DE9017413U1 - Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen - Google Patents
Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in GasenInfo
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Description
R. 24065
19.12.1990 Zr/Kc
19.12.1990 Zr/Kc
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 10
Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen.
Ein solcher Meßfühler, der beispielsweise aus der DE-OS 28 37 680 bekannt ist, hat ein Sensorelement, dessen scheibenförmiger,
beiderseits mit je einer Elektrodenschicht versehener Festelektrolytkörper referenzgasseits eine im Durchmesser kleine,
zylindrische Vertiefung zur Aufnahme eines in Längsrichtung des Meßfühlers federnden Kontaktstift aufweist.
Weiterhin ist es bekannt, bei Meßfühlern zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes
in Gasen ein Sensorelement mit einem scheibenförmigen Festelektrolyten zu verwenden, der auch beiderseits jeweils eine
Elektrodenschicht trägt und referenzgasseits eine im Durchmesser relativ große, zylindrische Vertiefung zur Aufnahme der Gegenelektrode
besitzt (DE-OS 27 11 880).
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Meßfühler
mit einem Sensorelement zu entwickeln, dessen Festelektrolyt einfacher, billiger und - auch auf automatischen Einrichtungen ausschußärmer
gefertigt werden kann; dieses Sensorelement soll bei Inbetriebnahme des Meßfühlers außerdem seine erforderliche Betriebs-
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temperatur von über 350 0C möglichst schnell erreichen. Aus
letzterem Grunde kann in einer Reihe von Anwendungsfällen bei optimaler Anpassung des Sensorelementes auf eine Beheizung des
Sensorelementes verzichtet werden, was zu weiteren Kostenersparnissen führt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt durch den meßgasseitigen
Abschnitt eines erfindungsgemäßen Meßfühlers, Figur 2 den noch weiter vergrößert dargestellten Längsschnitt durch das
Sensorelement des Meßfühlers nach Figur 1, Figur 3 die Draufsicht auf die meßgasseitige Großfläche des Sensorelementes nach Figur 2
(Schutzschicht nur teilweise dargestellt) und Figur 4 die Draufsicht auf die referenzgasseitige Großfläche des Sensorelementes nach Figur
2.
Der in der Zeichnung in der Figur 1 im Längsschnitt und vergrößert
dargestellte meßgasseitige Endabschnitt eines Meßfühlers 10 für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen ist insbesondere für die
Verwendung in Abgasen von Brennkraftmaschinen vorgesehen. Dieser Meßfühler 10 hat ein im wesentlichen rohrförmiges Metallgehäuse 11,
welches auf seiner Außenseite mit einem Einschraubgewinde 12, einem Schlüsselsechskant 13 und einer kreisringförmigen Dichtfläche 14 als
Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes, das Meßgas führende Meßgasrohr versehen ist. Der meßgasseitige Endabschnitt
dieses Metallgehäuses 11 findet als Bördelrand 15 Verwendung. Die Längsbohrung des Metallgehäuses 11 ist mit 16 bezeichnet.
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Auf dem nach innen weisenden, einen ringförmigen Absatz bildenden Bördelrand 15 des Metallgehäuses 16 liegt der Flansch 17 eines
Schutzrohres 18 auf, welches meßgasseits die Längsbohrung 16 des Metallgehäuses 11 topfförmig abdeckt und mit Gasdurchtrittsöffnungen
19 ausgestattet ist. Diese Gasdurchtrittsöffnungen 19 können in der
Umfangswand 20 und/oder auch im Boden 21 des Schutzrohres 18 angeordnet
sein. Die Form und die Befestigung des Schutzrohres 18 am Metallgehäuse 11 hängen von dem Anwendungsfall ab und sind nicht
Gegenstand vorliegender Erfindung.
Dem Flansch 17 des Schutzrohres 18 schließt sich in der Längsbohrung
16 des Metallgehäuses 11 ein metallischer Dichtring 22 an, auf dem dann das eigentliche Sensorelement 23 mit dem äußeren Randbereich
24' des Randbereiches 24 der meßgasseitigen Großfläche 25 aufliegt (siehe Figuren 2 und 3).
Dieses Sensorelement 23 besitzt einen scheibenförmigen Festelektrolytkörper
26, welcher in bekannter Weise aus einem sauerstoffionenleitendem Material wie stabilisiertes, kubisch zentriertes Zirkondioxid
besteht und quer zur Längsbohrung 16 des Metallgehäuses 11 ausgerichtet ist. Dieses Sensorelement 23 reicht mit seiner Umfangsfläche
27 ringsum bis an die Wand der Metallgehäuse-Längsbohrung 16 und ist für Meßgase abgedichtet in diese Metallgehäuse-Längsbohrung
16 eingebaut. Die anschlußseitsweisende Großfläche des Sensorelementes 23 ist mit 28 bezeichnet (s. Figur 4).
Sowohl die meßgasseitige Großfläche 25 als auch die anschlußseitige
Großfläche 28 sind jeweils mit einer zentralen, tellerförmigen Vertiefung 29 bzw. 30 ausgestattet, infolge denen das Volumen des
Festelektrolytkorpers 26 insgesamt verringert wird und zwar insbesondere in ihren dem Meßvorgang dienenden Bodenbereichen 31
bzw. 32. Während der meßgasseitige, die Vertiefung 29 umgebende Randbereich mit 24 bzw. 24' bezeichnet ist, trägt der anschluß-
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seitige, die Vertiefung 30 umgebende Randbereich des Festelektrolytkorpers
26 das Bezugszeichen 33 bzw. 33*. Sämtliche Übergänge 34 in der Vertiefung 29 und die Übergänge 35 in der Vertiefung 30 des
Festelektrolytkörpers 26 sind abgerundet und demzufolge einfach herstellbar. Der äußere Randbereich 24' des Randbereiches 24 auf der
meßgasseitigen Großfläche 25 ist als ringförmige Fase ausgebildet,
wodurch eine weitere Volumenreduzierung des Festelektrolytkörpers stattfindet und sich eine entsprechend geschickte Formung des
Metallgehäuse-Bördelrandes 15, des Schutzrohr-Flansches 17 und des
Dichtringes 22 ergibt.
Die meßgasseitige Großfläche 25 ist im Bodenbereich 31 ihrer Vertiefung
29 mit einer Meßelektrodenschicht 36 versehen, die in bekannter Weise aus porösem Platin o. ä. bestehen kann und über
streifenartige Leiterbahnen, die ebenfalls aus Platin o. ä. bestehen können, bis auf den äußeren Randbereich 24' des Festelektrolytkörpers
26 ragen; gegebenenfalls kann die Meßelektrodenschicht aber auch über den Bodenbereich 31 hinausgehen, sogar bis auf den
äußeren Randbereich 24', was jedoch einen erhöhten Bedarf an teurem Elektrodenmaterial nach sich zieht. Im äußeren Randbereich 24' der
meßgasseitigen Großfläche 25 sind vorhandene Leiterbahnen 37 mit einer Elektroisolierschicht 38 von dem Festelektrolytkörper 26
getrennt, was ein erwünschtes Vermeiden elektrischer Nebenschlüsse bei Betrieb des Meßfühlers 10 zur Folge hat; die Elektroisolierschicht
38 kann beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen. Die Meßelektrodenschicht 36 und mit dieser Meßelektrodenschicht 36 verbundene
Leiterbahnen 37 sind ausschließlich ihrer auf dem äußeren Randbereich 24' befindlichen Bereiche mittels einer porösen Schutzschicht
39 bedeckt, die beispielsweise in bekannter Weise aus Magnesiumspinell bestehen kann. Diese unbedeckten Abschnitte der
Leiterbahnen 37 liegen innerhalb der Mittelgehäuse-Längsbohrung auf dem Dichtring 22 auf und stellen die elektrische Verbindung
zwischen der Meßelektrodenschicht 36 mit dem elektrisch an Masse liegendem Metallgehäuse 11 dar.
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Der Bodenbereich 32 der Vertiefung 30 in der anschlußseitigen Großfläche
28 ist mit der Referenzelektrodenschicht 40 versehen, die ebenfalls aus porösem Platin o. ä. bestehen kann und auch mittels
Leiterbahnen 41 bis auf den Randbereich 33 der Großfläche 28 des Festelektrolytkorpes 26 verbunden ist; die freien, auf dem Randbereich
33 der Großfläche 28 endenden Abschnitte der Leiterbahnen lassen jedoch den äußeren Randbereich 33" der Großfläche 28 unbedeckt.
Sowohl die Meßelektrodenschicht 36 als auch die Referenzelektrodenschicht
40 können in bekannter Weise metallisch sein, sie können aber auch ein keramisches Stützgerüst - wie ebenfalls bekannt aufweisen.
Das in der Metallgehäuse-Längsbohrung 16 befindliche Sensorelement
23 steht anschlußseits mit einem Anschlußmittel 42 elektrisch in Verbindung, das im vorliegenden Beispiel als Kontakthülse ausgebildet
ist mit seiner Stirnfläche 43 dabei auf den genannten Abschnitten von Leiterbahnen 41 aufsteht und anschlußseits mit nicht
dargestellten, bekannten Anschlußmitteln versehen ist. Dieses hülsenförmige Anschlußmittel 42 ist von dem elektrisch masseführenden
Metallgehäuse 11 mittels eines Isolierrohres 44 aus Keramik getrennt; das beispielsweise als Kontakthülse ausgebildete Anschlußmittel
42 ist dabei in der Zentralbohrung 45 des Isolierrohres 44 geführt. Die meßgasseitige Stirnfläche 46 des Isolierrohres 44 steht
auf dem äußeren Randbereich 33' der Großfläche 28 des Festelektrolytkörpers 26 fest auf. Der Innenraum 47 des hülsenartigen Anschlußmittels
42 dient der Zuführung eines Referenzgases zur Referenzelektrodenschicht 40.
Das hülenartige, zumeist metallische Anschlußmittel 42 und das Isolierrohr 44, welches beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen
kann, werden bevorzugterweise mittels nicht dargestellter Federelemente (Tellerfedern) gegen das Sensorelement 23 gedrückt.
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Ergänzend sei erwähnt, daß ebenso wie bei der Meßelektrodenschicht
36 anstelle von Leiterbahnen 37 auch bei der Referenzelektrodenschicht 40 anstelle der Leiterbahnen 41 eine im Durchmesser vergrößerte
Referenzelektrodenschicht 40 Verwendung finden kann. Sofern auf der meßgasseitigen Großfläche 25 als auch auf der anschlußseitigen
Großfläche 28 Leiterbahnen 37 bzw. 41 vorgesehen werden, so sollten aus funktioneilen Gründen die meßgasseitigen Leiterbahnen 37
gegenüber den anschlußseitigen Leiterbahnen 41 versetzt sein.
Das Sensorelement 23 kann auf mindestens einer seiner Großflächen 25
bzw. 28 in den nicht mit einer Elektrodenschicht 36 bzw. bedeckten Bereichen zusätzlich auch mit (nicht dargestellten) Heizschichten
versehen sein.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 23 ermöglicht eine erhebliche
Reduzierung von Stoff- und Lohnkosten zu seiner Herstellung und hat nur eine geringe aufzuheizende Masse, wodurch die erforderliche
Betriebstemperatur des Meßfühlers 10 schnell erreichbar ist.
Claims (5)
1. Meßfühler (10) für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in
Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen, mit einem rohrartigen Metallgehäuse (11), das an seiner Außenseite mit
Befestigungsmitteln (12, 13, 14) für den Einbau in eine Meßgasleitung
versehen ist und eine Längsbohrung (16) aufweist, in deren meßgasseitigen Abschnitt ein quer zur Längsbohrung (16) angeordnetes
Sensorelement (23) dichtend eingebaut ist, welches einen Festelektrolytkörper (26) hat, der meßgasseits mit einer porösen Meßelektrodenschicht
(36) und darauf mit einer porösen, die Meßelektrodenschicht (36) schützenden Schutzschicht (39) aus Keramik versehen
ist und der referenzgasseits eine elektrisch von der Meßelektrodenschicht (36) isolierte Referenzelektrodenschicht (40) trägt sowie
eine Vertiefung (30) hat, wobei die Meßelektrodenschicht (36) über das Metallgehäuse (11) und die Referenzelektrodenschicht (40) über
gegenüber dem Metallgehäuse (11) elektrisch isolierte Anschlußmittel (42) mit dem anschlußseitigen Abschnitt des Meßfühlers (10) elektrisch
in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytkörper (26) des Sensorelementes (23) sowohl auf seiner
referenzgasseitigen Großfläche (28) als auch auf seiner meßgasseitigen Großfläche (25) jeweils eine zentrale, tellerförmige
Vertiefung (30, 29) hat, in denen jeweils die entsprechende
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Elektrodenschicht (40, 36) und meßgasseits zusätzlich die poröse
Schutzschicht (39) angeordnet ist.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge
(34, 35) in den Vertiefungen (29, 30) des Festelektrolytkörpers (26) abgerundet sind.
3. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrodenschichten (36, 40) auf die Bodenbereiche (31, 32) der Vertiefungen (29, 30) des Festelektrolytkörpers (26)
beschränkt sind und streifenartige Leiterbahnen (37, 41) haben, die zu den der elektrischen Kontaktierung dienenden Randbereichen (24',
33) der Großflächen (25, 28) führen.
4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der zur meßgasseitigen Großfläche (25) gehörende Randbereich (24*) in Richtung auf die Umfangsfläche (27) des Festelektrolytkörpers
(26) als ringförmige Fase ausgebildet ist.
5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß direkt auf den zur meßgasseitigen Großseite (25) gehörenden, äußeren Randbereich (24') des Festelektrolytkörpers (26) eine
Elektroisolierschicht (38) aufgebracht ist, auf der dann die freien Enden der zur Meßelektrodenschicht (36) gehörenden Leiterbahnen (37)
enden.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| DE2837568A1 (de) * | 1978-08-29 | 1980-04-10 | Erwin Koneberg | Schlagstueck fuer minigolfschlaeger und verfahren zu seiner herstellung |
| US4356065A (en) * | 1977-03-18 | 1982-10-26 | Robert Bosch Gmbh | Polarographic oxygen concentration sensor and method of determining oxygen content in the exhaust gases of an internal combustion engine |
-
1990
- 1990-12-22 DE DE9017413U patent/DE9017413U1/de not_active Expired - Lifetime
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