DE9409684U1

DE9409684U1 - Elektrochemischer Meßfühler

Info

Publication number: DE9409684U1
Application number: DE9409684U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1995-10-12
Anticipated expiration: 2004-06-17
Also published as: JP3675825B2; CN1052068C; JPH09501776A; KR960703463A; DE59510521D1; KR100366136B1; CN1127038A; US5698084A; WO1995034809A1; EP0714509B1; EP0714509A1

Description

R. 26968
08.06.94 Bx/Sm

ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart

Elektrochemischer Meßfühler
15

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, bei der ein Festelektrolytkörper als geschlossenes Rohr in einem ■metallischen Gehäuse dicht festgelegt ist. Bei den Fingersonden unterscheidet man zwischen den potentialfreien und den potentialgebundenen Meßfühlern. Bei den potentialgebundenen Meßfühlern sind die Leiterbahnen der äußere Elektrode mittels eines elektrisch leitenden Dichtrings mit dem Gehäuse kontaktiert. Bei den potentialfreien Meßfühlern wird jeder Elektrodenanschluß 0 direkt einem Steuergerät zugeführt, so daß keine elektrische Kontaktierung mit dem Gehäuse erlaubt ist. Eine Dichtung zwischen Festelektrolytkörper und Gehäuse muß in beiden Fällen realisiert sein.

Insbesondere die potentialfreien Meßfühler, bei denen für jeden Elektrodenanschluß ein Kontakt auf der Ringfläche des Festelektrolytkörpers angebracht ist, erfordern eine

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lagerichtige Montage der Kontaktteile. Es besteht nämlich die Gefahr, daß bei der Montage des Meßfühlers der Festelektrolytkorper nach dem Einsetzen sich verdreht und damit die Kontakte der Elektroden eine andere Lage erhalten, wodurch keine sichere Kontaktierung möglich ist.

Zur Dichtung des Festelektrolytkörpers im Gehäuse wird beispielsweise ein metallischer Dichtring eingesetzt, wobei bei einem potentialfreien Meßfühler die Leiterbahn zur äußeren Elektrode im Bereich des metallischen Dichtrings mit einer elektrischen Isolierung abgedeckt sein muß.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß das Sensorelement während der Montage im Gehäuse verdrehsicher fixiert ist. Dadurch ist eine sichere Kontaktierung der Elektrodenanschlüsse, insbesondere bei der Montage von potentialfreien Meßfühlern möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Meßfühlers möglich. Eine einfache verdrehsichere Fixierung des Sensorelements im Gehäuse läßt sich durch einen speziell ausgebildeten Dichtring realisieren, der das Sensorelement im Gehäuse unter mechanischer Vorspannung hält. Die Ausbildung des Dichtrings mit Federelementen hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen.

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Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch den abgasseitigen Teil eines Meßfühlers, Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Dichtzone X gemäß Figur 1, Figur 3 eine Draufsicht auf einen Dichtring und Figur 4 eine Schnittdarstellung entsprechend den Linien IV-IV in Figur 10

Ausführungsbeispiel

Der in Figur 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 hat ein metallisches Gehäuse 11, das an seiner Außenseite ' ein Gewinde 12 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 11 hat eine Längsbohrung 13 mit einem Dichtsitz 14, welcher einen metallischen Dichtring 3 0 trägt. Auf dem Dichtring 30 liegt ein Sensorelement 15 mit einer an einem wulstförmigen Kopf 16 ausgebildeten Schulter 17 auf. Am wulstförmigen Kopf 16 bildet sich zwischen dem Dichtring 30 und dem Sensorelement 15 eine sensorelementseitige Dichtfläche 18 aus. Die Längsbohrung 13 ist im Bereich des wulstförmigen Kopfes 16 derart ausgeführt, daß sich ein Spalt 36 zwischen dem wulstförmigen Kopf 16 des Sensorelements 15 und dem Gehäuse 11 ausbildet. Der Dichtsitz 14 bildet seinerseits eine gehäuseseitige Dichtfläche 19. Die sich am Dichtring 30 ausbildende Dichtzone X ist in Figur 2 vergrößert dargestellt.

Das Sensorelement 15 ist im vorliegenden Beispiel ein rohrförmiger Festelektrolytkörper 20, dessen meßgasseitiger Endabschnitt verschlossen ist. Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite ist auf dem Festelektrolytkörper 20

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eine schichtförmige gasdurchlässige Meßelektrode 21 und auf der dem Innenraum zugewandten Seite eine einem Referenzgas, zum Beispiel Luft, ausgesetzte schichtförmige und gasdurchlässige Referenzelektrode 22 angeordnet. Die Meßelektrode 21 wird mit einer Meßelektroden-Leiterbahn 23 zu einem ersten Elektrodenkontakt 25 und die Referenzelektrode 22 mit einer Referenzelektroden-Leiterbahn 24 zu einem zweiten Elektrodenkontakt 26 geführt. Die Elektrodenkontakte 25, 26 befinden sich jeweils auf einer vom offenen Ende des Festelektrolytkörpers 20 gebildeten Stirnfläche 27. Über die Meßelektrode 21 und teilweise über die Meßelektroden-Leiterbahn 23 ist eine poröse Schutzschicht 28 gelegt. Die Elektroden 21, 22 und die Leiterbahnen 23, 24 sind vorteilhafterweise als Cermet-Schichten ausgeführt und mit dem Festelektrolytkörper 20 kogesintert.

Das meßgasseitig aus der Längsbohrung 13 des Gehäuses 11 herausragende Sensorelement 15 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 festgelegt ist. Der Innenraum des Sensorelements 15 ist beispielsweise durch ein stabförmiges Heizelement 50 ausgefüllt, welches nicht dargestellt meßgasfern arretiert und mit Leitungsanschlüssen versehen ist.

Auf dem ersten Elektrodenkontakt 25 liegt ein erstes Kontaktteil 45 und auf dem zweiten Elektrodenkontakt 26 ein zweites Kontaktteil 46 auf. Die Kontaktteile 45, 46 sind so geformt, daß sie beispielsweise am rohrförmigen Heizelement 50 anliegen und mit einem Meßelektroden-Anschluß 47 und einem Referenzelektroden-Anschluß 48 kontaktiert sind. Die Anschlüsse 47 und 48 sind mit nicht dargestellten

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Anschlußkabeln verbunden und nach außen zu einem ebenfalls nicht dargestellten Meß- oder Steuergerät geführt.

In der Längsbohrung 13 des Gehäuses 11 ist ferner eine Isolierhülse 52 angeordnet, welche bevorzugt aus einem keramischen Material besteht. Mit Hilfe eines nicht dargestellten mechanischen Mittels wird die Isolierhülse auf die Kontaktteile 45, 46 gedrückt, wodurch die elektrische Verbindung zu den Elektrodenkontakten 25, hergestellt wird.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Meßfühler handelt es sich um einen potentialfreien Meßfühler. Da der metallische Dichtring elektrisch leitend ist, ist die Meßelektroden-Leiterbahn 23 zumindest im Bereich der Dichtzone X mit einer elektrisch isolierenden Schicht 29 bedeckt (Figur 2). Anstelle einer isolierenden Schicht 29 kann auch ein aus mehreren Schichten bestehendes elektrisch isolierendes Schichtsystem vorgesehen werden. Im vorliegenden 0 Ausführungsbeispiel ist die isolierende Schicht 29 um den Umfang des Festelektrolytkörpers 20 gezogen, der dem Gehäuse 11 benachbart ist. Es ist aber genauso denkbar, die isolierende Schicht 2 9 nur auf den Bereich der Kontaktstellen des Dichtrings 3 0 zu beschränken oder aber die isolierende Schicht 2 9 meßgasseitig bis hin zur Schutzschicht 28 auszudehnen. Die isolierende Schicht 29 ist beispielsweise eine plasmagespritzte Magnesium-Spinell-Schicht.

0 Zur verdrehsicheren Fixierung ist das Sensorelement 15 mittels des Dichtrings 3 0 im Gehäuse 11 unter mechanischer Vorspannung gehalten. Dazu hat der Dichtring 3 0 gemäß Figur 3 und 4 ein Ringelement 31, an dessen Umfang in axialer Richtung federnde Stege 32 mit einer lichten Weite W

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ausgebildet sind, die in den Spalt 36 zwischen dem wulstförmigen Kopf 16 und dem Gehäuse 11 hineinragen (Figur 2). Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs radial gleichmäßig angeordnete federnde Stege 32 vorgesehen. Die federnden Stege 32 besitzen jeweils ein unteres Teil 33 und ein nach außen abgewinkeltes Teil Die lichte Weite W der unteren Teile 33 ist so gewählt, daß die unteren Teile 33 am wulstförmigen Kopf 16 mit einer Vorspannung aufsitzen. Andererseits ist der Spalt 36 so bemessen beziehungsweise die oberen Teile 34 so weit nach außen abgewinkelt, daß die federnden Stege 32 sich an der Innenwand der Längsbohrung 13 abstützen. Dadurch ist gewährleistet, daß das Sensorelement 15 mittels des . Dichtrings 3 0 in der Längsbohrung 13 des Gehäuses 11 mechanisch vorgespannt gehalten wird (Figur 2). Die ausgeübte Vorspannkraft hält das Sensorelement 15 im Gehäuse 11, so daß es bis zu einer bestimmten Verdrehkraft verdrehsicher im Gehäuse 11 fixiert wird. Diese verdrehsichere Fixierung dient dazu, um das Sensorelement während der Montage in der vorgesehenen radialen Orientierung zu halten.

Der Dichtring 3 0 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Cr-Ni-Stahl mit einer beidseitig aufgebrachten duktilen Schicht aus Ni oder Cu ausgeführt. Es ist aber genauso denkbar, andere Materialien einzusetzen, die die Herstellung entsprechend federnd ausgebildeter Stege 32 erlauben und außerdem eine hinreichende Dichtheit gewährleisten. Der • Dichtring 3 0 ist jedoch nicht auf den Einsatz bei potentialfreien Meßfühlern beschränkt.

Claims

R. 26968 08.06.94 Bx/Sm ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart Ansprüche 10

1. Elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem in ein Gehäuse mit einem Dichtring eingesetzten Sensorelement, welches einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper in Form eines einseitig geschlossenen Rohres aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die das Sensorelement (15) im Gehäuse (11) unter mechanischer Vorspannung verdrehsicher halten.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel von mindestens einem am Dichtring (3 0) angeformten Federelement (32) gebildet sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (30) ein Ringelement (31) besitzt, an dem radial gleichmäßig verteilt die Federelemente (32) angeformt sind.

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4. Meßfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (32) jeweils mit einem unteren Teil (33) und einem nach außen abgewinkelten oberen Teil (34) ausgeführt sind und eine lichte Weite (W) derart aufweisen, daß die unteren Teile (33) mechanisch vorgespannt am

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Sensorelement (15) anliegen und die oberen Teilen (34) sich mechanisch vorgespannt am Gehäuse (11) abstützen.

5. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (30) aus einem Cr-Ni-Stahl mit einer aufgebrachten duktilen Beschichtung aus Ni oder Cu besteht.