DE3035608C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfüh­ ler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein derartiger Meßfühler ist bereits bekannt aus der DE-OS 29 42 494; dieser Meßfühler besitzt ein Heizelement, das mit gerin­ gem Abstand um ein rohrförmiges Sensorelement angeord­ net ist, welches auf seiner Außenseite eine mit einer gasdurchlässigen Schicht bedeckte Elektrode hat. Das Heizelement dieses nach dem potentiometrischen oder polarografischen Meßprinzip arbeitenden Meßfühlers, der auch ohne separaten Bezugsstoff zu arbeiten vermag, bedarf jedoch eines zusätzlichen Trägers.

Weiterhin ist bekannt, bei Abgassensoren von Brenn­ kraftmaschinen auf der Außenseite ein drahtförmiges Heizelement anzuordnen, welches gegenüber der Meßelek­ trode durch eine mit Löchern versehene Isolierhülse getrennt ist (US-PS 40 33 170); auch dieser Meßfühler be­ darf eines separaten Trägers für das Heizelement.

Als zusätzlicher Stand der Technik sind die folgenden Veröffentlichungen zu nennen, deren Offenbarungen aber dem Anmeldegegenstand nicht näher stehen als die vorgenannten Veröffentlichungen:

• DE-OS 25 47 683 (= US-PS 41 57 282)
  DE-OS 27 11 880
  DE-PS 19 54 663 (= US-PS 36 91 023)
  US-PS 33 47 767
  US-PS 36 07 701
  JP-OS/PS 15 66 692/77

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem­ gegenüber den Vorteil, daß er keinen separaten Träger für das Heizelement benötigt, einfach montierbar ist und die Beibehaltung des Aufbaus, der Gestaltung, der Fertigungsvorrichtungen und/oder Maschinen herkömmlicher Gassensoren gemäß der DE-OS 29 42 494 erlaubt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich; beson­ ders vorteilhaft ist die Anwendung der Heizelementanord­ nung bei Gassensoren, die nach dem polarografischen Meßprinzip arbeiten und bei denen die Außenelektrode mittels einer elektrisch isolierenden Diffusionsschicht für Sauerstoffmoleküle bedeckt ist, weil die relativ dicke, vorzugsweise an verschiedenen Bereichen unterschied­ lich dicke Diffusionsschicht eine zusätzlich aufzuheizende Wärmekapazität besitzt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das wesentlich vergrößert dargestellte Sensorelement des elektrochemischen Meßfühlers und

Fig. 2 einen Quer­ schnitt durch das Sensorelement gemäß Fig. 1 nach der Linie II-II.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Sensorelement 10 ist beispielsweise einbaubar in einen Meßfühler, wie er in der DE-OS 29 42 494 dargestellt und beschrieben ist; bei dem in der genannten DE-OS beschriebenen Meß­ fühler entfällt nur das darin enthaltene Heizelement mit seinen Anschlüssen.

Das Sensorelement 10 hat ein sauerstoffionenleitendes Festelektrolytrohr 11, das aus stabilisiertem Zirkon­ dyoxid besteht, an der Außenseite seines meßgasfernen Endabschnitts einen angeformten Flansch 12, eine mit 13 bezeichnete Längsbohrung mit einer anschlußseitigen Erweiterung 14 und einen vom meßgasseitigen Ende des Festelektrolytrohres 11 ausgehenden, bis in die Fest­ elektrolytrohr-Längsbohrung 13 durchgehenden und in Richtung Anschlußseite des Sensorelementes 10 füh­ renden Längsschlitz 15, der jedoch noch im vom Meß­ gas umströmten Bereich des Sensorelementes 10 endet. Die Längsbohrung 13 und die Außenseite 16 des Fest­ elektrolyts 11 laufen verjüngend zum meßgasnahen Ende des Festelektrolytrohres 11 zu. Die die Festelektrolytrohr- Außenseite 16 mit dem Festelektrolytrohr-Flansch 12 ver­ bindende Schulter 17 dient zur Auflage im nicht darge­ stellten Gehäuse des Meßfühlers; außerdem ist der in der Längsbohrungs-Erweiterung 14 befindliche Absatz mit 18 und die anschlußseitige Stirnfläche des Festelektrolyt­ rohres 11 mit 19 bezeichnet.

Ein solches Festelektrolytrohr 11 ist in der Praxis etwa 30 mm lang und hat im Bereich der Erweiterung 14 einen Durchmesser von 12 mm; die 4 am 8 mm hohen Fest­ elektrolytrohr-Flansch 12 beginnende und bis zum meß­ gasseitigen Ende reichende Längsbohrung 13 hat einen maximalen Durchmesser von 4 mm und einen Durchmesser von 2 mm am meßgasnahen Ende.

In der Längsbohrung 13 des Festelektrolytrohres 11 be­ findet sich eine erste Elektrode 20, die als dünne Schicht ringförmig angeordnet ist, aus porösem Platin besteht und mittels einer Leiterbahn 20/1 mit der Festelektrolyt-Stirnfläche 19 als Kontaktbereich ver­ bunden ist. Diese erste Elektrode 20 dient zumeist als Bezugselektrode und ist dem Meßgas durch die Festelektro­ lytrohr-Längsbohrung 13 zugänglich.

Auf der Außenseite 16 des Festelektrolytrohres 11 ist koaxial zur ersten Elektrode 20 eine zweite Elektrode 21 schichtförmig aufgebracht; diese zweite Elektrode 21 besteht aus einer gasdurchlässigen Platinschicht, ist zumeist etwas breiter als die erste Elektrode 20, ist mit einer Leiterbahn 21/1 über der als Kontakt­ fläche mit dem nicht dargestellten Meßfühler-Gehäuse dienenden Festelektrolytrohr-Schulter 17 verbunden und dient zumeist als Meßelektrode.

Der dem Meßgas ausgesetzte Bereich der Festelektrolytrohr- Außenseite 16 einschließlich der zweiten Elektrode 21 und der zugehörigen Leiterbahn 21/1 ist mit einer Isolierung 22 bedeckt, die aus einem gasdurchlässigen, elektrisch isolierenden Material wie z. B. Magnesium- Spindel besteht und je nach Meßprinzip des Sensor­ elementes 10 unterschiedlich ausgebildet sein kann:

Während die gasdurchlässige Isolierung 22 bei einem nach dem potentiometrischen Meßprinzip arbeitenden Sensorelement 10 nur als Schutzschicht gegenüber dem Meßgas dienen soll und eine Dicke im µm-Bereich hat, ist die hier im Beispiel für ein nach dem pola­ rografischen Meßprinzip arbeitenden Sensorelement 10 vorzugsweise durch Plasmaspritzen aufgebrachte Isolierung 22 im Meßbereich etwa 0,5 mm dick; in diesem Falle findet die Isolierung 22 als Diffusions­ barriere für Sauerstoffmoleküle Anwendung. Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Isolierung 22 so ge­ staltet, daß sie sich vom meßgasseitigen Ende des Fest­ elektrolytrohres 11 in Richtung auf die Festelektro­ lytrohr-Schulter 17 sich erstreckt und dabei in ihrer Dicke abnimmt; insgesamt verjüngt sich jedoch das mit der Isolierung 22 überzogene Festelektrolyt­ rohr 11 zum meßgasnahen Ende des Festelektrolyt­ rohres 11 hin.

Damit die zweite Elektrode 21 im Bereich des Fest­ elektrolytrohr-Längsschlitzes 15 nicht direkt dem Meßgas ausgesetzt ist, ist der diesbezügliche Bereich mittels einer gasdichten Deckschicht 23 überzogen; diese Deckschicht 23 besteht aus Glas oder Glaskeramik; auf eine solche Deckschicht 23 kann verzichtet werden, sofern die zweite Elektrode 21 nicht bis zum Festelektro­ lytrohr-Längsschlitz 15 reicht.

Da elektrochemische Meßfühler, die nach dem polarogra­ fischen Meßprinzip arbeiten, temperaturabhängig sind, ist es zweckmäßig und bekannt, sie mit einem Heizelement 24 zu versehen; ein solches Heizelement 24 ist besonders dann wichtig, wenn es in Brennkraftmaschinen von Kraft­ fahrzeugen oder ähnlichem eingesetzt ist: Mittels eines Heizelementes 24 ist nicht nur eine Erhöhung der Meß­ genauigkeit zu erzielen, weil der Meßfühler auf der not­ wendigen Betriebstemperatur von 600 bis 700°C gehalten werden kann, sondern es kann auch einen solchen Sensor bereits vor dem Kaltstart von Brennkraftmaschinen be­ triebsbereit machen, es kann die Lebensdauer derar­ tiger Sensorelemente 10 in bleihaltigen Abgasen von Brennkraftmaschinen verbessern und es erlaubt außer­ dem das Anbringen derartiger Meßfühler an solchen Stellen des Brennkraftmaschinen-Abgasrohres, an denen sich die Abgase bereits abgekühlt haben. Das erfin­ dungsgemäße Heizelement 24 besteht aus einem wendel­ förmig, direkt auf der Isolierung 22 angeordneten Draht aus einer bekannten Heizleiterlegierung wie sie z. B. unter dem Warenzeichen "Kanthal" bekannt ist. Die zumeist im Querschnitt größeren Endabschnitte 24/1 und 24/2 des Heizelementes 24 führen dabei durch die Längsbohrung 13 bzw. die Erweiterung 14 des Festelek­ trolytrohres 11; während ein Endabschnitt 24/1 in etwa zentral durch die Festelektrolytrohr-Längsbohrung 13 führt und etwa im Bereich des meßgasnahen End­ abschnitts vom Festelektrolytrohr 11 mit dem eigent­ lichen, direkt auf der Isolierung 22 liegenden Heiz­ element 24 verbunden ist, führt der andere Endabschnitt 24/2 durch den anschlußseitigen Endabschnitt des Fest­ elektrolytrohr-Längsschlitzes 15, dann durch einen Teil der Festelektrolytrohr-Längsbohrung 13 und an­ schließend durch die Festelektrolytrohr-Erweiterung 14. Diese erfindungsgemäße Gestaltung des Heizelementes 24 mit seinen Endabschnitten 24/1 und 24/2 ermöglicht ein Montieren des Heizelementes 24 auf dem Sensorelement 10 durch einfaches Einführen der Endabschnitte 24/1 und 24/2 in die Längsbohrung 13, wobei das Heizelement 24 im Bereich der Übergangsstelle zum Endabschnitt 24/2 im Festelektrolyt-Längsschlitz 15 entlang geführt werden muß. Die beiden Heizelement-Endabschnitte 24/1 und 24/2 sind im anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 mittels eines keramischen Führungsteils 25 fixiert und gegeneinander elektrisch isoliert; dieses Führungsteil 25 liegt mit einer Schulter 26 auf dem Bohrungsabsatz 18 des Festelektrolyt­ rohres 11 auf, ragt jedoch auch noch ein kleines Stück in die Festelektrolyt-Längsbohrung 13 hinein. Die Heizelement-Endabschnitte 24/1 und 24/2 können (nicht dargestellt) mit ihren anschlußseitigen Enden direkt bis in den Anschlußbereich des nicht vollständig dargestellten Meßfühlers reichen, sie können aber auch (nicht dargestellt) als Kontaktflächen auf der Festelektrolyt-Stirn­ fläche 19 enden, müssen dann jedoch gegenüber der Elektroden-Leiterbahnen 20/1 isoliert werden und erst von dort aus mit nicht dargestellten Anschlußelementen in Kontakt gebracht werden. Das Führungsteil 25 kann nach dem beschriebenen Aufschieben des Heizelementes 24 auf das Festelektrolytrohr 11 von der anschlußsei­ tigen Seite her auf die Heizelement-Endabschnitte 24/1 und 24/2 aufgeschoben werden.

Während der Zutritt von Umgebungslunft in den Meßbereich des Sensorelementes 10 auf der Außenseite des Sensor­ elementes 10 mittels einer geeigneten Abdichtung (nicht dargestellt, Beispiel in der bereits zitierten DE-OS 29 42 494) verhindert wird, wird auf die meßgas­ seitige Stirnseite 27 des Führungsteils 25 eine Dichtung 28 aufgebracht, die elektrisch isolierend ist und bei­ spielsweise aus Glas oder Glaskeramik besteht; diese Dichtung 28 kann derart hergestellt werden, daß durch den Festelektrolyt-Längsschlitz 15 bei mit dem meß­ gasnahen Ende nach oben stehendem Festelektrolytrohr 11 Glaspulver eingeführt wird, welches anschließend beispiels­ weise in einem Durchlaufofen geschmolzen wird. Anstelle der Verwendung von derartig schmelzendem Glaspulver kann aber auch ein auf der Führungsteil-Stirnseite 27 ange­ ordnetes Glasformteil Verwendung finden, das dann an­ schließend ebenfalls geschmolzen wird.

Anstelle des einen Festelektrolytrohr-Längsschlitzes 15 können auch zwei, vorzugsweise gegenüberliegende derartige Längsschlitze Verwendung finden, sofern der Heizelement-Endabschnitt 24/1 an einer anderen Stelle aus der Festelektrolytrohr-Längsbohrung 13 heraustreten soll.

Die unterschiedliche Dicke der als Diffusionsbarriere für Sauerstoffmoleküle wirkenden Isolierung 22 bietet zusätzlich den Vorteil, daß sie unempfindlicher gegen­ über Schichtdickenfehler beim Aufbringen dieser Schicht 22 ist, was auf eine günstigere Stromdichte-Verteilung zurückzuführen ist.

Claims (3)

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschinen, dessen Sensorelement ein sauer­ stoffionenleitendes Festelektrolytrohr hat, welches auf seiner Innenseite eine schichtförmige, gasdurch­ lässige und dem Meßgas ausgesetzte erste Elektrode (zumeist Bezugselektrode) besitzt, auf seiner Außen­ seite eine schichtförmige, mit einer gasdurchlässigen, elektrischen Isolierung versehene ebenfalls dem Meßgas ausgesetzte zweite Elektrode (zumeist Meßelektrode) aufweist und nahe der gasdurchlässigen, elektrischen Isolierung ein Heizelement trägt, welches als Draht wendelförmig einen Teil des Festelektrolytrohres um­ gibt, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Heizelement (24) auf der Isolierung (22) auf­ liegt und daß
• b) der in das Meßgas ragende Abschnitt des Festelektrolyt­ rohres (11) mindestens einen vom meßgasnahen Ende des Festelektrolytrohres (11) ausgehenden und bis in die Festelektrolytrohr-Längsbohrung (13) gehenden Längs­ schlitz (15) besitzt, durch welchen mindestens ein Endabschnitt (24/2) des Heizelementes (24) in die Festelektrolytrohr-Längsbohrung (13) und dann elek­ trisch isoliert mit dem zweiten Heizelement-Endab­ schnitt (24/1) zum anschlußseitigen Bereich des Fest­ elektrolytrohres (11) führt, und daß
• c) die Festelektrolytrohr-Längsbohrung (13) eine Dichtung (28) enthält, die den Zutritt von Luft in den Meß­ bereich des Sensorelementes (10) verhindert.

2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige, elektrische Isolierung (22) auf der zweiten Elektrode (21) als Diffusionsbarriere für Sauerstoffmoleküle ausgebildet ist.

3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der gasdurchlässigen, elektrischen Isolierung (22) vom meßgasnahen Ende des Festelektrolytrohres (11) zum anschlußseitigen Endab­ schnitt hin abnimmt.