DE4439854A1 - Elektrochemischer Meßfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Meß­ fühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Ga­ sen, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehal­ tes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Elektrochemische Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese sind beispielsweise in einer so­ genannten Fingerbauform ausgeführt, bei der ein Fest­ elektrolytkörper ein Sensorelement bildet, das als geschlossenes Rohr in einem metallischen Gehäuse dicht festgelegt ist. Der Festelektrolytkörper ist zwischen zwei Elektroden angeordnet, wobei eine erste Elektrode dem Meßgas und eine zweite Elektrode einem Referenzgas, beispielsweise der Luftatmosphäre, aus­ gesetzt ist. Je nach sich einstellendem Sauerstoff­ konzentrationsunterschied an der dem Meßgas und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode liegt zwischen diesen ein Spannungssignal an. Zur Auswertung des Spannungssignals sind die Elektroden über Anschlüsse aus dem Meßfühler herausgeführt und mit einer Auswer­ teschaltung verbunden. Damit das Sensorelement vor äußeren Einflüssen, beispielsweise Spritzwasser oder ähnlichem, geschützt ist, sind die Anschlüsse durch eine meßgasferne Dichtung geführt, die das Gehäuse, in dem das Sensorelement angeordnet ist, abdichtet. Hierbei ist nachteilig, daß die Referenzelektrode ebenfalls nach außen abgedichtet ist, so daß als Referenzluftbereich nur der innerhalb des Gehäuses vorhandene Raum zur Verfügung steht. Durch den einge­ schränkten Raum besteht die Gefahr, daß aus dem be­ schränkt zur Verfügung stehenden Referenzgas über die Referenzelektrode bei einem längeren Betrieb des Meß­ fühlers zuviel Sauerstoffionen abgepumpt werden, so daß das Referenzgas "vergiftet" ist und zur Lieferung von exakten Meßergebnissen nicht mehr zur Verfügung steht.

Aus der US-PS 4,786,399 ist beispielsweise bekannt, die Anschlüsse des Sensorelementes durch eine Teflon­ dichtung zu führen, die das Gehäuse, in dem das Sen­ sorelement angeordnet ist, gleichzeitig abdichtet. Die Teflondichtung bildet gleichzeitig einen Filter aus, der einen Luftaustausch mit einer Referenzkammer gestatten soll, jedoch einen Flüssigkeitseintritt in die Referenzkammer verhindern soll. Da die Dichtung gleichzeitig eine Führung für die Anschlüsse bildet, muß diese eine Mindestfestigkeit aufweisen, so daß eine ausreichende Luftdurchlässigkeit zur Belüftung der Referenzkammer nicht gegeben ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß in einfacher Weise eine gasdurchlässige und flüs­ sigkeitsundurchlässige Abdichtung des Sensorelementes erreichbar ist. Dadurch, daß die Dichtung wenigstens einen Bereich aufweist, der eine Verbindung zwischen der Referenzelektrode und der Atmosphäre besitzt, der aus einem gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurch­ lässigen Material besteht, ist es in einfacher Weise möglich, die Dichtung in die Funktionsbereiche für die Belüftung der Referenzkammer und die Führung der Anschlüsse zu unterteilen. Somit kann die Dichtung optimal auf einen sicheren Halt der durch diese hin­ durchgeführten Anschlüsse ausgelegt werden, während der Bereich der Dichtung, der für die Belüftung der Referenzkammer ausgebildet ist, aus einem Material bestehen kann, das nicht die notwendige Festigkeit für die Führung der Anschlüsse aufzuweisen braucht und daher aus einem besonders gut geeigneten Material bestehen kann, das die geforderte hohe Gasdurchläs­ sigkeit aufweist und für Flüssigkeiten undurchlässig ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor­ gesehen, daß die Dichtung eine in das Gehäuse einge­ setzte Dichtbuchse ist, die die Anschlüsse des Sen­ sorelementes dichtend umgreifende Durchführungen und einen die Dichtbuchse axial durchgreifenden Pfropfen, der den gasdurchlässigen Bereich bildet, aufweist. Somit ist es möglich, bei gleichen Abmessungen der Dichtbuchsen in diese einen Bereich vorzusehen, der die Belüftung der Referenzkammer ermöglicht. Än­ derungen an der Konstruktion und der Halterung des gesamten Meßfühlers sind somit nicht notwendig. Der den gasdurchlässigen Bereich ergebende Pfropfen kann separat gefertigt sein und erst bei der Komplet­ tierung des Meßfühlers in die Dichtbuchse eingesetzt werden. Durch die Halterung der Dichtbuchse in dem das Sensorelement aufnehmenden Gehäuse wird der Pfropfen innerhalb der Dichtbuchse gleichzeitig mit arretiert, so daß dieser form- und kraftschlüssig mit der Dichtbuchse verbunden ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei­ spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Schnittdarstellung durch einen elektrochemischen Meßfühler;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch eine Dichtbuchse;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Dichtbuchse und

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch eine Dicht­ buchse nach einer weiteren Ausführungs­ variante.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist in einer Schnittdarstellung ein allgemein mit 10 bezeichneter elektrochemischer Meß­ fühler dargestellt. Der Meßfühler 10 besitzt ein me­ tallisches Gehäuse 12, das an seiner Außenseite einen Schlüsselsechskant 14 und ein Gewinde 16 zum Be­ festigen in einem nicht dargestellten Meßgasrohr auf­ weist. Das Gehäuse 12 ist hülsenförmig ausgebildet und besitzt eine Durchgangsöffnung 18. Die Durch­ gangsöffnung 18 ist als Stufenbohrung ausgeführt und bildet einen Dichtsitz 20 aus. In der Durchgangs­ öffnung 18 des Gehäuses 12 ist ein Sensorelement 22 geführt. Das Sensorelement 22 besitzt einen wulst­ förmigen Kopf 24, der eine Ringschulter 26 ausbildet. Zwischen dem Sensorelement 22 und dem Gehäuse 12 ist ein erstes Dichtelement 28 angeordnet.

Der in Fig. 1 dargestellte Meßfühler 10 besitzt ein potentialfrei angeordnetes Sensorelement 22, wobei der prinzipielle Aufbau ebenfalls für ein potential­ behaftet angeordnetes Sensorelement 22 gilt. Im Rah­ men der vorliegenden Beschreibung soll auf die Unter­ schiede zwischen potentialfrei und potentialbehaftet angeordneten Sensorelementen 22 nicht näher einge­ gangen werden, da dies dem Fachmann allgemein ge­ läufig ist.

Das Sensorelement 22 ist im vorliegenden Beispiel ei­ ne an sich bekannte Sauerstoffsonde, die bevorzugter­ weise für das Messen des Sauerstoffpartialdruckes in Abgasen, vorzugsweise bei Kraftfahrzeugen, Verwendung findet. Das Sensorelement 22 besitzt einen rohrförmi­ gen Festelektrolytkörper 30, dessen meßgasseitiger Endabschnitt mittels eines Bodens 32 verschlossen ist. Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite des Festelektrolytkörpers 30 ist eine schichtförmige, gasdurchlässige Meßelektrode 34 angeordnet. Auf der der Außenseite abgewandten Innenseite des Fest­ elektrolytkörpers 30 ist eine einem Referenzgas, beispielsweise Luft, ausgesetzte, gasdurchlässig und ebenfalls schichtförmig ausgebildete Referenzelektro­ de 36 angeordnet. Ein sich durch die fingerförmige Gestalt des Festelektrolytkörpers 30 ergebender In­ nenraum 38 dient somit gleichzeitig als mit dem Referenzgas gefüllte Referenzkammer. Die Meßelektrode 34 ist über eine Leiterbahn 40 mit einem ersten Elektrodenkontakt 42 verbunden. Über die Meßelektrode 36 und teilweise über die Leiterbahn 40 ist eine poröse Schutzschicht 44 gelegt. Die Referenzelektrode 36 ist über eine zweite Leiterbahn 46 mit einem zweiten Elektrodenkontakt 48 verbunden. Die Elektro­ denkontakte 42 und 48 befinden sich jeweils auf einer vom offenen Ende des Festelektrolytkörpers 32 gebil­ deten Stirnfläche 50. Die Leiterbahnen 40 und 46 sind vorteilhafterweise als Cermet-Schichten aufgebaut und co-gesintert.

Das meßgasseitig aus der Durchgangsöffnung 18 des Gehäuses 12 herausragende Sensorelement 22 ist mit Abstand von einem Schutzrohr 52 umgeben, welches für den Ein- beziehungsweise Austritt eines Meßgases Öff­ nungen 54 besitzt. Das Schutzrohr 52 ist am meßgas­ seitigen Ende des Gehäuses gehalten, beispielsweise in eine Nut 56 eingepaßt. In dem Innenraum 38 des Sensorelementes 22 ist beispielsweise ein stabför­ miges Heizelement 58 angeordnet. Das Heizelement 58 ist mit nicht dargestellten Anschlüssen mit einer Heizspannungsquelle verbunden und meßgasfern arre­ tiert.

Auf dem ersten Elektrodenkontakt 48 liegt ein erstes Kontaktteil 60 und auf dem zweiten Elektrodenkontakt 42 ein zweites Kontaktteil 62 auf. Die Kontaktteile 60 und 62 sind so geformt, daß sie am rohrförmigen Heizelement 58 anliegen und mit einem Meßelektroden­ anschluß 64 und einem Referenzelektrodenanschluß 66 kontaktiert sind. Die Anschlüsse 64 und 66 sind mit Anschlußkabeln 68 und 70 kontaktiert. Die Kontak­ tierung zwischen den Anschlüssen 64 und 66 und den Anschlußkabeln 68 und 70 erfolgt beispielsweise mit­ tels einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Steck-, Löt-, Preß- oder anderweitig geeigneten Verbindung. Die Verbindung zwischen den Anschlüssen 64 bezie­ hungsweise 66 und den Anschlußkabeln 68 beziehungs­ weise 70 liegt ebenfalls noch innerhalb der Durch­ gangsöffnung 18 des Gehäuses 12.

Das Gehäuse 12 besitzt an seinem meßgasfernen Ende 72 eine hülsenartige Verlängerung 74, die ein zweites Dichtelement 76 umschließt. Zur Fixierung des Dicht­ elementes 76 kann das Gehäuse 12 beispielsweise eine Umbördelung 78 aufweisen. Das Dichtelement 76 besitzt Durchführungen 80, durch die die Anschlußkabel 68 und 70 geführt sind. In der in Fig. 1 gezeigten Darstel­ lung sind lediglich die Anschlußkabel 68 und 70 des Meßfühlers 22 dargestellt. Das Dichtelement 78 be­ sitzt weitere Durchführungen 80 für die Anschlüsse des Heizelementes 58. Die Durchführungen 80 sind hierbei - wie Fig. 2 und 3 noch näher zeigt - auf einer Kreislinie um eine Axiale 82 des Meßfühlers 10 angeordnet. Mit der Axialen 82 fällt ein Bereich 84 des Dichtelementes 76 zusammen, der eine Durchgangs­ öffnung 86 bildet. Die Durchgangsöffnung 86 verbindet den Innenraum 38 des Sensorelementes 22 mit der den Meßfühler 10 umgebenden Atmosphäre. Innerhalb der Durchgangsöffnung 86 ist ein Pfropfen 88 angeordnet, der aus einem gasdurchlässigen und flüssigkeitsun­ durchlässigen Material besteht. Eine Fixierung des Pfropfens 88 innerhalb des Dichtelementes 76 erfolgt durch die Verspannung des Dichtelementes 76 in dem Gehäuse 12 des Meßfühlers 10. Der Pfropfen 88 ist somit form- und kraftschlüssig mit dem Dichtelement 76 verbunden.

Während eines Betriebes des Meßfühlers 10 steht die Meßelektrode 34 über die Öffnungen 54 des Schutz­ rohres 52 mit dem Meßgas in Verbindung. Gleichzeitig steht die Referenzelektrode 36 mit dem in dem Innen­ raum 38 vorhandenen Referenzgas in Verbindung. Auf­ grund eines sich einstellenden Sauerstoffkonzentra­ tionsunterschiedes an der Meßelektrode 34 und der Referenzelektrode 36 fließt ein Grenzstrom, bezie­ hungsweise es liegt eine Grenzspannung an, die über die Leiterbahnen 40 beziehungsweise 46, die An­ schlüsse 64 beziehungsweise 66 und die Anschlußkabel 68 beziehungsweise 70 abgegriffen werden können und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung zuführbar sind. Durch den Sauerstoffkonzentrationsunterschied werden Sauerstoffionen aus dem Referenzgas des Innen­ raums 38 zu der Meßelektrode 34 in an sich bekannter Weise gepumpt. Über den Pfropfen 88 innerhalb des Dichtelementes 76 findet nunmehr eine ständige Be­ lüftung des Innenraums 38 statt, so daß in dem Innen­ raum 38 ständig "frisches" Referenzgas zur Verfügung steht. Eine Belüftung des Innenraums 38 über den Pfropfen 88 kann durch eine Materialwahl des Pfropfens 88 beeinflußt werden. Als Material für den Pfropfen 88 eignet sich ein Material, das eine defi­ nierte Struktur und Porengröße aufweist, die einer­ seits eine Gasdurchlässigkeit zur Belüftung des In­ nenraums 38 gewährleisten und andererseits einen Ein­ tritt von Flüssigkeiten durch den Pfropfen 88 in den Innenraum 38 verhindert. Für den Innenraum 38 findet somit eine Zwangsbelüftung statt, die eine ständige Erneuerung des Referenzgases gewährleistet.

Als Material für den Pfropfen 88 eignet sich der Kunststoff Polytetrafluorethylen (PTFE), welcher mit definierten Strukturen und Porengrößen hergestellt wird. Derartige Materialien sind beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen Gore-Tex oder Zitex bekannt. Bei diesen Materialien handelt es sich um drei­ dimensionales PTFE-Gefüge mit der Charakteristik von Faserstrukturen oder um ein offenporiges, homogenes, ausgesintertes PTFE-Gefüge. Diese zeichnen sich durch eine Beständigkeit in einem großen Temperaturbereich aus, die einen niedrigen Fließpunkt zum Durchsatz von Gasen und einen hohen Differenzdruckwert für eine flüssigkeitsabstoßende Wirkung besitzen.

Durch den Einsatz der Pfropfen 88 wird der gesamte Aufbau des Meßfühlers 10 nicht geändert, so daß die bekannten Dichtelemente 76 durch die den erfindungs­ gemäßen Pfropfen 88 aufweisenden Dichtelemente 76 in einfacher Weise ersetzt werden können.

In den Fig. 2 und 3 ist das Dichtelement 76 in ei­ ner Schnittdarstellung und Draufsicht nochmals ge­ zeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Anhand der Darstellungen wird deutlich, daß der Pfropfen 88 zentrisch durch das Dichtelement 76 ge­ führt ist. Nach weiteren, nicht dargestellten Aus­ führungsbeispielen kann der Pfropfen 88 selbstver­ ständlich auch in einem Randbereich des Dichtelemen­ tes 76 angeordnet sein, wenn eine Verbindung mit dem Innenraum 38 des Sensorelementes 22 gewährleistet ist. Die Durchführungen 80, von denen hier drei dar­ gestellt sind, liegen auf einer Kreislinie 90 um den Pfropfen 88 herum. Die Durchführungen 80 sind hier stufenförmig ausgebildet, wobei die konkrete Form der Durchführungen 80 von den Anschlußkabeln 68 und 70 und eventuell an diesen angeordneten Steckkontakten abhängt.

Durch die Trennung der Funktion der Belüftung des Innenraums 38 von der dichtenden Führung der An­ schlußkabel 68 und 70 ist es möglich, das Material des Dichtelementes 76 vollkommen auf die Führung und Abdichtung der Anschlußkabel 68 und 70 zu optimieren. Die Belüftung des Innenraums 38 wird ausschließlich durch den Pfropfen 88 übernommen, so daß dieser nur auf diese Funktion abgestimmt zu werden braucht.

In der Fig. 4 ist schematisch eine weitere Ausfüh­ rungsvariante für eine Zwangsbelüftung des Innenraums 38 der Meßsonde 22 gezeigt. Bei bestimmten Aus­ führungen der Meßfühler 10 werden die Anschlußkabel 68 beziehungsweise 70 in das Gehäuse 12 mittels Tüllen eingeführt. Eine derartige Tülle 92 ist bei­ spielsweise in der Fig. 4 dargestellt. Die Tüllen 92 besitzen eine im wesentlichen zylindrische Form, so daß diese in eine entsprechende Aussparung des Ge­ häuses 12 einsetzbar sind. An ihrer Außenseite be­ sitzen die Tüllen 92 beispielsweise eine Konizität 94, die ein Festklemmen der Tülle 92 in der Aus­ sparung des Gehäuses 12 gewährleisten. Durch die Tülle 92 führt eine Durchgangsöffnung 94, die jeweils das oder die Anschlußkabel 68 beziehungsweise 70 auf­ nimmt. Die Tülle 92 besteht nunmehr aus einem Ma­ terial, das dem der in den Fig. 1 bis 3 darge­ stellten Pfropfen 88 entspricht. Dieses ist somit gasdurchlässig und flüssigkeitsundurchlässig. Wird nunmehr die Tülle 92 in eine Ausnehmung 96 eines Ge­ häuses 12, wobei dieses Gehäuse 12 in Fig. 4 nur angedeutet ist, eingesetzt, erfolgt durch die Konizi­ tät 94 eine Arretierung innerhalb der Ausnehmung 96.

Über das Material der Tülle 92 kann nunmehr ein Gasaustausch zwischen der Atmosphäre außerhalb des Gehäuses 12 und dem Innenraum 38 erfolgen. Insgesamt ist somit ebenfalls in einfacher Weise eine Zwangs­ belüftung des Innenraums 38 gewährleistet, ohne daß eine Änderung der Konstruktion des Meßfühlers 10 erforderlich ist.

Claims (7)

1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasen, insbesondere zur Be­ stimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Ver­ brennungsmotoren, mit einem Sensorelement, das dich­ tend in einem Gehäuse eingesetzt ist, eine mit einem Referenzgas in Verbindung stehende Referenzelektrode aufweist und bei dem zumindest der Anschluß der Re­ ferenzelektrode durch eine meßgasfern angeordnete Dichtung geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (76) wenigstens einen Bereich (94) aufweist, der eine Verbindung zwischen einem die Referenzelek­ trode (36) umgebenden Innenraum (38) und der At­ mosphäre ausbildet und der aus einem gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässigen Material besteht.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Polytetrafluorethylen mit definier­ ter Struktur und Porengröße ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (76) eine in das Gehäuse (12) ein­ gesetzte Dichtbuchse (76) ist, die die Anschlüsse (68, 70) dichtend umgreifende Durchführungen (80) und den Bereich (94) aufweist.

4. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (94) von einem die Dichtbuchse (76) axial durchgreifenden Pfropfen (88) gebildet ist.

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfropfen (88) in einer Axialen (82) der Dichtbuchse (76) angeordnet ist und die Durchführungen (80) koaxial um den Pfropfen (88) angeordnet sind.

6. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (94) von der gesamten Dichtbuchse (76) gebildet wird.

7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtbuchse (76) eine Tülle (92) ist.