DE8420216U1 - Messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen - Google Patents

Description

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3.T.I98U Zr/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstofftehaltes in Gasen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler für die Beetimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen nach der Gattung des HaUptänspruchs. Es ist schon ein derartiger Meßfühler bekannt (DE-PS 23 38 536), der ein Schutzrohr aufweist, velchüs den aus einem rohrartigen Metallgehäuse meßgaseeits herausragenden Abschnitt eines im wesentlichen aus keramischem Material bestehenden Meßelementes (Festelektrolytrohr) mit Abstand umgibt. Dieses Schutzrohr hat in seiner Seitenwand mehrere Öffnungen für den Eintritt der Meßgase und in seinem meßgasseitigen Boden eine im Durchtesser kleine Öffnung für den Austritt der Meßgase. Die in der Seitenwand des Schutzrohres befindlichen Öffnungen sind im Schützrohr so ausgebildet, daß sie die Meßgase im wesentlichen tangential zur Innenfläche des Schutzrohres führen und somit das Meßelement weitgehend gegen Bombardierung durcfe im Meßgas enthaltenen Feststoffteilchen geschützt ist.

Der erfindüngsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptansprüchs hat demgegenüber den Vorteilj daß infolge einer anderen Führung des Meßgases zum Meßelement und durch eine spezielle Gestaltung des Schützrohres die Verschmutzung bzw. Vergiftung (Ölaschen, Reaktionsprodukte des Bleis ^ metallischer Staub von Motorventilen und ähnliches) des Meßelementes erheblich re= duziert wird, was zu einer wesentlichen Lebensdaüererhöhung beiträgt. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß Jas Schutzrohr aufgrund obengenannter Eigenschaften bei nicht repräsentativen Meßgasspitzen Fehlregelungen verhindert und es ermöglicht, daß die Ansprechzeiten von "hoher Sauerstoffanteil in Richtung kleiner Sauerstoffanteil" und umgekehrt von gleicher Länge sind - was die Vereinfachung der elektronischen Auswerteschaltung mit sich bringt. Im Falle, daß das Meßelement mit einem Widerstandsheizelement versehen ist, ergibt sich infolge dieses Schutzrohres außerdem noch eine Energieersparnis.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt eine Seitenansicht eines Meßfühlers in vergrößerter Darstellung, wobei der meßgasseitige Endabschnitt des Meßfühlers als Längsschnitt gezeigt ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Der in der Zeichnung dargestellte Meßfühler 10 für die· Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen ist insbesondere für die Verwendung in Abgasen von Brennkraft-

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masehican vorgesehen; der prinzipielle Aufbau eines solchen Meßfühlers 10 ist "bereits aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 81 01 58U "bekannt. Dieser Meßfühler

10 arbeitet nach dem bekannten Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten; als Festelektrolyt findet bevorzugt stabilisiertes, kubisches Zirkondioxid Verwendung. Der Festelektrolyt ist im vorliegenden Beispiel als ein Festelektrolytrohr 11 ausgebildet, welches meßgasseits einen. Boden 12 aufweist. Auf die Darstellung der schichtförmigen Elektroden auf der Außenseite und auf der Innenseite dieses Festelektrolytrohres 11 und auf eine Schutzschicht für die den Meßgasen ausgesetzte Elektrode wurde verzichtet; diese Elektroden sind bevorzugt als poröse Schichten auf dem Festelektrolytrohr 11 aufgebracht und sind in bekannter Weise mit elektrischen Anschlußteilen verbunden, von denen mindestens eines zu dem anschlußseitigem Kabel 13 führt; üblicherweise ist die auf der Außenseite des Festelektrolytrohres 11 befindliche Elektrode, welche katalysierende Wirkung hat, mit dem elektrisch an Masse liegenden Metallgehäuse 1h verbunden. In den Innenraum 15 des Festelektrolytrohres 11 ragt ein stabförmiges Widerstandsheizelement 16 hinein, das im wesentlichen den Innenraum 15 ausfüllt und bis nahe an den Boden 12 des Festelektrolytrohres 11 reicht; in vielen Anwendungsfällen dieses Meßfühlers 10 kann jedoch auf die Anordnung eines Widerstandsheizelementes 16 verzichtet werden. Der Innenraum 15 des Festelektrolytrohres

11 ist einem Referenzgas (z. B. Luft) ausgesetzt, das mit der genannten, nicht dargestellten Gegenelektrode in Kontakt steht. Der sonstige Aufbau dieses Meßfühlers 10 entspricht im wesentlichen dem Aufbau jenes Meßfühlers,

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der in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 81 01 53U ■beschrieben ist-; zusätzlich dargestellt ist lediglich ein unverlierbar auf dem Metallgehäuse 1k festgelegter Dichtring 17·

Der meßgasseits aus dem Metallgehäuse 1^ herausragende Abschnitt des Festelektrolytrohres 11 ist von einem becherartigen Schutzrohr 18 umgeben, das bevorzugt aus einem korrosionsfestem Stahlblech besteht. Dieses Schutzrohr 18 besitzt an seinem offenen Endabschnitt einen nach außen weisenden Flansch 19, welcher wellscheibenförmig ausgebildet und an der Stirnseite des Metallgehäuses 1 U mittels eines Bördelrandes 20 befestigt ist. Das Schutz- & rohr 18 umgibt mit Abstand das Festelektrolytrohr 11 und S^:

besitzt meßgasseits einen Boden 21, der als konvexe Kuppe | ausgebildet ist. Im am weitesten vorragenden Bereich dieses kuppenartigen Bodens 21 ist eine warzenartige, konvexe Ausbauchung 22 angeordnet, welche bevorzugterweise kegel-

stumpförmig gestaltet ist und sich meßgasseits verjüngt. f

Diese Ausbauchung 22 enthält eine für den Eintritt der Meßgase vorgesehene Öffnung 23. Diese Öffnung 23 hat einen Durchmesser von 2,5 mm, kann - je nach Anwendungsfall - aber einen Durchmesser zwischen 1 und h mm, bevorzugt von 2 bis 3 mm haben. Die die Öffnung 23 umgebende Ausbauchung 22 hat dabei eine Höhe von 1 mm, kann - je nach Anwendungsfall - aber auch eine Höhe zwischen 0,3 bis 2 mm, bevorzugt von 0,U bis 1,5 mm haben. Die Höhe des kupperiartigen Bodens 21 ist k mm, kanu - je nach Anwendungsfall - aber zwischen 2,5 und 6 mm, bevorzugt zwischen 3 und 5 mm liegen. Die Gesamtlänge eines solchen Schutzrohres 18 beträgt 20 mm, kann aber - je nach Anwendungsfall - zwischen 12 und 30 mm, bevorzugt zwischen 18 und 2 5 mm liegen.

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Für den Austritt der Meßgase aus dem Innenraum 15 des Sch.utzroh.res 18 sind in der Seitenwand 2k des Schutzrohres 18 sechs Öffnungen 25 angebracht, welche sich nahe am meßgassextigen Ende des Metallgehäuses 1k befinden und dabei einen Abstand von diesem Ende des Metallgehäuses 1k von weniger als 5 mm, bevorzugt von 1,5 bis 3 mm haben; im vorliegendem Beispiel beträgt dieser Abstand 2 mm. Der freie Querschnitt dieser Öffnungen in der Seitenwand 2k des Schutzrohres 18 ist bevorzugterweise so bemessen, daß seine Höhe 0,5 mm und seine Breite 2 mm beträgt; je nach Anwendungfall können diese Öffnungen 25 in ihrem freien Querschnitt variieren, und zwar zwischen 0,3 mm Höhe mal 1 mm Breite und 1 mm Höhe und 3 mm Breite. Die Anzahl dieser Öffnungen 25 kann je nach Anwendungsfall - zwischen 3 und 9, bevorzugt aber zwischen k und 6 Stück liegen; bevoi'zugterweise sind diese Öffnungen 25 in der Seitenwand 2k des Schutzrohres 18 in einer einzigen, quer zur Längsachse des Schutzrohres 18 verlaufenden Ebene angeordnet.

Gemeinsam mit der Ausbauchung 22, welche mittig die Öffnung 23 für den Gaseintritt enthält, ist für die vorteilhafte Wirkung dieses Schutzrohres 18 die Anordnung und Gestaltung der Umleitmittel 26 von Wichtigkeit, welche die aus den Öffnungen 25 austretenden Meßgase im spitzen Winkel zur Längsachse des Schutzrohres 18 zurückleiten. Diese Umleitmittel 26 sind bevorzugt in die Seitenwand 2k des Schutzrohres 18 eingeschert und gebogen. Diese lappenartigen Umleitmittel 26 ragen dabei mit ihren freien Enden in den Innenraum des Schutzrohres 18 hinein und weisen dabei im wesentlichen zum meßgasfernen Endabschnitt des Meßfühlers 10. Während die im Boden 21 des Schutzrohres 18 befindliche Ausbauchung 22 dafür sorgt, daß im Meßgas befindliche Fest-

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$ Stoffteilchen erst gar nicht in den Innenraum des Schutz-

s rohres 18 gelangen, bewirken diese beschriebenen Umleit-

^ mittel 26 an den Öffnungen 25, welche dem Gasaustritt

I' dienen, neben der Unterstützung der Vorteile der Aus-

I bauchung 22 insbesondere die bereits geschilderten Vor-

|f teile hinsichtlich von Vermeidung von Fehlregelungen und

' der Vereinfachung der elektronischen Auswerteschaltung;

die kleinen Querschnitte der Öffnungen 23 und 25 und die damit erzielte geringere Meßgasmenge, welche durch das Schutzrohr 18 strömt, sorgen bei solchen Meßfühlern 1G, die im Innenraum 25 ihres Festelektrolytrohres 11 ein j Widerstandsheizelement 16 enthalten, außerdem für eine verringerte Heizleistung.

Claims (1)

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   Ansprüche

   1. Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen, mit einem Sauerstoffionen leitenden, meßgasseits mit einem Boden versehe&jn Festelektrolytrohr, welches 1.) teilveise von einem rohrartigen Metallgehäuse abdichtend umfaßt ist, 2.) auf seiner Außenseite mit einer katalysierend wirkenden, porösen und schichtförmigen Elektrode versehen ist, die bevorzugt elekt-risch mit Masse in Verbindung steht und nur den Meßgasen ausgesetzt ist, und 3.) auf seiner Innenseite im Bereich des Bodens mit einer vorzugsweise porösen und schichtförmigen Gegenelektrode versehen ist, die mit einem elektrischen Anschlußteil in Verbindung steht und einem Referenzgas ausgesetzt ist, wobei h.) der den Meßgasen ausgesetzte Abschnitt des Festelektrolytrohres mit einem becherartigen Schutzrohr versehen ist, welches mit seinem offenen Endabschnitt am Metallgehäuse festgelegt ist, mit seinen anderen Bereichen den meßgasseits aus dem Metallgehäuse herausragenden Abschnitt des Festelektrolytrohres mit Abstand umgibt, für die Meßgase eine Öffnung in seinem meßgasseitigen Boden

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   und mehrere Öffnungen mit Umleitmitteln in seiner Seitenwand "besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der meßgasseitige Boden (21) des Schutzrohres (18) als konvexe Kuppe ausgebildet ist, in seinem am weitesten vorragenden Bereich eine warzenartige, konvexe Ausbauchung (22) "besitzt und in dieser Ausbauchung (22) eine für den Eintritt der Meßgase vorgesehene Öffnung (23) aufweist, und daß außerdem in der Seitenwand (21»·) des Schutzrohres (18) mehrere für den Austritt der Meßgase vorgesehene Öffnungen (25) angebracht sind, welche sich nahe am meßgas zeitigen Ende des MetallgehLuses (1M befinden, wobei jedoch deren Umleitmittel (26) derart ausgerichtet sind, daß die in Längsrichtung das Schutzrohr (16) durchströmenden Gase in spitzem Winkel zur Längsachse des Schutzrohres (18) nach außen zurückgeleitet werden.

   2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (18) aus Metall besteht und eine Gesamtlänge von 12 bis 30 mm, bevorzugt von 18 bis 25 mm hat.

   3. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Eintritt der Meßgase vorgesehene Öffnung (23) im Boden (21) des Schutzrohres (18) einen Durchmesser von 1 bis h mm, bevorzugt von 2 bis 3 mm hat.

   h. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die warzenartige, konvexe Ausbauchung (22) des Schutzrohres (18) eine Höhe von 0,3 bis 2 mm, bevorzugt von 0,h bis 1,5 mm hat.

   5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbauchung (&2) im kuppenartigen Boden (21) des Schutzrohres (18) kegelstumpfformig ausgebildet i st.

   6, Meßfühler¹ nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der küppenärtige Boden (21) des Schutzrohres (18) eine Höhe von 2,5 bis 6 mm, bevorzugt von 3 bis 5 mm hat.

   T* Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Seitenwand (2^) des Schutzrohres (18) befindlichen, dem Austritt der Meßgase dienenden Öffnungen (25) vom meßgasfernen Ende des Metallgehäuses (1U) einen Abstand von weniger als 5 mm, bevorzugt von 1,5 bis 3 mm hat.

   8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Seitenband (2U) des Schutzrohres (18) befindlichen, dem Austritt der Meßgase dienenden Öffnungen (25) einen freien Querschnitt zwischen 0,3 mm (Höhe) mal 1 mm (Breite) und 1 mm (Höhe) und 3 mm (Breite), bevorzugt von 0,5 mm (Höhe) mal 2 mm (Breite) haben.

   9· Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umleitmittel (26) der für den Austritt der Meßgase vorgesehenen Öffnungen (25) als in die Seitenwand {2k) des Schutzrohres (18) eingescherte und gebogene Lappen ausgebildet sind, deren freie Enden in das Schutzrohr (18) hineinragen und zum meßgasfernen Endabschnitt des Meßfühlers (10) weisen.

   10. Meßfünler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (l8.) in seiner Seitenwand {2k) zwischen 3 und 9, bevorzugt zwischen k und 6 für den Austritt der Meßgase vorgesehene Öffnungen (25) hat, die bevorzugt in einer einzigen, quer zur Längsachse des Schutzrohres (18) verlaufenden Ebene angeordnet sind.

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   11. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 "bis 10, dadurch gekennzeichnet j daß der offene Endabschnitt des Schutzrohres (18) mit einem nach außen weisenden B.efestigüngsflansch ( 19) versehen istj welcher "bevorzugt ein wellscheibenartiges Profil hat.-