DE2938179C2

DE2938179C2 -

Info

Publication number: DE2938179C2
Application number: DE2938179A
Authority: DE
Inventors: Barbara 7000 Stuttgart De Beyer; Hermann Dipl.-Chem. Dr. 7016 Gerlingen De Dietz; Karl Hermann Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg De Friese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-09-21
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1987-12-23
Also published as: DE2938179A1; JPS5654345A; US4305803A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler nach der Gat tung des Hauptanspruchs; ein solcher Meßfühler, der be reits aus der DE-OS 27 11 880 bekannt ist und dessen im Innenraum des Sensors angeordnete Gegenelektrode einem Bezugsgas ausgesetzt werden muß, weist erhebliche Probleme bei der Abdichtung zwischen dem Halterohr einerseits und der Diffusionsbarriere bzw. dem Festelektrolyten anderer seits auf. Darüber hinaus treten bei einem solchen Sensor beträchtliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Wärmeaus dehnung der im Meßbereich befindlichen Komponenten (Halte rohr, Diffusionsbarriere, Festelektrolyt, Meßelektrode, Bezugselektrode) wegen der unterschiedlichen Wärmeausdeh nungskoeffizienten auf; auch die Kontaktierung zwischen der Meßelektrode, der Bezugselektrode und den zugeordne ten Leiterbahnen ist wegen der hohen Wärmebeanspruchung stets in der Funktionssicherheit gefährdet. Im Zusammen hang mit der vorliegenden Erfindung sei auch noch auf die DE-OS 27 29 475 hingewiesen, in der ein potentio metrischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoff gehaltes beschrieben ist; der in dieser deutschen Offen legungsschrift beschriebene Meßfühler hat einen an der Gegenelektrode anliegenden, federbelasteten Druck kontakt, welcher zusätzlich noch mit einem aufwendigen Heizelement versehen ist.

Bekannt ist auch bereits ein potentiometrischer Meßfühler (DE-OS 26 25 040), der am meßgasseitigen Ende seines elektrisch leitfähi gen, rohrförmigen Gehäuses einen nach innen ragenden Flansch auf weist. Von der Innenseite des Gehäuses her liegt gegen diesen Flansch eine auf ihren beiden Großflächen mit je einer Elektrode be schichtete Festelektrolytscheibe. Die Meßelektrode liegt dabei am Gehäuse-Flansch und die Gegenelektrode weist zum meßgasfernen Ende des Meßfühlers hin und wird mittels einer als Abstandshalter dienen den, elektrisch isolierenden Ringscheibe abgestützt; der Abstands halter wird von einem an der Innenseite des Gehäuses anliegenden Stützrohr gehalten. Die Gegenelektrode weist einen Drahtanschluß auf, der durch die Mittenbohrung des Abstandshalters geführt ist.

Vorgeschlagen wurde auch bereits ein potentiometrischer Meßfühler (DE-OS 29 12 331), bei dem der Festelektrolyt auch als Scheibe quer in der Längsbohrung eines metallischen, rohrförmigen Gehäuses abge dichtet eingelegt ist, auf seinen beiden Großflächen je eine Elek trode trägt und bei dem sich meßgasfern von der innenliegenden Ge genelektrode ein parallel zur Festelektrolytscheibe angeordnetes elektrisches Heizelement befindet. Dieses Heizelement ist als Heiz spirale aus einem Flachband hergestellt und mit dem elektrischen Ge genelektrodenanschluß zu einer im Meßfühler-Gehäuse festgelegten Voreinheit kombiniert. Die innerhalb des Meßfühler-Gehäuses unterge brachten Bauteile sind durch eine Bördelung festgelegt.

Bei beiden letztgenannten Meßfühlern bestehen Haltbarkeits- und Dichtheitsprobleme wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungs koeffizienten der beteiligten Bauteile.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die geschilderten Abdichtprobleme entfallen, daß außerdem keine Schwierigkeiten wegen des unterschied lichen Wärmeausdehnungsverhaltens der einzelnen Bauteile auftreten und daß außerdem auch die im warmen Bereich des Meßfühlers befindlichen elektrischen Verbindungen funktionssicher sind; zusätzlich trägt der Meßfühler im Meßbereich ein Heizelement, das mittels moderner Technologien für die Massenfertigung hergestellt und am eigentlichen Meßfühler montiert werden kann. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den meßgasnahen Endabschnitt des Meßfühlers in ver größerter Darstellung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Meßfühler in Fig. 1 nach der Linie A/B.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In den Fig. 1 und 2 ist der meßgasnahe Endabschnitt eines polarographischen Meßfühlers 10 dargestellt, bei dem bekanntlich die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen durch Auswertung des sogenannten Diffusionsgrenz stromes erfolgt; auf die Beschreibung der Zusammenhänge, nach denen sich dieser Diffusionsgrenzstrom ergibt, wurde verzichtet, weil sie bereits in der DE-OS 19 54 663 und der bereits genannten DE-OS 27 11 880 erläutert sind. Auch auf die Darstellung und Beschreibung des meßgasfernen Be reichs dieses Meßfühlers 10 wurde verzichtet, weil er prinzipiell aus verschiedenen Veröffentlichungen bereits bekannt ist (z. B. aus der DE-OS 27 29 475 oder der deut schen Gebrauchsmusterschrift 75 22 599).

Das im nicht dargestellten Gehäuse des Meßfühlers 10 be festigte Halterohr 11 besteht aus Keramik wie z. B. Alumi niumoxid und braucht nicht gasundurchlässig sein; das Halte rohr 11 hat einen äußeren Durchmesser von 8 mm, eine Wand dicke von 0,8 mm und besitzt am meßgasnahen Endabschnitt einen angeformten Boden 12 von 0,6 mm Dicke. In diesem Boden 12 befindet sich mittig eine Öffnung 13 mit einem lichten Durchmesser von 4 mm. Auf der zum Innenraum 14 des Halte rohres zugewendeten Seite des Bodens 12 ist um diese Öffnung 13 als elektrische Zuleitung 15 zum nicht darge stellten Anschlußbereich des Meßfühlers 10 eine Leiter bahn aus Platin nach einem bekannten Verfahren aufge bracht. An dem um die Bodenöffnung 13 verlaufenden Be reich dieser Leiterbahn 15, die bevorzugt aus Platin be steht, legt sich die ebenfalls aus Platin bestehende Meßelektrode 16 an, die etwa 10 µm dick ist und auf einem plättchenförmigen Festelektrolyten 17 bevorzugt durch ein bekanntes Druckverfahren aufgebracht ist; zwischen dem Randbereich dieser die Festelektrolytplatte 17 abdec kenden Meßelektrode 16 und der Festelektrolytplatte 17 ist eine dünne, gasundurchlässige Schicht 18 aufgebracht, welche z. B. aus Glas bestehen kann und auf der Festelek trolytplatte 17 einen kleineren Bereich freiläßt als die Fläche der Halterohr-Bodenöffnung 13 beträgt. Die Fest elektrolytplatte 17 besteht bevorzugt aus stabilisier tem Zirkondioxid, hat einen Durchmesser von 5,6 mm und ist etwa 1 mm dick. Zwischen der Seite der Festelektro lytplatte 17 und der Innenseite 19 des Halterohres 11 verbleibt somit ein Spalt 19′ als Wärmeausdehnungsfuge. Auf der Meßelektrode 16 ist eine etwa 0,5 mm dicke Schicht 20 aus Magnesium-Spinell aufgebracht, die in die Halterohr- Bodenöffnung 13 ragt und für Sauerstoffmoleküle einen defi nierten Diffusionswiderstand bildet; diese Diffusionsschicht 20 wird bevorzugt durch Plasmaspritzen auf der Meßelektrode 16 aufgebracht.

Auf der dem Halterohr-Innenraum 14 zugewendeten Großfläche der Festelektrolytplatte 17 ist eine Gegenelektrode 21 nach einem bekannten Verfahren wie Aufdrucken oder Auf dampfen aufgebracht, die wie die Meßelektrode 16 auch gasdurchlässig ist, auch aus Platin bestehen kann und der Meßelektrode 16 gegenüber angeordnet ist. Die Festelektro lytplatte 17 mit der Meßelektrode 16, der gasundurch lässigen Schicht 18, der Diffusionswiderstandsschicht 20 und der Gegenelektrode 21 bilden somit ein gemeinsames, im Halterohr 11 leicht montierbares Bauteil 22. An der Gegenelektrode 21 dieses Bauteils 22 liegt der Kopf 23 eines Druckkontaktes 24 an, der in bekannter Weise (siehe DE-OS 27 29 475) die zweite elektrische Verbindung zum Meßsystem bildet und durch eine nicht dargestellte, vorgespannte Druckfeder gegen die Gegenelektrode 21 gedrückt wird; ein solcher Druckkontakt 24 kann beispiels weise aus versilbertem zunderfestem Material bestehen und einen Durchmesser von 2 mm haben.

Auf der meßgasnahen Seite 25 des Halterohrbodens 12 ist eine Heizeinrichtung 26 befestigt: Sie besteht aus einem Wärmespeicherplättchen 27 mit Durchtrittslöchern 28 für das Meßgas und einem aufgedruckten Heizelement 29. Das Heizelement 29 verläuft mäanderförmig auf dem Wärmespei cherplättchen 27, und zwar bevorzugt in demjenigen Be reich, unter dem sich die Bodenöffnung 13 des Halterohres 11 befindet; das Heizelement, welches beispielsweise aus Platin besteht und der Diffusionswiderstandsschicht 20 für Sauerstoffmoleküle zugewendet ist, ist mittels zweier Lei terbahnen 30 und 30′ mit dem Randbereich des Wärmespeicher plättchens 27 elektrisch verbunden. Der Durchmesser des Wärmespeicherplättchens 27 entspricht etwa dem Außendurch messer des Halterohres 11 und die zum Heizelement 29 führenden Leiterbahnen 30 und 30′ kommen somit auf Lei terbahnnasen 31 bzw. 31′ zu liegen, welche einen Teil der meßgasnahen Seite 25 des Halterohrbodens 12 bedecken und als Leiterbahnen 32 bzw. 32′ an der Außenseite des Halterohres 11 zum nicht dargestellten Anschlußbereich des Meßfühlers 10 verlängert sind. Das Wärmespeicher plättchen 27, was beispielsweise aus gesintertem Zir kondioxid oder Aluminiumoxid bestehen kann und 0,8 mm dick ist, ist mittels eines bekannten Keramikklebers am Halterohrboden 12 befestigt.

Es sei erwähnt, daß der Innenraum 14 des Halterohres 11 gegenüber dem Meßgas nicht abgedichtet sein muß und daß sogar das Halterohr 11 selbst mit mindestens einem nicht dargestellten Durchtrittsloch für das Meßgas versehen sein kann. Will man jedoch aus bestimmten Gründen das Potential der Gegenelektrode 21 durch ein Referenzgas (z. B. Luft) festlegen, kann das Bauteil 22 mittels be kanntem Dichtelement bzw. Dichtstoffes gasdicht in das Halterohr 11 eingebaut und der Innenraum 14 dem Refe renzgas ausgesetzt werden.

Anstelle eines Halterohres 11 aus einem elektrisch nicht leitenden Material wie z. B. Keramik kann auch ein Halte rohr aus Metall Verwendung finden: In diesem Fall kann das metallische Halterohr die Leiterbahn 15 zur Meß elektrode 16 ersetzen, andererseits müssen das Heizele ment 29 mit den Leiterbahnen 30 und 30′ und auch die Lei terbahnnasen 31 und 31′ und die Leiterbahn 32 und 32′ auf diesem Halterohr mittels Isolierschichten vom metalli schen Halterohr 11 getrennt werden.

Claims

1. Polarographischer Meßfühler zum Messen der Sauerstoff konzentration in Gasen, insbesondere in Gasen von Brenn kraftmaschinen, mit einer gasdurchlässigen Meßelektrode, welche durch eine Schicht definierten Diffusionswider standes für Sauerstoffmoleküle dem Meßgas ausgesetzt ist, und mit einer gasdurchlässigen, ebenfalls dem Meßgas ausgesetzten Gegenelektrode und außerdem mit einem zwi schen der Meßelektrode und der Gegenelektrode angeordne ten sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, welcher plättchenförmig ist und im Innern eines Halterohres derart quer zu einer Halterohr-Bodenöffnung liegt, daß die von der Diffusionswiderstandsschicht bedeckte Meß elektrode der Halterohr-Bodenöffnung zugewendet ist, da durch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (16) am Rande der Festelektrolytplatte (17) auf einer gasundurchlässi gen Schicht (18) aufgebracht ist und auf einer zum An schlußbereich des Meßfühlers (10) führenden, elektrischen Zuleitung (15) aufliegt, daß außerdem die Gegenelektrode (21) mit dem Anschlußbereich des Meßfühlers (10) über einen federbelasteten Druckkontakt (23, 24) in elektri scher Verbindung steht, welcher zugleich den plättchen förmigen Festelektrolyten (17) einschließlich der Meß elektrode (16), der Gegenelektrode (21) und der Diffu sionswiderstandsschicht (20) gegen den mit der Öffnung (13) versehenen Halterohrboden (12) drückt, und daß min destens der über der Halterohr-Bodenöffnung (13) befind liche Bereich des Halterohrbodens (12) mittels einer Wärmespeicherplatte (27) bedeckt ist, auf welcher ein der Diffusionswiderstandsschicht (20) zugewendetes, schichtförmiges Heizelement (29) angeordnet ist und durch welche oberhalb der Bodenöffnung (13) des Halte rohres (11) Durchtrittslöcher (28) für das Meßgas führen.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen (30, 30′, 31, 31′) für das Heizelement (29, 30, 30′) von Leiterbahnen gebildet werden, die auf den Außenseiten des Halterohres (11) elektrisch isoliert aufgebracht sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Halterohr (11) aus Keramik besteht (z. B. aus Aluminiumoxid) und die elektrische Zulei tung (15) zur Meßelektrode (16) bevorzugt eine auf der Innenseite (19) des Halterohres (11) aufgebrachte Lei terbahn ist.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem plättchenförmigen Fest elektrolyten (17) und der Innenseite (19) des Halterohres (11) ein Spalt (19′) verbleibt.