WO1996021148A1

WO1996021148A1 - Elektrochemischer messfühler

Info

Publication number: WO1996021148A1
Application number: PCT/DE1995/001809
Authority: WO
Inventors: Helmut Weyl
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 1995-01-04
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1996-07-11
Also published as: JPH09510299A; DE19500147A1; EP0748442A1; US5755941A

Abstract

Es wird ein elektrochemischer Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, mit einem potentialfrei angeordneten Sensorelement (13) mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper (17) in Form eines einseitig geschlossenen Rohres. Das Sensorelement (13) ist mittels einer Dichtungsanordnung (31) in ein metallisches Gehäuse (11) eingesetzt. Die Dichtungsanordnung (31) weist eine metallische Hülse (34) auf, mit der das Sensorelement (13) mittels eines keramischen Dichtrings (33) und einer Glaseinschmelzung (35) verbunden ist, so daß das Sensorelement (17), der keramische Dichtring (33) und die metallische Hülse (34) eine Baueinheit bilden. Die Glaseinschmelzung (35) ist zwischen Sensorelement (13) und keramischem Dichtring (33) sowie zwischen keramischem Dichtring (33) und metallischer Hülse (38) ausgebildet. Die metallische Hülse (34) ist mit dem Gehäuse (11) gasdicht verschweißt.

Description

Elektrochemischer Meßfühler

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Elektrochemische

Meßfühler sind beispielsweise mit einem Sensorelement in der sogenannten Fingerbauform ausgeführt. Das Sensorelement ist. ein Festelektrolytkörper, der als geschlossenes Rohr ausgebildet und in einem metallischen Gehäuse gasdicht festgelegt ist. Bei den Fingersonden unterscheidet man zwischen den potentialfreien und den potentialgebundenen Meßfühlern. Bei den potentialgebundenen Meßfühlern wird die Leiterbahn der äußeren Elektrode mittels eines elektrisch leitenden Dichtrings mit dem Gehäuse kontaktiert. Bei den potentialfreien Meßfühlern wird jeder Elektrodenanschluß separat abgegriffen, so daß keine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuse erlaubt ist. Eine Dichtung zwischen dem Festelektrolytkörper und dem Gehäuse muß in beiden Fällen realisiert sein.

Besondere Schwierigkeiten bereitet bei potentialfreien Meßfühlern der gasdichte und benzinfeste Einbau des Sensorelements im metallischen Gehäuse. Dazu wird entweder ein metallischer Dichtring oder ein elektrisch isolierender, keramischer Dichtring verwendet. Keramische Dichtringe sind nicht absolut gasdicht und benzinfest. Bei der Verwendung von metallischen Dichtringen muß die an der äußeren Oberfläche des Festelektrolytkörpers verlaufende Leiterbahn im Bereich des Dichtrings mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht abgedeckt sein. Nachteilig ist jedoch, daß vom metallischen Dichtring ausgehende Druckspitzen auftreten, die die Deckschicht beschädigen und dadurch deren Isolationswirkung beeinträchtigen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sowohl ein gasdichter und benzinfester als auch ein elektrisch isolierender Einbau des Festelektrolytkörpers im metallischen Gehäuse möglich ist. Durch den Einsatz der Dichtungsanordnung wird die Isolationswirkung der Deckschicht nicht beeinträchtigt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Meßfühlers möglich. Ein besonders gasdichter und benzinfester Einbau wird durch eine metallische Hülse erreicht, die mit dem Festelektrolytkörper zu einer Baueinheit verbunden wird, wobei die metallische Hülse mit dem metallischen Gehäuse verschweißt wird. Durch einen zusätzlich verwendeten druckverteilenden Dichtring werden Druckspitzen auf die Dichtungsanordnung reduziert. Außerdem wird durch den zusätzlichen Dichtring die Beständigkeit gegen Heißkorrosion verbessert. Zur Vermeidung von Rissen im keramischen Dichtring und/oder in der Glaseinschmelzung, ist es außerdem zweckmäßig, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der in Verbindung stehenden Materialien möglichst nahe beieinander liegen. Es konnte jedoch festgestellt werden, daß ein geringfügig höherer thermischer Ausdehnungskoeffizient der metallischen Hülse nicht schädlich ist, da die entstehenden Druckspannungen vom keramischen Dichtring kompensiert werden können.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Querschnitt durch einen abgasseitigen Teil eines erfindungsgemäßen Meßfühlers und Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt einer Dichtzone in Figur 1.

Ausführungsbeispiel

Der in einem Ausschnitt dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 gemäß Figur 1 hat ein metallisches Gehäuse 11 mit einem Gewinde 12 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Abgasrohr und ein Sensorelement 13. Das Gehäuse 11 hat eine Längsbohrung 15 mit einem gehäuseseitgen Dichtsitz 16. Am gehäuseseitigen Dichtsitz 16 bildet sich zwischen Sensorelement 13 und Gehäuse 11 eine

Dichtzone 30 aus, die in Figur 2 vergrößert dargestellt ist. Das Sensorelement 13 ist mittels einer Dichtungsanordnung 31 mit dem Gehäuse 11 dicht verbunden. Das anschlußseitige Ende des Gehäuses 11 ist von einer Umkapselung 20 umgeben, in der die anschlußseitigen Bauelemente untergebracht sind.

Das Sensorelement 13 ist ein rohrförmiger

Festelektrolytkörper 17, dessen meßgasseitiger Endabschnitt 22 verschlossen ist. Am anschlußseitigen Endabschnitt 23 ist am Festelektrolytkörper 17 ein wulstfδrmigen Kopf 18 mit einer ringförmigen Stirnfläche 25 angeformt. Am wulstförmigen Kopf 18 ist ein schulterförmiger Dichtsitz 19 ausgebildet, mit dem das Sensorelement 13 an der Dichtungsanordnung 31 anliegt. Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite ist am Festelektrolytkörper 17 eine nicht näher dargestellte Meßelektrode und auf der dem Innenraum zugewandten Seite eine dem Referenzgas, zum Beispiel Luft, ausgesetzte, ebenfalls nicht näher dargestellte Referenzelektrode angeordnet. Meßelektrode und Referenzelektrode sind jeweils mit ebenfalls nicht näher dargestellten Leiterbahnen zu auf der Stirnfläche 25 angeordneten Elektrodenkontakten 24 geführt.

Auf den Elektrodenkontakten 24 liegen jeweils Kontaktteile 26 auf, die jeweils mit einem Anschlußkabel 27 kontaktiert sind. Die Anschlußkabel 27 werden durch ein nicht dargestelltes Dichtungsteil aus der meßgasfernen Umkapselung 20 herausgeführt und an ein Meß- oder Steuergerät angeschlossen. In der Längsbohrung 15 des Gehäuses 11 ist ferner eine Isolierhülse 28 angeordnet, welche bevorzugt aus einem keramischen Material besteht. Mit Hilfe eines nicht dargestellten mechanischen Mittels wird die Isolierhülse 28 auf die Kontaktteile 26 gedrückt, wodurch die elektrische Verbindung zu den Elektrodenkontakten 24 realisiert wird.

Das meßgasseitig aus der Längsbohrung 15 herausragende Sensorelement 13 ist mit Abstand von einem Schutzrohr 40 umgeben, welches für den Ein- beziehungsweise Austritt des Meßgases Öffnungen 41 besitzt und am meßgasseitigen Ende des Gehäuses 11 gehalten ist. Der Innenraum des Sensorelements 13 ist beispielsweise durch ein stabförmiges Heizelement 45 ausgefüllt, welches, nicht dargestellt, mit Leitungsanschlüssen versehen ist. Die Dichtungsanordnung 31 umfaßt einen keramischen Dichtring 33, eine metallische Hülse 34 und eine Glaseinschmelzung 35. Die metallische Hülse 34 ist der Kontur der Längsbohrung 15 weitgehend nachgebildet. Am anschlußseitigen Ende ist die Hülse 34 zu einem ringförmigen Kragen 36 umgebördelt. Der Kragen 36 übergreift einen am Gehäuses 11 angeformten Rand 14. Am meßgasseitigen Ende ist die metallische Hülse 34 mit einer ringförmigen Auflage 37 ausgeführt.

Als Material für den keramischen Dichtring 33 eignet sich beispielsweise Forsterit. Für die metallische Hülse 34 kommen vorzugsweise ferritische oder martensitische Stähle zum Einsatz. Als druckverteilender Dichtring 38 wird beispielsweise ein gepreßter Ring aus Steatit-Pulver verwendet. Steatit weist eine gute Beständigkeit gegen

Heißkorrosion auf, dadurch wird meßgasseitig die metallische Hülse 34 vor Korrosion geschützt.

Zunächst wird das fertiggesinterte Sensorelement 13 mit dem keramischen Dichtring 33, der metallischen Hülse 34 und der Glaseinschmelzung 35 zu einer Baueinheit verbunden. Dies geschieht dadurch, daß der keramische Dichtring 33 in die metallische Hülse 34 eingelegt wird, wobei der Dichtring 33 auf der Auflage 37 aufliegt. In den keramischen Dichtring 33 wird das Sensorelement 13 eingesteckt, so daß es mit dem

Dichtsitz 19 auf dem Dichtring 33 aufliegt. Nun wird in die Spalten zwischen Sensorelement 13 und Dichtring 33 sowie zwischen Dichtring 33 und metallischer Hülse 34 ein Glaspulver, beispielsweise Bariumsilikatglaspulver eingebracht. Diese Anordnung wird einer thermischen

Behandlung unterzogen, wobei die Temperatur der thermischen Behandlung über der Schmelztemperatur des Bariumsilikatglases liegt. Dadurch bildet sich zwischen Sensorelement 13 und Dichtring 33 sowie zwischen Dichtring 33 und metallischer Hülse 34 die gasdichte Glaseinschmelzung 35 aus. Sensorelement 13, keramischer Dichtring 33, metallische Hülse 34 und Glaseinschmelzung 35 bilden danach eine Baueinheit.

Zur Herstellung der Dichtung wird auf dem Dichtsitz 16 zunächst ein druckverteilender Dichtring 38 positioniert. Auf den Dichtring 38 wird nun die Baueinheit bestehend aus dem Sensorelement 13 und der Dichtungsanornung 31 aufgesetzt. Dazu wird der Kragen 36 der metallischen Hülse 34 auf den Rand 14 des Gehäuses 11 gesteckt. Anschließen wird die Umkapselung 20 über den Kragen 36 geschoben, wobei zusätzlich die Isolierhülse 28 auf das Sensorelement 13 und damit auf die Baueinheit drückt. Dadurch wird Druck auf den druckverteilenden Dichtring 38 ausgeübt. In dieser Position, bei der auf die Baueinheit aus Sensorelement 13, keramischer Dichtring 33, metallische Hülse 34 und Glaseinschmelzung 35 ein Druck wirkt, wird die Umkapselung 20 gemeinsam mit dem Kragen 36 mit dem Gehäuse 11, beispielsweise durch Laserschweißen gasdicht verschweißt.

Eine weitere Ausführungsform der Dichtungsanordnung 31 besteht darin, daß der keramische Dichtring 33 zumindest an seiner inneren und äußeren Mantelfläche mit einer Glasschicht versehen ist. Durch eine thermische Behandlung geht die Glasschicht in eine schmelzflüssige Phase über, die die Glaseinschmelzung 35 zwischen dem Sensorelement 13 und der metallischen Hülse 34 ausbildet.

Claims

Ansprüche

1. Elektrochemischer Meßfühler, insbesondere zur Bestimmung des Saüerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem Sensorelement in Form eines einseitig geschlossenen Rohres, welches in einem metallischen Gehäuse mit einer Dichtung eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (31) eine Glaseinschmelzung (35) aufweist, mit der das Sensorelement (13) mit dem Gehäuse (11) gasdicht verbunden ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Hülse (34) vorgesehen ist, in der das Sensorelement (13) mittels der Glaseinschmelzung (35) befestigt ist, so daß Sensorelement (13) und metallische Hülse (34) eine Baueinheit bilden.

3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Hülse (34) einen ringförmigen Kragen (36) aufweist, der über einen am Gehäuse (11) angeformten ringförmigen Rand (14) greift, und daß die metallische Hülse (34) mit dem Kragen (36) mit dem Gehäuse (11) gasdicht verschweißt ist.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über den ringförmigen Kragen (36) eine anschlußseitige Umkapselung (20) gelegt ist und daß die Umkapselung (20) zusammen mit der metallischen Hülse (34) mit dem Gehäuse (11) verschweißt ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramischer Dichtring (33) vorgesehen ist, der zwischen Sensorelement (13) und metallischer Hülse (34) angeordnet ist, und daß die Glaseinschmelzung (35) zwischen Sensorelement (13) und keramischem Dichtring (33) sowie zwischen keramischem Dichtring (33) und metallischer Hülse (34) eingebracht ist.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Dichtring (33) aus Forsterit besteht.

7. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaseinschmelzung (35) durch Einbringen von Glaspulver in die Spalten zwischen Sensorelement (13) und keramischem Dichtring (33) sowie zwischen keramischem Dichtring (33) und metallischer Hülse (34) herstellbar ist, wobei das Glaspulver durch eine thermische Behandlung in den schmelzflüssigen Zustand überführbar ist.

8. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Dichtring (33) zumindest an seiner inneren und äußeren Mantelfläche mit einer Glasschicht versehen ist, wobei die Glasschicht durch eine thermische Behandlung über die schmelzflüssige Phase eine Verbindung mit dem Sensorelement (13) einerseits und der metallischen Hülse (34) andererseits eingeht.

9. Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) einen Dichtsitz (16) aufweist, auf dem ein druckverteilender Dichtring (38) aufliegt, auf dem der keramische Dichtring (33) aufsitzt.

10. Meßfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der druckverteilende Dichtring (38) ein aus Steatit-Pulver gepreßter Ring ist.

11. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaseinschmelzung (35) ein Bariumsilikatglas ist.