wie Talkum, Zement od. dgl., besteht, auf der anderen Seite luftdicht abgeschlossen gehalten. Halteplatten 18a und 18b dienen mit Verstemmungen dazu, die den luftdichten Raum 9 stirnseitig abgrenzenden Teile festzulegen. Das Sauerstoffühlelement 1 weist in diesem Fall eine Eintrittsöffnung 92 auf, wie Fig. 5 zeigt, die mit dem luftdichten Raum 9 in Verbindung steht, wobei ein oberer Endabschnitt eines Spalts 90, der dem Spalt 35 von Fig. 2 entspricht, luftdicht abgeschlossen ist. Ein solches Fühlelement kann in der Weise gebildet werden, daß der rechte Endabschnitt des Spalts 35 (s. Fig. 2) luftdicht verschlossen und ein Durchgangsloch, das mit dem luftdichten Raum Verbindung bekommt, durch den Festelektrolyten 31 und die Schutzschicht als Eintrittsöffnung ausgebildet wird.

Es wird vor allem bevorzugt, den Sauerstoffühler gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform dann zu verwenden, wenn der Gummistopfen 8 relativ hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wenn also beispielsweise der Fühler an einem oder nahe einem Motor, der hohe Abgastemperaturen liefert, befestigt wird.

Bei den oben erörterten Ausführungsformen ist die Sauerstoffpumpe, also die Pumpelektroden 39 und 4o, am Sauerstoffnachweisteil 4 angeordnet, jedoch ist deren Anordnung an anderen Teilen ebenf-alls möglich. Beispielsweise kann die Sauerstoffpumpe so angeordnet sein, daß Sauerstoff in den luftdichten Raum 9 aus der Atmosphäre anstatt aus dem zu prüfenden Gas eingeführt wird. Ferner sind die Ausgestaltung ,die Zahl und

die Materialien des Schutzrohres 20, der Porzellan-Isolatoren 17, 2 sowie 3 und der luftdichten Abschlußteile 6 sowie 14 nicht auf diejenigen bei den erläuterten Ausführungsformen begrenzt. Es ist insofern als eine Selbstverständlichkeit anzusehen, den luftdichten Raum 9 an irgendeiner Stelle des Sauerstoffühlers anzuordnen, wenn dieser Raum 9 in luftdichtem Zustand gehalten wird und Verbindung zu dem der Normalelektrode 38 gegenüberliegenden Spalt 35 hat.

Die Fig. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform für ein Sauerstoff ühlelement 51 gemäß der Erfindung, das weitgehend den gleichen Aufbau hat wie das in Fig. 2 gezeigte Fühlelement

Gemäß Fig. 6 sind jeweils eine Meßelektrode 63 und eine Normalelektrode 64 an der Ober- bzw. Unterfläche des Festelektrolytkörpers 61 ausgebildet, wobei an der Oberfläche des Festelektrolyten 61 auch ein Leiterelement 75 für die Meßelektrode 63 angeordnet ist. Leiterelemente 77 und 76 für die Normalelektrode 64 sind jeweils an der Unter- sowie Oberfläche des Festelektrolyten 61 ausgebildet und miteinander über ein Durchgangsloch 73 in Verbindung. Die mit der Meßelektrode 63 sowie den Leiterelementen 75, 76 ausgestattete Oberfläche des Festelektrolyten 61 ist durch eine Schutzschicht oder -lage 71 abgedeckt derart, daß der rechte Endabschnitt zur Atmosphäre hin freiliegt. An der Unterfläche des Festelektrolyten 61 ist eine aus einer Porzellankeramik gebildete Isolierplatte 81 mit einem Spalt 80 angeordnet, an deren Unterfläche sich ein weiterer Festelektrolyt 62 befindet. Ferner sind Pumpelektroden 65 und 66 jeweils an der Ober- sowie Unterfläche des Festelektrolyten 62 an dessen linkem Endabschnitt angeordnet.

Über eine Isolierlage 68 sind ein Widerstandsheizelement 67 und zwei Leiterelemente 85 und 86, die zwischen Heizelement-Schutzlagen 69, 70 eingefügt sind, an der Unterfläche des

Festelektrolyten 62 angebracht. In der Isolierlage 68 sowie den Schutzlagen 69, 70 sind der Pumpelektrode 66 jeweils gegenüberliegende Fenster 87, 88 und 89 ausgebildet, und ferner ist die Pumpelektrode 66 durch eine poröse Schutzlage 72 im wesentlichen abgedeckt. In den Heizelement-Schutzlagen 69 und 70 sind jeweils Schlitze 83 und 84 so ausgestaltet, daß die Isolierung zwischen den Leiterelementen 85 und 86 gewährleistet ist.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist ein Leiterelement 78 der Pumpelektrode 65 über ein Durchgangsloch 74 an einen Punkt A im Heizelement 67 angeschlossen, während ein Leiterelement 79 der Pumpelektrode 66 an einen Punkt B des Leiterelements 86 angeschlossen ist. Deshalb wird an die Pumpelektroden 65 und 66 eine Spannung gelegt, die durch Teilen einer Spannung von einer Heizenergiequelle durch das Heizelement 67 erhalten wird.

Der das Sauerstoffühlelement mit der oben erläuterten Ausbildung verwendende Sauerstoffühler hat die gleichen Wirkungen wie die erste Ausführungsform, weil der Spalt 80 mit dem luftdichten Raum 9 in Verbindung steht, d.h., die Bezugsoder Standardsubstanz kann in dem luftdichten Raum gehalten und das Auftreten von Schwierigkeiten auf Grund eines Eindringens von Fremdstoffen kann wirksam verhindert werden.

Darüber hinaus verwendet die aus den Pumpelektroden 65, 66 sowie dem Festelektrolytkörper 62 bestehende Sauerstoffpumpe die Energiequelle 82 für das Heizelement 67, so daß es nicht erforderlich ist, eine weitere Energiequelle für die Sauerstoffpumpe anzuordnen. Da ferner die Anzahl der im Anschlußteil, das an ein Porzellan-Verbindungsstück angeschlossen ist, auftretenden Leiterelemente vier beträgt, kann dasselbe Porzellan-Verbindungsstück 5 wie bei der ersten Ausführungsform Verwendung finden. Es ist deshalb eine Selbstverständ-

- To-

lichkeit, daß das bei dieser zweiten Ausführungsform verwendete Porzellan-Verbindungsstück mit demjenigen eines Sauerstoffühlers der Bauweise mit vier Anschlüssen, welcher kein Heizelement oder keine Sauerstoffpumpe hat, ausgetauscht werden kann, z.B. mit einem Verbindungsstück zum Anschluß der Leiterelemente 11 - 13 an eine am Fahrzeug befestigte Schaltungsanordnung.

Da ferner die geteilte Spannung der Energiequelle 82 parallel zu den Pumpelektroden 65 und 66 angelegt wird, wird die geteilte Spannung bei niedriger Temperatur geringer als bei hoher Temperatur, wenn das Heizelement 67 aus einem Material mit einem positiven (spez.) Widerstand-Temperaturkoeffizient gefertigt wird, weil ein (spez.) Widerstandswert des Heizelements zum gesamten spezifischen Widerstand der Leiterelemente 85, 86 bei niedriger Temperatur vermindert wird.

Wenn der Sauerstoffühler in einem niedrigen Temperaturbereich (nicht mehr als 50O⁰C) betrieben wird, dann ist es notwendig, die an die Sauerstoffpumpe gelegte Spannung auf 2 - 3 V, vorweise auf nicht mehr als 1 V zu begrenzen, da andernfalls das Sauerstoffühlelement beeinträchtigt wird. Gemäß der Erfindung wird in diesem Zusammenhang ein Teil der Spannung von der Energiequelle durch das einen positiven (spez.) Widerstand-Temperaturkoeffizient aufweisende Heizelement 67 geteilt und an die Pumpelektroden 65, 66 gelegt, so daß eine Spannung von etwa 2 V (in diesem Fall ist die Spannung der Heizenergiequelle etwa 12 - 16 V) parallel zu den Pumpelektroden bei hoher Temperatur angelegt werden kann, um Sauerstoff in dem luftdichten Raum 9 zu ergänzen, und die geteilte Spannung kann bei niedriger Temperatur auf etwa 1 V vermindert werden, um eine Verschlechterung des Sauerstoff ühlelements zu verhindern. Das ist in dem Fall von großem Vorteil, wenn der Sauerstoffühler an einem Fahrzeug anbracht wird und oft mit Abgas, das bei Starten des Motors

eine relativ niedrige Temperatur hat, in Berührung kommt.

Obwohl sich die Leistungsfähigkeit der Sauerstoffpumpe bei niedriger Temperatur vermindert, so ist es möglich, weil der luftdichte Raum 9 ein großes Volumen hat, den Sauerstofffühler wirksam zu betreiben. Deshalb soll der luftdichte Raum 9 so sein, daß er ein ausreichendes Volumen zur Bewahrung der Normal substanz, deren Sauerstoffgehalt oberhalb einiger Prozente liegt, hat, und demzufolge ist es vor allem vorzuziehen, einen leeren, innerhalb des Schutzrohres 20 gebildeten Raum zu verwenden. Da ferner eine bestimmte Menge der Normalsubstanz in dem luftdichten Raum zurückgehalten werden kann, ist es nicht immer notwendig, die Sauerstoffpumpe zu betreiben, so daß es auch unnötig ist, die Eingangsleistung für ein Heizelement zur Beheizung der Sauerstoffpumpe zu erhöhen. Damit kann folglich der Energieverbrauch vermindert werden, und eine Schädigung des Sauerstofffühlelements auf Grund von Hitze kann vermieden werden.

Wenn bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform als Leiterelement 86 ein solches mit einem ziemlich hohen spezifischen Widerstand zur Anwendung kommt, das Heizelement 67 aus einem Material mit einem positiven Widerstand-Temperaturkoeffizient gefertigt und der Punkt A so nahe wie möglich an das Leiterelement 86 gelegt wird, so kann die geteilte Spannung bei niedriger Temperatur größer als bei hoher Temperatur gemacht werden. Somit kann eine relativ hohe geteilte Spannung, die vorzugsweise nicht mehr ist als eine elektrische Zersetzungsspannung des Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörpers, an die Sauerstoffpumpe bei niedriger Temperatur gelegt werden, um die Transportmenge an Sauerstoff größer zu machen, während eine relativ niedrige geteilte Spannung, weil die Sauerstoff -Transportmenge selbst bei niedriger Spannung größer wird, da der Wert des spezifischen Widerstands des Festeiektrolytkörpers klein wird, bei hoher Temperatur an-

gelegt werden kann, um einen Sauerstofftransport im Übermaß zu verhindern.

Es sei angenommen, daß das Leiterelement 86 und das Heizelement 67 am Punkt G verbunden sind, daß der gesamte spezifische Widerstand der Leiterelemente 85 und 86 gleich R. ist, daß der gesamte spezifische Widerstand des Heizelements gleich R_H ist, daß der spezifische Widerstand zwischen den Punkten B und G am Leiterelement 86 gleich R_ß ist und daß der spezifische Widerstand zwischen den Punkten A sowie G am Heizelement 67 gleich R» ist. In diesem Fall wird der Punkt A oder der Punkt B so festgesetzt, daß die folgende Gleichung erfüllt wird:

R_H
^RA ⁼ ~T^~ ^{x R}B

Wenn die Spannung der Energiequelle V_Q ist, dann wird die parallel zu den Elektroden der Sauerstoffpumpe angelegte geteilte Spannung V aus der folgenden Gleichung erhalten:

Rn + Rr Rr V - ^A ° χ V - — X V

^v R_H + R_L ^{x v}0 " R_L ^{x v}0

Deshalb kann eine im wesentlichen konstante Spannung an die Pumpelektroden ohne Rücksicht auf das Vorhandensein des Heizelements gelegt werden, denn die Schwankung von V_Q und die Temperaturverteilung des Heizelements führt zur gleichen Schwankung der geteilten Spannung. Gemäß der oben erläuterten Ausführungsform ist es möglich, die Sauerstoffpumpe durch Anlegen einer Spannung, die knapp unter der elektrischen Zersetzungsspannung des Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörpers liegt, ohne eine externe Steuervorrichtung zu verwenden, zu betreiben.

Die Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Sauerstoff ühlelements 52 gemäß der Erfindung, die eine Abwandlung

der Ausführungsform von Fig. 6 darstellt. Das Fühlelement 52 hat denselben Aufbau wie das Sauerstoffühlelement 51 mit der Ausnahme, daß ein Teil 67a zwischen den Punkten A und B, die jeweils mit den Leiterelementen 78, 79 der Pumpelektroden 65, 66 verbunden sind, als Teil des Heizelements 67 ausgebildet ist. Der Teil 67a kann ferner in passender Weise an irgendeinem Abschnitt des Heizelements 67, z.B. zwischen den in Fig. 7 gezeigten Punkten C und D vorhanden sein. Es ist jedoch festzustellen, daß es notwendig ist, zu gewährleisten, daß die Richtung des Potentials zwischen den Pumpelektroden 65 und 66 nicht umgekehrt wird. Da das Potential am Punkt C höher ist als am Punkt D, wird im erwähnten Fall das Leiterelement 78 der Pumpelektrode 65 mit dem Punkt C verbunden, während das Leiterelement 79 der Pumpelektrode 66 mit dem Punkt D verbunden wird.

In der Fig. 8 ist eine vierte Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Sauerstoff ühlelement 53 gezeigt.Dieses Fühlelement 53 weist eine Schichtenstruktur mit drei Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpern 112 - 114 auf, wobei der mittlere Festelektrolyt 113 mit einem in seiner Längsrichtung verlaufenden luftdichten Raum 115 ausgestattet ist. Dieser Raum 115 wird im wesentlichen im luftdichten Zustand dadurch gehalten, daß die Festelektrolyten 112 und 114 auf die beiden Seiten des Festelektrolyten 113 geklebt werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, den mittigen Festelektrolyt 113 aus einer Porzellankeramik zu fertigen oder eine dünne Isolierlage zwischen dem Festelektrolyten 113 und dem Festelektrolyten 112 oder 114 mit Ausnahme der dem luftdichten Raum 115 entsprechenden Stelle anzuordnen, um die Pumpelektroden 119, 120 mit Bezug zur Meßelektrode 118 sowie zur Normalelektrode 117 zu isolieren. Auf diese Weise ist es möglich, eine Beeinflussung auf einen Signalausgang des Fühlelements auf Grund einer an die Pumpelektroden 119 und 120 angelegten Spannung auszuschalten. Ferner ist dar f hinzu-

weisen, daß die dünne Isolierlage nur an einem Teil, in dem die Temperatur des Fühlelements über 250⁰C hinausgeht, angeordnet zu werden braucht, weil der Sauerstoff ionen leitende Festelektrolyt aus beispielsweise mit Y₂O₃ stabilisiertem ZrO₂ unter 250⁰C im wesentlichen selbst zum Isolator wird.

Wie die Fig. 8 zeigt, sind ein Widerstandsheizelement 116 und eine Pumpelektrode 119 an einem unteren Teil an der linken Fläche des Festelektrolyten 112 angeordnet, wobei die Pumpelektrode 119 mit dem Heizelement 116 am Kontakt 116A verbunden ist. An beide Enden des Heizelements 116 sind Leiterelemente 124 und 125 angeschlossen, die nebeneinander liegen und sich an der linken Fläche des Festelektrolyten 112 aufwärts erstrecken. An den oberen Enden der Leiterelemente 124, 125 sind Anschlußstücke 124a und 125a einer (nicht gezeigten) Steckverbindung zum Anschluß an einen externen Schaltkreis ausgebildet. Ferner ist zwischen den Leiterelementen 124, 125 ein Leitungsdraht 127 angeordnet, dessen unteres Ende mit dem Leiterelement 125 verbunden ist. Das Heizelement 116, die Leiterelemente 124, 125 - mit Ausnahme der Anschlußstücke 124a und 125a - und der Leitungsdraht sind sandwichartig zwischen zwei dünne keramische Folien 121 eingefügt, die am Festelektrolyten 112 angebracht und mit diesem einstückig vereinigt sind. In diesem Fall ist die eine Keramikfolie 121 an einer der Pumpelektrode 119 entsprechenden Stelle mit einem Loch versehen, so daß die Pumpelektrode 119 unmittelbar mit dem Festelektrolyten 112 in Berührung ist. An der anderen Keramikfolie 121 liegt eine aus porösem Keramikwerkstoff gebildete Schutzlage 132 an, wobei die Keramikfolie 121 ein Loch hat, so daß die Pumpelektrode 119 zur Schutzlage 132 freiliegt.

Eine weitere Pumpelektrode 120 ist an der rechten unteren Fläche des Festelektrolyten 112 an einer der Pumpelektrode 119 gegenüberliegenden Stelle angeordnet. Ein Leiterelement

126 ist mit der Pumpelektrode 120 verbunden, verläuft an der unteren Fläche des Festelektrolyten 112 und ist durch ein Durchgangs loch 122 mit dem Leiterelement 127 zusammengeschlossen .

Im unteren Endabschnitt des Festelektrolyten 114 ist an dessen linker Fläche eine dem luftdichten Raum 115 gegenüberliegende Normalelektrode 117 angeordnet, während eine einer der Messung zu unterwerfenden Substanz zugewandte Meßelektrode 118 am unteren Endabschnitt der rechten Seitenfläche des Festelektrolyten 114 an einer der Normalelektrode 117 gegenüberliegenden Stelle angeordnet ist. Mit der Normalelektrode 117 ist ein Leiterelement 128 verbunden, das sich an der linken Seitenfläche des Festelektrolyten 114 aufwärts erstreckt und mit einem am oberen Endabschnitt des Festelektrolyten 114 auf dessen rechter Seite befindlichen Anschlußstück 130 über ein Durchgangsloch 123 Verbindung hat. Mit der Meßelektrode 118 ist ein auf der rechten Seite des Festelektrolyten aufwärts verlaufendes Leiterelement 129 verbunden, das an ein am oberen Endabschnitt des Festelektrolyten 114 auf dessen rechter Seite liegendes Anschlußstück 131 leitend geführt ist.

Bei dem Sauerstoffühlelement 53 von Fig. 8 wird bei dessen Herstellung Luft in den luftdichten Raum 115 eingeschlossen und dann diesem Raum 115 durch Anlegen einer Spannung an die Pumpelektroden 119, 120 Sauerstoff zugeführt. Wie der Fig. 8 zu entnehmen ist, verläuft der luftdichte Raum 115 im wesentlichen längs des gesamten Fühlelements 53. Da dessen Volumen somit relativ groß ist, ist es nicht notwendig, durch Betreiben der Sauerstoffpumpe ständig Sauerstoff in den luftdichten Raum 115 einzuführen. Weil des weiteren dieser · Raum 115 im wesentlichen im luftdichten Zustand gehalten wird und ihm außer Sauerstoff keine anderen Substanzen zugeführt werden, ist es möglich, das Auftreten von Schwierigkeiten im Fühlelement 53 auf Grund des Eindringens von

Fremdsubstanzen, wie Wasser, Seewasser od. dgl. Substanzen, von außen her zu verhindern.

Da bei der gezeigten Ausführungsform die Pumpelektroden und 120 mit dem Heizelement 116

oder dem Leiterelement 125 verbunden sind, ist die Anordnung einer weiteren Energiequelle für die Sauerstoffpumpe unnötig, so daß die Möglichkeit gegeben ist, den Anschluß des Sauerstoffühlelements klein auszugestalten und die Zahl der Anschlußstücke zu verringern.

Es ist notwendig, das Volumen des luftdichten Raumes 115 (Fig. 8) in geeigneter Weise unter Berücksichtigung der Gastemperatur und Gasgeschwindigkeit an der Verwendungsstelle des Sauerstoffühlelements, das bei ansteigender Gasgeschwindigkeit leicht zu kühlen ist, festzusetzen. Die Meß- sowie die Normalelektrode arbeiten im allgemeinen bei einer Temperatur oberhalb von 350° - 400⁰C, so daß es für das Heizelement ausreichend ist, wenn es die Kapazität bietet, um das Sauerstoffühlelement bei der niedrigsten Gastemperatur oberhalb 400⁰C zu halten. Das bedeutet, daß es nicht vorzuziehen ist, das Fühlelement immer oberhalb 500⁰C, was eine Temperatur für das zufriedenstellende Betreiben der Sauerstoffpumpe ist, mit Hilfe des Heizelements zu halten, weil dieses dann zu übermäßig belastet und damit seine Lebensdauer verkürzt wird.

Bei einer mit Ottokraftstoff betriebenen Automobil-Brennkraftmaschine wird im Fall einer Abwärtsfahrt auf einer stark abfallenden Strecke die Abgastemperatur vermindert, womit auch die Temperatur des Sauerstoffühlelements ziemlich abfällt. Dieser Zustand hält jedoch nicht lange an, er dauert höchstens 30 Minuten. Insofern muß der luftdichte Raum ein Volumen haben, das groß genug ist, um soviel Sauerstoff zu bewahren, wie in diesem Zustand verbraucht wird.

Wenn beispielsweise der Festelektrolytkörper eine Länge von 60 mm, eine Dicke von 0,4 mm und eine Breite von 4 mm hat, beträgt das Volumen des luftdichten Raumes, weil er sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Festelektrolyten erstreckt, dann 2,5 mm in der Breite χ 60 mm in der Länge χ 0,4 mm in der Dicke, also etwa 60 mm = 60μ1. Weil in diesem Fall die Gesamtimpedanz einer Meßvorrichtung für ein Fühlerausgangssignal im allgemeinen etwa 1 ΜΓ2 ist und der Fühlerausgang etwa 1 V beträgt, so fließt ein Strom von 1 uA zwischen der Normal- und der Meßelektrode 117 und 118, und Sauerstoff im luftdichten Raum wird dementsprechend verbraucht. Im Fall des Haltens von Luft im luftdichten Raum 115 werden 5o% des Sauerstoffs in der Luft für etwa 2 h verbraucht, jedoch ist eine Beeinträchtigung im Fühlerausgang gering. Deshalb kann im Hinblick auf den praktischen Gebrauch ein minimales Volumen von über 15 μΐ für den luftdichten Raum als zweckmäßig angenommen werden.

Für den Festelektrolytkörper mit einer Leitfähigkeit für Sauerstoff ionen kann Zirkoniumdioxyd (ZrOp), das Yttri'umoxyd (Yp⁰^) enthält, verwendet werden. Die Zersetzungsspannung von ZrOp (ZrOp—*-Zr + Op) ist geringfügig veränderlich, sie beträgt im allgemeinen jedoch etwa 2,5 V. Wenn beispielsweise Elektroden an beiden Seiten des ZrOp-Körpers angeordnet sind und an den Elektroden bei etwa 500⁰C eine Spannung von 2,5 V liegt, ohne von außen Sauerstoff zuzuführen, dann wird das Zirkoniumdioxyd elektrisch zersetzt und wird schwarz, weil durch die Elektrolyse Sauerstoff verbraucht wird. Um die Schwärzung des ZrOp-Körpers zu unterbinden, ist es notwendig, die an die Pumpelektroden gelegte Spannung

einschließlich eines Spannungsabfalls - auf nicht mehr als 3 V, vorzugsweise nicht mehr als 2,5 V einzuregeln. Als Verfahren für diese Regelung ist vorgesehen, die an das Heizelement gelegte Spannung (etwa 11 - 15 V bei einem Automobil) in geeigneter Weise zu teilen. In diesem Fall liegt ein Vorteil darin, daß es nicht nötig ist, einen Regler od. dgl.

außerhalb vom Sauerstoffühlelement zu verwenden. Ferner wird auf Grund eines Unterschieds zwischen dem inneren und äußeren Sauerstoff-Partialdruck eine Spannung zwischen den Pumpelektroden 119 sowie 120 erzeugt, weshalb es notwendig ist, die so erzeugte Spannung als die Pumpspannung anzusehen. Da der Ausgang des Sauerstoffiihlers im Durchschnitt etwa 0,4 - 0,5 V/h im allgemeinen beträgt, ist es z.B. möglich, Sauerstoff in den luftdichten Raum einzuführen, wenn die Pumpspannung auf etwa 0,5 V, vorzugsweise auf über 1 V festgesetzt wird. Wenn es nötig ist, zur Verbindung der Pumpelektrode mit dem Heizelement 116 (s. Fig. 8) ein Durchgangsloch zu verwenden, dann ist es vorzuziehen, das Durchgangsloch an einer zum Heizelement 116 beabstandeten Stelle vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, einen Stromfluß durch den Festelektrolyten am Durchgangsloch und eine Beschädigung des Durchgangslochs auf Grund der Hitze des Heizelements zu vermeiden.

Die Fig. 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines Sauerstofffühlelements 54, die eine gegenüber der Fig. 8 abgewandelte Ausführungsform ist. Das Sauerstoffühlelement 54 weist denselben Aufbau wie das von Fig. 8 auf mit der Ausnahme, daß zwischen den Festelektrolytkörpern 112 und 113 eine Isolierlage 133 aus Porzellankeramik angeordnet ist, die mit einem dem Schlitz des luftdichten Rauems 115 entsprechenden Schlitz 134 versehen ist. Ferner ist in einem Teil der Isolierlage 133 durch Eingliederung eines porösen Keramikwerkstoffs ein poröser Abschnitt 135 angeordnet. Das Vorhandensein dieses porösen Abschnitts 135 macht es bei dieser Ausführungsform möglich, eine überschußmenge an Sauerstoff im luftdichten Raum 115 nach außen hin abzuführen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, den Sauerstoff-Partialdruck im lufidichten Raum 115 konstantzuhalten, so daß die Meßgenauigkeit erhöht werden kann. Vorzugsweise wird des weiteren der poröse Abschnitt 135 an einer Stelle angeordnet, die zum zu prüfenden

Gas freiliegt. Vor allem ist es möglich, die Isolierlage als poröses Teil 135 zu fertigen·

Gemäß der Erfindung ist der luftdichte Raum in dem Gehäuse für den Sauerstoffühler angeordnet und nur mit dem der Normalelektrode gegenüberliegenden Spalt des Sauerstoffühlelements in Verbindung, so daß es im Gegensatz zu einem Sauerstoffühler nach dem Stand der Technik nicht notwendig ist, das Loch für die Zufuhr der Standard- oder Bezugssubstanzen vorzusehen, was zur Folge hat, daß die qualitative Verschlechterung und Beschädigung des Sauerstoffühlelements durch das Eindringen von Fremdstoffen, wie Wasser, Seewasser od. dgl., vom Äußeren her völlig verhindert werden können.

Ferner ist die Sauerstoffpumpe dazu vorgesehen, Sauerstoff in den luftdichten Raum einzubringen, so daß Sauerstoff als Standardsubstanz in ausreichender Weise in dem luftdichten Raum gehalten werden kann. Weil darüber hinaus das Volumen des luftdichten Raumes genügend groß gemacht werden kann, ist es nicht nötig, ständig die Sauerstoffpumpe zu betreiben, womit die an die Sauerstoffpumpe gelegte Spannung vermindert werden kann. Weil es desweiteren nicht nötig ist, das Sauerstoffühlelement ständig mit Hilfe eines Heizelements auf hoher Temperatur zu halten, besteht die Möglichkeit, die Heizleistung des Heizelements gering zu machen und dadurch einer Verschlechterung oder einem Ausfall des Sauerstoffühlelements entgegenzuwirken.

Ferner ist bei dem mit einem Heizelement und wenigstens einem Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden zusätzlich zur Normalsowie Meßelektrode versehenen Sauerstoffühlelement wenigstens ein Leiterelement für die Sauerstoff-Pumpelektroden an ein Teil des Heizelements oder des Leiterlements für das Heizelement angeschlossen, so daß es möglich ist, die gleiche Energiequelle für die Sauerstoffpumpe sowie das Heizelement

- co -

zu benutzen, womit folglich die Anzahl der Anschlußstücke, die an den Endabschnitten des Sauerstoffühlelements ausgebildet sind und zum Anschluß an externe Schaltungen dienen, entsprechend vermindert werden kann. Da in diesem Fall die Anzahl der Verbindungsleitungen für die Energiequelle vermindert werden kann, ist die Möglichkeit gegeben, die Wahrscheinlichkeit für einen Leitungsbruch herabzusetzen und den Anschluß- oder Verbindungskörper mit geringen Abmessungen auszubilden.

- Leerseite -

Claims (1)

1. Tedtke-Bühling-Kinne ;-;GBüRg; O V-

   r\ r* O Dipl.-Ing. H.Tiedtke

   Hellmann - (jirams - otruif DipL-chem. a Bowing

   Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

   Bavariaring 4, Postfach 2024 8000 München 2

   Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: O 89-537377 cable: Germaniapatent Münch

   5. Dezember 1985

   DE 5355 /

   case 59-258,080 comb.

   Patentansprüche

   1. Sauerstoffühler mit einem Sauerstoffühlelement, das aus einem Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörper besteht und mit wenigstens einer Normal- sowie einer Meßelektrode ausgestattet ist, und mit einem das Sauerstofffühlelement in seinem Inneren aufnehmenden Gehäuse,
   gekennzeichnet durch einen in einem mit Bezug zur Außenatmosphäre im wesentlichen in luftdichtem Zustand gehaltenen luftdichten Raum (9,115), der der Normalelektrode (38, 64, 117) gegenüberliegt, und durch wenigstens ein Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden (39, 40, 65, 66, 119, 120) zur Zufuhr von Sauerstoff in den luftdichten Raum durch Sauerstoffionenleitung.

   2. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der luftdichte Raum (9) in dem Gehäuse (20) ausgebildet ist und das Sauerstoffühlelement (1, 51, 52) einen der Normalelektrode (38, 64) gegenüberliegenden Spalt

   (35, 80, 90) aufweist, der nur mit dem luftdichten Raum in Verbindung steht.

   3. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der luftdichte Raum (115) im Sauerstoffühlelement (53, 54) angeordnet ist.

   4. Sauerstoffühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffühlelement (51, 52, 53, 54) mit wenigstens einem Heizelement (67, 116) für die Beheizung von wenigstens einer der Normal- (64, 117), Meß-(63, 118) und Sauerstoff-Pumpelektroden (65, 66, 119, 120) sowie einer Einrichtung zur Teilung einer dem.Heizelement angelegten Spannung parallel an die Sauerstoff- Pumpelektroden versehen ist.

   5. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse umfaßt:

   - ein Schutzrohrteil (20a), das ein einem einer Messung unterliegenden Gas ausgesetztes Teil (4) des Sauerstofffühlelements (1) schützend aufnimmt,

   - ein Aufnahmestück (15), durch das der Sauerstoffühler (101) an einer das der Messung unterliegende Gas gegenüber dem Äußeren abschirmenden Trennwand (25) befestigt ist,

   - ein einem der Messung unterliegenden Gas nicht ausgesetztes Teil des Sauerstoffühlelements zu dessen Schutz aufnehmendes Schutzrohr (20),

   - ein ein Eindringen von der Messung unterliegendem Gas in das Schutzrohr verhinderndes Abschlußteil (6, 14) und

   - einen eine Stirnseite des Schutzrohres verschließenden Stopfen (8), durch den Leitungsdrähte (11, 12, 13) zur elektrischen Verbindung des Sauerstoffühlelements mit einem externen Schaltkreis geführt sind, wobei der luft-

   dichte Raum (9) von dem Schutzrohr, dem Abschlußteil, dem Stopfen und dem Sauerstoffühlelement (1) umgeben ist,

   6. Sauerstoffühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine zwischen dem luftdichten Raum (9) und dem Stopfen (8) einen luftdichten Abschluß bildende Zwischenwand (23) umfaßt.

   7. Sauerstoffühlelement, das einen Sauerstoff ionen leitenden Festelektrolytkörper und wenigstens eine Normal- sowie eine Meßelektrode umfaßt, gekennzeichnet

   - durch einen in dem Festelektrolytkörper (61, 62, 63) ausgebildeten, der Aufnahme einer Bezugssubstanz dienenden, der Normalelektrode (64) gegenüberliegenden Spalt (80),

   - durch wenigstens ein dem Spalt durch Sauerstoffionenleitung Sauerstoff zuführendes Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden (65, 66),

   - durch ein Heizelement (67), das wenigstens eine der Normal- (64), Meß- (63) und Sauerstoff-Pumpelektroden (65, 66) beheizt, und

   - durch eine Einrichtung zur Teilung einer dem Heizelement angelegten Spannung sowie zum Anlegen der geteilten Spannung an das Paar von Sauerstoff-Pumpelektroden.

   8. Sauerstoffühlelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (67) einen positiven spezifischen Widerstand-Temperaturkoeffizienten hat.

   9. Sauerstoffühlelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffühlelement (51, 52) eine tafelförmige Gestalt hat.

   10. Sauerstoffühlelement, das einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper und wenigstens eine Normal- sowie

   eine Meßelektrode umfaßt, gekennzeichnet

   - durch einen in dem Festelektrolytkörper (112, 113, 114) angeordneten, im wesentlichen in einem luftdichten Zustand mit Bezug zur Außenatmosphäre gehaltenen luftdichten Raum (115) und

   - durch wenigstens ein in den luftdichten Raum durch Sauerstoffionenleitung Sauerstoff einführendes Paar von Sauerstoff-Pumpelektorden (119, 120).

   11. Sauerstoffühlelement nach Ansrpuch 10, gekennzeichnet durch ein Heizelement (116), das wenigstens eine der Normal· (117), Meß- (118) und Sauerstoff-Pumpelektroden (119, 120) beheizt, und durch eine die dem Heizelement angelegte Spannung teilende sowie die geteilte Spannung parallel an die Sauerstoff-Pumpelektroden legende Einrichtung.

   12. Sauerstoffühlelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der luftdichte Raum (115) durch ein poröses, isolierendes Teil (135), das eine überschußmenge an Sauerstoff durchtreten läßt, mit der Außenatmosphäre in Verbindung ist.

   13. Sauerstoffühlelement nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sauerstoffühlelement (53, 54) eine tafelförmige Gestalt hat.

   14. Sauerstoffühlelement nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (116) eienn positiven spezifischen Widerstand-Temperaturkoeffizienten hat.