NL7907135A - Elektrochemische meetsonde voor het bepalen van het zuurstofgehalte in gassen. - Google Patents

Description

A

-» -ï.

* % VO 8059

Elektrochemische meetsonde voor het bepalen van het zuurstofgehalte in gassen.

Elektrochemische meetsonden met ionengeleidende vaste-elektrolyt bezitten pas boven U00°G een voor de functie daarvan praktisch voldoende ionengeleiding en worden,-wat hun functie betreft, pas boven 500°C niet meer door in uitlaatgassen aanwezig 5 lood beïnvloed; het uitgangssignaal van dergelijke meetsonden is bovendien mede afhankelijk van de temperatuur van het vaste-elektrolyt. Om de aanspreektijd van dergelijke meetsonden in koude gassen te verkorten, om een praktisch goed te gebruiken uitgangssignaal te verkrijgen, om de levensduur daarvan in lood-10 houdende afvoergassen van verbrandingsmachines te verbeteren en om hun meetnauwkeurigheid te vergrot en, ver dient het de voorkeur dergelijke meetsonden te voorzien van geregelde verwarmingselementen. Het aanbrengen van verwarmingselementen bij dergelijke meetsonden verdient ook de voorkeur wanneer dergelijke meetsonden om-15 constructieve redenen in zodanige punten van de uitlaatgaspijp van een, verbrandingsmachine moeten worden aangebracht, waarin de uitlaatgassen reeds aanmerkelijk zijn afgekoeld.

De uitvinding gaat uit van een meetsonde, zoals deze is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 3.5^6.086. Deze 20 meetsonde bezit een aan een zijde van een bodem voorziene vaste-elektrolytbuis in het inwendige waarvan zich een weerstandsver-warmingselement en een temperatuursonde bevinden. Een bezwaar van deze meetsonde is de dure, weinig voor seriefabricage geschikte en niet schokvaste uitvoering daarvan.

25 Uit het Amerikaanse octrooischrift 3.5^-6.086 is een elektrochemische meetsonde voor het bepalen van het zuurstofgehalte in gassen , meer in het bijzonder in afvoergassen van verbrandingsmotoren, bekend, welke is voorzien van een ionengeleidende, aan éên zijde door een bodem afgesloten elektrolytbuis, waar-30 van de buitenzijde is voorzien van een elektronengeleidende katalysatorlaag, eventueel verder ook nog lagen zoals bijvoorbeeld 7907135 **«89 * it -2- beschermings- of diffusielagen, -waarbij de katalysator laag elek-trisch met een eerste aansluitdeel (bijvoorbeeld voor massa) is verbonden en naar het te meten gas is gekeerd, en waarvan de binnenzijde met de omgevingslucht in verbinding staat en een ge-5 leiderbaan bezit, die in het gebied van de bodem van de vaste-elektrolytbuis begint en naar het aan de zijde van de aansluiting gelegen gebied van de vaste-elektrolytbuis leidt, van waaruit de baan met het tweede elektrische aansluitdeel in verbinding staat, waarbij in de inwendige ruimte een verwarmingspen aanwezig is, 10 die in wezen uit een elektrisch-isolerende steun met een schroefvormig elektrisch weerstandsverwarmingselement bestaat, en eventueel een temperatuursonde.bevat.

Een bezwaar van deze meetsonde is de. dure, weinig voor serievervaardiging geschikte en niet schokvaste uitvoering daar-T5 van.

Er wordt op gewezen, dat de bóven genoemde beschermingslaag reeds is besproken in het Duitse octrooischrift 1.809·622, terwijl een diffusielaag is beschreven in de Duitse octrooi-schriften 1.85^.663 en 2.711-.880.

20 De uitvinding beoogt het boven genoemde bezwaar van de bekende meetsonde te elimineren.

Daartoe is de meetsonde volgens de uitvinding'daarin gekenmerkt, dat een contactdeel, dat met de zich uit het inwendige van de vaste-elektrolytbuis uitstrekkende geleiderbaan in elek-25 trische verbinding staat, de ene aanslag voor een eerste mechanisch voorgespannèn drukveer vormt, die met het andere uiteinde daarvan tegen het tweede aansluitdeel steunt, dat zich buisvormig door de centrale boring van een direct of indirect aan het huis van de meetsonde bevestigd isolatielichaam uitstrekt, en dat 30 - omvat door de eerste drukveer - een eerste isolatieringschijf tegen het contactdeel en een tweede isolatieringschijf tegen het tweede aansluitdeel rust, waarbij tussen de beide isolatiering-sc-hijven een tweede mechanisch voorgespannen drukveer aanwezig is, die tussen een van de uiteinden daarvan en de betreffende isolatie- 7907135 ·*, -3- Ί ringschijf de fixeer flens van de verwarmingspen inklemt, en waarbij door de centrale boring van het tweede aansluitdeel geïsoleerd de in de elektrische aansluitingen eindigende metalen huis voor het verwarmingselement en eventueel de elektrische aansluitingen voor 5 de temperatuursonde zijn gevoerd.

Een dergelijke meetsonde bezit het voordeel, dat de van een verwarmingselement voorziene meetsonde in zijn totaal een robuuste, schokvaste en relatief goedkope opbouw bezit en bijzonder goed geschikt is voor een seriefabricage; de constructie van de 10 meetsonde is zodanig, dat deze zowel met verwarmingselement en temperatuursonde als ook zonder deze elementen kan worden bedreven.

Een verder voordeel is daarin gelegen, dat de afzonderlijke onderdelen van het verwarmingselement en de temperatuursonde in wezen uit in de handel verkrijgbare halfprodukten zijn opgebouwd.

15 De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening, waarin men een langsdoorsnede van een op vergrote schaal weergegeven meetsonde vindt, waarvan het inwendige een verwarmingselement en een temperatuursonde bevat.

De in de figuur weergegeven elektrochemische meetsonde 20 10 omvat een ionengeleidende vaste-elektrolytbuis 11, die uit - ’ gestabiliseerd zirkoondioxyde bestaat, aan het in niet weergegeven uitlaatgaspijp stekende uiteinde een aangevormde bodem 12 bezit en aan de buitenzijde van een flens 13 is voorzien. Deze elektrolyt- . buis 11 is aan het buitenoppervlak voorzien van een elektronen-25 geleidende, poreuze katalysator laag 'ih (platina), die het door uitlaatgassen omstroomde gebied en ook de flens 13 van de buis 11 bedekt; een op de katalysatorlaag aangebrachte beschermingslaag tegen mechanische en thermische beïnvloeding door de uitlaatgassen, zoals deze bijvoorbeeld in het Duitse Offenlegungsschrift 1.809.622 30 is beschreven en een diffusielaag, zoals deze is beschreven in de Duitse Offenlegungsschriften 1.95^-663 en 2.711.880, is ter wille van de duidelijkheid in de figuur niet weergegeven.

De elektrolytbuis 11 ondersteunt aan de naar het inwendige 15 gekeerde vlakken daarvan eenelektronengeleidende baan 16, -f 7907135 f ff Λ- die tot in het gebied van de bodem 12 als contactvlak steekt en ook uit platina kan bestaan; deze· baan 16 strekt zich aan de aansluit zijde tot het kopvlak 17 van de elektrolytbuis 11 uit.

De buis 11 -wordt over een deel van de lengte daarvan 5 omgeven door een huis 18, dat een elektrische-geleiding bezit en uit thermisch-bestendig staal kan-bestaan; op een schouder 19 in de langsboring 20 van dit huis 18, dat tegelijkertijd als massa-aansluiting voor het sondesignaal van deze meetsonde 10 dient, rust de elektrolytbuis 11 met de flens 13 daarvan, welke tege-10 lijkertijd nog een beschermingsbuis 21 inklémt, die het aan de uitlaatgassen blootgestelde deel van de elektrolytbuis 11 op een » afstand omgeeft en van in- respectievelijk uitlaatopeningen 22 voor de uitlaatgassen is voorzien. Het huis 18 bezit aan de buitenzijde daarvan een zeskantige configuratie 23 en een schroefdraad 15 2h voor het afdichtend en stevig monteren in een niet-weergegeven uitlaatgaspijp van een verbrandingsmachine en vormt in het aan de aansluitzijde gelegen gebied daarvan met de elektrolytbuis 11 een ringvormige spleet 25.-Deze spleet 25 is in het onderste, tot de -aan de aansluitzijde gelegen sectie van de flens 13 van de elektro-20 lytbuis reikende gebied daarvan met een elektrischgeleidende afdichtingsmassa 26, zoals bijvoorbeeld grafietpoeder, gevuld, welke massa zowel met de katalysatorlaag 1U op de elektrolytbuis 11 als ook met het huis 18 van de meetsonde elektrisch contact maakt. Deze afdichtingsmassa 26 is door een’ isolatieschijf 27 en 25 een een metalen tussenring 28 afgedekt. Op de tussenring 28 volgen in de ringvormige spleet 25 de rand 29 van een beschermingsbuis 30, een geleid'ingsbus 31 en een ring 32 op de omgekraalde rand 33 waarvan de aan de aansluitzijde gelegen eindsectie van het huis 18 van de meetsonde drukt. De besehermingshuls 30 bestaat uit een 30 metalen buissectie, die zich over de aan de aansluitzijde gelegen eindsectie van de elektrolytbuis 11 uitstrekt en luchttoevoerope-ningen 3^+ bezit. De op een afstand van de uitlaatgassen gelegen eindsectie van deze besehermingshuls 30 omvat en fixeert een isolatielichaan 35 met een langsboring 36, die coaxiaal ten opzichte 7907135 -5- *» van het inwendige 15 van de elek.trolytbuis 11 verloopt.

Op het kopvlak 17 van de elektrolythuis, waarop ook aan de aansluitzijde de geleiderbaan 16 eindigt, rust de flens 37 van een in de lengterichting van 'een spleet voorzien contaetdeel 38, 5 dat zich in het inwendige 15 van de elektrolythuis uitstrekt en van een centrale boring 39 is voorzien. Aan die zijde van de flens 37 van het contaetdeel, welke van de elektrolythuis 11 is afge-keerd, bevindt zich een mechanisch voorgespannen eerste drukveer HO, die met het andere uiteinde daarvan tegen de flens H1 van een 10 buisvormig tweede aansluitdeel U2 steunt, dat door de langsboring 36 van het isolatielichaam is gevoerd en van een centrale boring H-3 is voorzien. Deze eerste druk ΠΠ is op een afstand van de be-schenaingshuls 30 opgesteld, dient als elektrische verbinding tussen het contaetdeel 38 en het tweede aansluitdeel k2 voor het 15 uitgangssignaal van de meetsonde en omvat in de niet-weergegeven inwendige ruimte daarvan de volgende onderdelen: een eerste, tegen het contaetdeel 38 rustende isolerende ringschijf Uk met een centrale boring Π-5, een tweede drukveer H6, die elektrisch niet in aanraking is met de eerste drukveer Ho, en een tweede isolerende 20 ringschijf U7, die tegen de flens Hl van het tweede aansluitdeel k2 rust en van een centrale boring- U8 is voorzien; ook de tweede drukveer H6 staat onder mechanische voorspanning en omvat in de niet-weergegeven inwendige ruimte daarvan een verwarmingspen U9, die ook door de centrale boring U3 van het tweede aansluitdeel k2, 25 door het contaetdeel 38 en het inwendige 15 van de elektrolythuis is gefixeerd en ook de tweede drukveer H6 zelf, wat zijn positie betreft, fixeert. De langspositie van de verwarmingspen H9 wordt bepaald door een fixeerflens 50, die bij deze, uitvoeringsvorm tussen de eerste isolerende ringschijf HU en het ene uiteinde van 30 de tweede drukveer Ηβ mede is ingeklemd doch daarbij niet in elektrisch contact staat met de eerste drukveer HO; deze fixeerflens 50 van de verwarmingspen kan ook tussen de tweede isolerende ringschijf kj en het andere uiteinde, van de tweede drukveer H6 zijn ingeklemd.

7907135 ** -6- .De verwarmingspen 1)9 bezit een elektrisch isolerende, stangvormige steun 51, welke bij voorkeur uit keramisch materiaal bestaat en zich coaxiaal in een aanliggende eerste metalen buis 52 uitstrekt; terwijl het ene uiteinde van deze steun 51 zich tot in 5 de buurt van de bodem 12 van de elektrolytbuis uitstrekt, steekt de andere eindsectie van de steun 51 aan de aansluitzijde uit het tweede aansluitdeel 1)2 van de meetsonde 10. Onder vrijlating van steeds een klein gebied bij de beide eindsecties van de eerste metalen buis 52 is op deze eerste metalen buis 52 een eerste iso-10 lerende mantel 53 aangebracht, welke bij voorkeur bestaat uit een glasvezelkous·. Deze eerste isolerende mantel 53 bedekt daarbij niet de’ in de elektrolytbuis 11 stekende eindsectie van de eerste metaalbuis 52 en laat ook bij de aan de aansluitzijde gelegen eindsectie een gebied als eerste aansluiting 5^ voor een verwar-15 mingselement 55 vrij. Het verwarmingselement 55 is in het inwendige 15 van de elektrolytbuis en wel in het door de beveiligingsbuis 21 omgeven gebied van de elektrolytbuis 11 schroefvormig om de eerste isolerende mantel 53 aangebracht en door lassen op de aan deze zijde gelegen eindsectie van de eerste metalen buis 52 bevestigd.

20 Het aan de aansluitzijde gelegen uiteinde van het verwarmingselement 55 is verbonden met een tweede metalen buis 56, die op de eerste isolerende mantel 53 is aangebracht en aan-de aansluitzijde uit het tweede aansluitdeel 1)2 uitsteekt; de uit het tweede aansluitdeel k2 uitstekende eindsectie van deze tweede metalen buis 25 56 vormt de tweede verwarmingsaansluiting 5T. Deze tweede metalen buis 56 bezit aan de buitenzijde daarvan de reeds genoemde fixeer-flens 50 van de verwarmingspen 1)-9. Op de tweede metalen buis 56 is ter weerszijden van de fixeerflens 50 steeds een verdere tweede isolerende mantel 58 respectievelijk 58' aangebracht, welke even-30 eens uit een glasvezelkous kan bestaan, tegen een deel van het inwendige 15 van de elektrolytbuis, in de centrale boring 39 van het contactdeel, in de centrale boring 1)-5 van de eerste isolerende ringschijf 1)-1)-, in de centrale boring 1)-8 van de tweede isolerende ringschijf 1)7 en in de centrale boring 1)3 van het tweede aansluit- 7907135 -Τ'- deel k2 rust en daarbij een zodanige wanddikte heeft, dat het verwarmingselement 55 niet met de zich in het inwendige 15 van de elektrolytbuis uitstrekkende geleiderhaan 16 in elektrisch contact raakt. Door het samenknijpen van de tweede metalen huis 56- in het 5 gehied van de tweede verwarmingsaansluiting 57 kunnen de afzonder lijke onderdelen van de verwarmingspen bS ten'opzichte van elkaar worden gefixeerd.

De steun 51 van. de verwarmingspen "bezit twee niet aangegeven llangshoringen, waarin steeds een aansluitdraad 59 respec-10 tievelijk 60 voor een temperatuursonde 61 (thermo-element) is ondergebracht, waarvan de in het inwendige 15 van de elektrolytbuis uit de langsboringen van de steun uitstekende eindsecties met de temperatuursonde 61 in verbinding staan, de temperatuursonde 61 en de beide aansluitdraden 59 en 60 daarvan staan daarbij noch met de 15 geleiderhaan 16 noch met het verwarmingselement 55 in elektrisch contact.

Meetsonden van dit · type kunnen niet slechts in de uit-laatgaspijp van een verbrandingsmachine of voor een soortgelijk doel worden toegepast doch ook in aanzuigbuizen van verbrandings-20 machines waarin zij dan in een brandstof-luchtmengsel steken.

(Duitse Offenlegungsschrift 2.7^.8½¼). 1 7907135

Claims (3)

1. Elektrochemische meetsonde voor het bepalen van het zuur stofgehalte in gassen, meer in het bijzonder uitlaatgassen van verbrandingsmotoren, voorzien van een ionengeleidende, aan êén zijde door een bodem afgesloten elektrolytbuis, -waarvan de buitenzijde 5 is voorzien van een elektronengeleidende katalysatorlaag, eventueel ook nog lagen zoals bijvoorbeeld beschermings- of diffusielagen, waarbij de katalysatorlaag elektrisch met een eerste aansluitdeel (bijvoorbeeld voor massa) in verbinding staat en naar het te meten gas is gekeerd, en waarvan de binnenzijde' in verbinding staat met 10 de omgevingslucht en een geleiderbaan bezit, die in het gebied van de bodem van de vaste-elektrolytbuis begint en naar het aan de aansluitzijde gelegen gebied van de -vaste-elektrolytbuis leidt, van"waaruit de geleiderbaan in verbinding staat met een tweede elektrische aansluitdeelwaarbij in het inwendige daarvan een 15 verwarmingspen is aangebracht, die in wezen uit een elektrisch isolerende steun met een schroefvormig elektrisch weerstandsver-warmingselement bestaat, en eventueel een temperatuursonde bevat, met het kenmerk, dat een contactdéel (38) dat in elektrische verbinding staat met de zich uit het inwendige (15) van de vaste-20 elektrolytbuis uitstrekkende geleiderbaan (16) de ene aanslag voor een eerste mechanisch'voorgespannen drukveer (Uö) vormt, die met het andere uiteinde daarvan tegen het tweede aansluitdeel (1+2) steunt, dat buisvormig door de centrale Yooring (1+3) van een direct of indirect aan het huis (18) van de meetsonde bevestigd isolatie-25 lichaam (35) verloopt, waarbij - omvat door de eerste drukveer (1+0) -een eerste isolerende ringschijf (5b) tegen het contactdeel (38) en een tweede isolerende ringschijf (l+7) tegen het tweede aansluitdeel (1+2) rust, waarbij tussen de beide isolerende ringschijven (i+h, h-T) een tweede mechanisch voorgespannen drukveer (1+6) aanwezig 30 is, die tussen êén van de uiteinden daarvan en de betreffende isolerende ringschijf (1+1+ of 1+7) de fixeerflens (50) van de verwarmingspen (1+9) inklemt, waarbij door de centrale boring (1+3) van het tweede aansluitdeel (1+2) geïsoleerd de in de elektrische aan- 1 7907135 -» -Λ -insluitingen (5**, 57) eindigende metalen buis (52, 56) voor het verwarmingselement (1*9) en eventueel de elektrische aansluitingen (59, 6θ) voor de temperatuursonde (6l) zijn geleid.

2. Elektrochemische meetsonde volgens conclusie 1 met het 5 kenmerk, dat de verwanningspen (1*9) op de elektrisch isolerende, stangvormige steun (51) daarvan een eerste metalen buis (1*2) ondersteunt, welke aan de in de vast e-elektrolytbuis (11) stekende eind-sectie daarvan met een uiteinde van het verwarmingselement (55) is verbonden, dat schroefvormig om een op de eerste metalen buis (52) 10 aangebrachte eerste isolatiemantel (53)'is gewikkeld en met het andere uiteinde daarvan aan een tweede metalen buis (56) is bevestigd, welke de eerste isolatiemantel (53) omgeeft en van een fixeer-flens (50) is-voorzien, waarbij de tweede metalen buis (56) nog door een tweede tweedelige isolatiemantel (58, 58’) is omgeven 15 waarvan de beide delen (58 , 58') door de fixeerflens (50) van elkaar zijn gescheiden.

3. Elektrochemische meetsonde volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de isolatiemantels (53; 58, 58') van de verwarmings-pen (U9) uit glasvezel materiaal bestaan. 20 1*. Elektrochemische meetsonde volgens êen der conclusies 1-3 met het kenmerk, dat de steun (51) van de verwarmingspen (1*9) is voorzien van twee langsboringen, waarin steeds een aansluitdraad (59, 60) van de zich in de buurt van de bodem (12) van de vaste-elektrolytbuis bevindende temperatuursonde (61) bij voorkeur een 25 thermo-element, verloopt. * 7907135