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Gassensor vom Widerstandstyp und Verfahren zur Herstellung des selben
Die Erfindung betrifft einen Gassensor vom Widerstandstyp, der zum Messen der Kohlemmonoxidkonzentration
in den Abgasen von Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, dient. Die Erfindung
bezieht sich desweiteren auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gassensors.
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Zur Reduktion der Stickoxide (NO ) in den Abgasen x von Brennkraftmaschinen,
insbesondere Dieselmotoren, ist es bekannt, sogenannte EGR-Systeme einzusetzen,
bei denen ein Teil des Abgases der Brennkraftmaschine zur Einlaßseite derselben
zurückgeführt wird. Derartige EGR-Systeme finden gegenwärtig häufig Verwendung.
Wenn jedoch ein zu großer Anteil der Abgase zurückgeführt wird, wird eine unvollständige
Verbrennung der in die Brennkammer des Motors eingeführten Einlaßgase bewirkt, wodurch
die im Abgas enthaltenen Mengen an Kohlenmonoxid (CO) und Rauch ansteigen.
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Um dies zu vermeiden, wird es bevorzugt, die Menge der zurückgeführten
Abgase in Ansprache auf Signale zu steuern, die durch das Messen der CO-Konzentration
im Abgas gewonnen werden. Zu diesem Zweck wurde ein Gassensor vom Widerstandstyp
eingesetzt mit dem Zwecke, die Kohlenmonoxidkonzentration im Abgas zu erfassen.
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Das Sensorelement eines derartigen Gassensors vom Widerstandstyp umfaßt
eine gegabelte Basisplatte mit zwei Armabschnitten, die jeweils als Bezugs-und als
Meßeinrichtungen funktionieren, Widerstandsdrähte, die auf den Armabschnitten ausgebildet
sind, und eine auf dem als Meßeinrichtung wirkenden Armabschnitt ausgebildete katalytische
Schicht.
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Ein solcher Gassensor vom Widerstandstyp kann die CO-Konzentration
im Abgas erfassen, indem er als Ausgangssignal diejenigen Widerstandsänderungen
zur Verfügung stellt, die durch die Oxydationswärme des Kohlenmonoxids im Abgas
verursacht werden, wenn das Abgas während des Meßvorganges mit der katalytischen
Schicht in Kontakt gebracht wird.
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Die Sensorelemente S des Gassensors, die in den Figuren 4 und 5 gezeigt
sind, sind so konstruiert, daß Widerstandsdrähte 2a, 2b und ein Leitungsdraht 2c
auf der Oberfläche der gegabelten Basisplatte vorgesehen sind, welche in erster
Linie aus einem keramischen Material besteht und an ihrem Endabschnitt zwei Armabschnitte
aufweist, die eine Dicke von 0,2-2 mm besitzen. Eine kompakte keramische Uberzugsschicht
7, die dazu dient, eine Ablagerung von Kohlenstoff auf den Widerstandsdrähten 2a,
2b zu verhindern, ist auf der mit den Drähten versehenen Basisplatte vorgesehen'
und eine katalytische Schicht ist auf der keramischen überzugs schicht 7 auf einem
Armabschnitt la als Meßeinrichtung vorgesehen, während auf dem anderen Armabschnitt
Ib als Bezugseinrichtung eine Wärmekompensationsschicht angeordnet ist. Das auf
diese Weise ausgebildete Sensorelement S ist an einem geeigneten Halterohr befestigt
und wird dann in ein geeignetes Gehäuse eingesetzt und von diesem gelagert, so daß
es zum Erfassen
der CO-Konzentration im Abgas verwendet werden kann.
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Ein derartiger Gassensor vom Widerstandstyp hat jedoch den Nachteil,
daß die Wahrscheinlichkeit groß ist, daß sich im Abgas enthaltener Kohlenstoff auf
der Oberfläche des Sensorelementes und in deren Nachbarschaft ablagert und dadurch
die.
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katalytische Wirkung des Sensorelementes herabsetzt und das Gas daran
hindert, in das Sensorelement zu diffundieren, was dazu führt, daß die Ausgangsleistung
des Sensors, d.h. dessen Empfindlichkeit, abfällt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor vom
Widerstandstyp zu schaffen, der die vorstehend erwähnten Nachteile der Gassensoren
des Standes der Technik nicht aufweist.
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Genauer gesagt bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Gassensors
vom Widerstandstyp, der in bezug auf die CO-Konzentration äußerst empfindlich ist,
d.h. ein sehr gutes Betriebsverhalten besitzt.
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Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines dauerhaften Gassensors
vom Widerstandstyp.
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Ferner soll ein Gassensor vom Widerstandstyp zur Verfügung gestellt
werden, der eine Abnahme der Gasdiffusion in das Sensorelement verhindert.
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Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung eines vorstehend erwähnten Gassensors vom Widerstandstyp zu schaffen,
der in bezug auf die CO-Konzentration äußerst empfindlich ist, ein gutes Betriebsverhalten
besitzt, duerhaft und/oder in der Lage ist, die Abnahme der
Gasdiffusion
in das Sensorelement zu verhindern.
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Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ist erfindungsgemäß in
der Nachbarschaft der Armabschnitte des Sensorelementes ein Heizelement vorgesehen,
um den auf dem Sensorelement abgelagerten Kohlenstoff durch Verbrennen jedes Mal
dann, wenn er sich ablagert; zu entfernen. Die Erfindung wird nunmehr anhand von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Sämtliche
Teile können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Es zeigen: Figur 1 einen
Schnitt durch ein mit einer Schutzheizung versehenes Gassensorelement vom Widerstandstypi
Figur 2 einen Schnitt durch ein anderes Gassensorelement vom Widerstandstyp, das
mit einer keramischen Heizung versehen ist; Figur 3 einen Teilschnitt durch einen
Gassensor vom Widerstandstyp, der mit einem entsprechenden Gassensorelement versehen
ist; Figur 4 eine Draufsicht auf ein Gassensorelement vom Widerstandstyp; Figur
5 einen Schnittdurch diverse Schichten, die ein Gassensorelement vom Widerstandstyp
bilden; Figur 6 eine Ansicht einer Brückenschaltung, die bei einem Gassensor vom
Widerstandstyp Verwendung findet; Figur 7 ein Diagramm, in dem Ergebnisse von Dauerhaftigkeitstests
von Gas sensoren vom Widerstandstyp dargestellt sind;
Figur 8 ein
Diagramm,in dem die Beziehung zwischen der Heiztemperatur der Armabschnitte und
der reduzierten Menge an abgelagertem Kohlenstoff dargestellt ist; und Figur 9 eine
schematische Darstellung einer von einem Trägerstab gelagerten Schutzheizung.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Gassensor vom Widerstandstyp ist
dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorelement so ausgebildet ist, daß Widerstandsdrähte
auf einer gegabelten Basisplatte, die in erster Linie aus einem hitzebeständigen
anorganischen Material besteht und zwei Armabschnitte aufweist, vorgesehen sind,
wobei einer der Armabschnitte mit einer katalytischen, platinaufweisenden Schicht
versehen ist, während der andere Armabschnitt mit einer Wärmekompensationsschicht
überzogen istJund daß eine Schutzheizung oder eine keramische Heizung in der Nachbarschaft
der Armabschnitte des Sensorelementes vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile
kennzeichnen, beschrieben.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen Gassensorelemente vom Widerstandstyp, in
deren Nähe jeweils ein Heizelement angeordnet ist. Figur 1 zeigt einen seitlichen
Schnitt durch ein Gassensorelement S, der mit einer schlangenförmigen Schutzheizung
70 versehen ist.
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Mit 60 ist ein Lagerrohr für das Sensorelement bezeichnet. Innerhalb
des Lagerrohres sind Einrichtungen zum Aufdrücken einer Spannung auf die Heizung
70 vorgesehen. In Figur 1 wird dies über Leitungsdrähte
40,40 bewerkstelligt,
die in LöchereingesetzJ sind innerhalb des Lagerrohres in Längsrichtung ausgebi
und über Verbindungshülsen 50, 50 an die reizung a.>.
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schlossen sind. Mit 20 ist ein keramischer Flansch bezeichnet, der
die Installation des E.ensorelementes in einem Gehäuse erleichtert. Leitungsdrähte
30 (von denen in den Figuren 1 und 2 nur einer gezeigt ist) nehmen die Ausgangssignale
des Sensorelementes auf.
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Die Schutzheizung ist am Lagerrohr über spezielle Einrichtungen, beispielsweise
ein anorganisches Klebemittel 21, befestigt. Um die Befestigung der Heizung am Lagerrohr
zu verstärkenJkönnen, wie in den Figuren 1 und 9 dargestellt ist, ein einzelner
Lagerstab oder eine Vielzahl von Lagerstäben 22 vorgesehen sein, an die der Umfang
der Heizung 70 angeschmolzen und befestigt sein kann. Der hier verwendete Begriff
"Schutzheizung" soll bedeuten, daß die Heizung den Außenumfang des Sensorelementes
an einem Ende hüllenförmig umgibt.
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Die Heizung ist in der Lage, Kohlenstoff im Abgas zu entfernen, indem
der auf der katalytischen Schicht und der Wärmekompensationsschicht abgelagerte
Kohlenstoff verbrannt wird.
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Figur 2 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein mit einer keramischen
Heizung 80 versehenes Sensorelement S. Die Heizung 80 ist so angeordnet, daß sie
das Ende des Sensorelementes umgibt und auf diese Weise den Kohlenstoff im Abgas,
der auf den beiden Armabschnitten der gegabelten Basisplatte des Sensorelementes
oder in der Nähe derselben abgelagert ist, verbrennen und entfernen kann.
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Die keramische Heizung 80 ist, obwohl dies nicht unbedingt der Fall
sein muß, als hohles zylindrisches Rohr ausgebildet, dessen zylindrische Innenwand
an die zylindrische Außenwand des Lagerrohres 60 angepaßt
sein
kann, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt.
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Die keramische Heizung 80 wird über Leitungsdrähte 40 erhitzt.
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In den Figuren 4 und 5 ist der detaillierte Aufbau des Sensorelementes
S wiedergegeben. Das Sensorelement wird hergestellt, indem die Widerstandsdrähte
2a und 2b auf den beiden Armabschnitten 1a und 1b der gegabelten Basisplatte ausgebildet
werden, die in erster Linie aus keramischem Material besteht.
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Danach wird eine keramische überzugsschicht auf der mit den Drähten
versehenen Basisplatte ausgebildet, und schließlich wird eine katalytische Schicht
auf der keramischen überzugsschicht auf der Seite des Armabschnittes 1a vorgesehen,
während eine Wärmekompensationsschicht auf der keramischen überzugsschicht auf der
Seite des Armabschnittes 1b angeordnet wird. Die kerami-sche Überzugsschicht 7 muß
nicht unbedingt einheitlich ausgebildet sein. Wenn beispielsweise diese Schicht
von zwei Schichten gebildet wird, d.h. einer Schicht 7a aus feinen Partikeln und
einer Schicht 7b aus groben Partikeln, wie in Figur 5 gezeigt, kann das Haftungsvermögen
zwischen der keramischen Überzugs schicht und der katalytischen Schicht 4 verbessert
werden.
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Figur 3 zeigt einen Teilschnitt durch den Gassensor, bei dem das in
Figur 2 dargestellte Gassensorelement in einem Gehäuse 19 montiert ist. Das Sensorelement
S ist derart auf dem Gehäuse 19 montiert, daß seine Armabschnitte vom Gehäuse 19
nach außen vorstehen können, während der gegenüberliegende Endabschnitt des Sensorelementes
vom Gehäuse ergriffen werden kann. Eine Sensorschutzschicht (Aufsatz) 11 mit Belüftungslöchern
12, durch die das Abgas strömen kann, ist an der Unterseite des Gehäuses befestigt
und
deckt den Außenumfang der beiden Armabschnitte ab. Mit 9 ist ein Halter bezeichnet,
der ein Haiteloch aufweist, über das die Installation des Sensors durchgeführt wird.
Mit 24 ist ein verstemmter Abschnitt bezeichnet, der zur festen Montage des Sensorelementes
im Gehäuse dient. Ein anorganisches Filmmaterial 25 ist im Gehäuse über dem Sensorelement
vorgesehen.
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Die Anschlüsse 3a, 3b und 3c in Figur 4 zurWeitergabe der Widerstandsänderungen
in den Widerstandsabschnitten 2a und 2b sind über Leitungsdrähte 30 an eine Wheatstone'sche
Brückenschaltung angeschlossen, wie in Figur 6 gezeigt. In Figur 6 ist mit 23 ein
Regelwiderstand und mit E eine Batterie bezeichnet.
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Der Regelwiderstand 23 ist so eingestellt, daß die Spannung zwischen
einem Punkt 3 und einem Punkt 3c auf einen Wert von Null gebracht wird, wenn der
Widerstand in dem Widerstands abschnitt 2a dem des Widerstandsdrahtes 2b entspricht.
Falls eine Differenz zwischen den Widerständen der Widerstandsdrähte 2a und 2b auftritt,
befindet sich die Brückenschaltung nicht im Gleichgewicht, so daß zwischen den Punkten
3 und 3c eine elektromotorische Kraft entwickelt wird, die die Erfassung der- CO-Konzentration
im Abgas ermöglicht.
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Der auf diese Weise ausgebildete Gassensor vom Widerstandstyp wird
mit Hilfe des Flansches 9 an der von den Abgasen durchströmten Bahn befestigt, während
der Sensoraufsatz, der das Sensorelement S umgibt, so angeordnet wird, daß er auf
das Innere der von den Abgasen durchströmten Bahn gerichtet ist.
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Die Basisplatte kann aus einem keramischen Material hergestellt werden,
wie beispielsweise SiO2-Keramik, MOtt-Keramik, Al 2O3-Keramik, Chrom-Keramik, Forsterit
-Keramik, Spinel-Keramik, Chrom-Magnesiumo xid-Keramik, Magnesium oxid/C r-Keramik,
Zirkon-Keramik, Zirkono xid-Keramik, Titan-Keramik oder Cordierit-Keramik. Vorzugsweise
kommt ein Material zur Anwendung, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit besitzt.
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Die Basisplatte kann unter Verwendung der vorstehend genannten Materialien
in üblicher Weise hergestellt werden.
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Die Widerstandsdrähte 2a, 2b und 2c können aus einem Metall hergestellt
werden, das korrosionsfest und hitzbeständig ist, wie beispielsweise Platin und
Platin-Rhödium. Wie in Figur 5 gezeigt ist, ist eine keramische Überzugs schicht
7 auf der Basisplatte vorgesehen, auf die die Widerstandsdrähte aufgebracht worden
sind. Die Überzugsschicht 7 dient dazu, ein Kurzschließen der Widerstandsdrähte
2a (2b) in Folge der Ablagerung von im Abgas enthaltenem Kohlenstoff auf den Widerstandsdrähten
zu verhindern. Die Uberzugsschicht 7 kann aus den gleichen Materialien oder aus
ähnlichen Materialien hergestellt werden, wie die Basisplatte. Die als kompakte
Einheit auf den Armen ausgebildete Überzugsschicht 7 besitzt eine Partikelgröße
von etwa 300 bis etwa 500 ßm und eine Dicke von etwa 5 bis etwa 15 ßm.
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Wie vorstehend erwähnt, kann die keramische Uberzugsschicht auch aus
zwei Schichten gebildet werden, einer feinen Schicht und einer groben Schicht.
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Darüber hinaus wird auf der Überzugs schicht 7 auf der Seite des Armabschnittes
1a eine katalytische Schicht ausgebildet, während eine Wärmekompensationsschicht
4b, die etwa die gleiche Wärmekapazität wie die katalytische Schicht besitzt, auf
der Überzugsschicht 7 an der-Seite des Armabschnittes ib angeordnet wird. Der Armabschnitt
1a wirkt somit als MeBeinrichtung, während der Armabschnitt 1b als Bezugseinrichtung
fungiert. Das Substrat der katalytischen Schicht 4 kann aus dem gleichen keramischen
Material1 wie vorstehend erwähnt, hergestellt werden. Die katalytische Schicht 4a
kann vorzugsweise einen Katalysator aus der Platin-Metall-Gruppe umfassen, der in
wirksamer Weise eine katalytische Reaktion des CO im Abgas bewirkt, wie beispielsweise
Pt, Rh, Pd und Pt/Rh. Die Menge eines derartigen katalytischen Elementes liegt vorzugsweise
in einem Bereich zwischen etwa 3 und etwa 10 Gewichts-% in bezug auf das-keramische
Substrat. Die Dicke der katalytischen Schicht beträgt vorzugsweise etwa 20 bis etwa
300 ßm. Die katalytische Schicht 4a kann auf einer Seite des Armabschnittes ausgebildet
werden, d.h. derjenigen Seite des Armes, an die der Widerstandsdraht 2a angelegt
wird. Es wird jedoch bevorzugt, die katalytische Schicht auf den gesamten Armabschnitten
auszubilden; denn je größer der Grad der Verbrennung auf der katalytischen Schicht
oder um diese herum ist, desto besser ist die Meßgenauigkeit. Die Wärmekompensationsschicht
kann aus den gleichen keramischen Materialien wie vorstehend erwähnt, hergestellt
werden.
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Als Heizung werden eine -Mantelheizung und eine keramische Heizung
bevorzugt. Bei der keramischen
Heizung kann deren Basis aus dem
gleichen keramischen Material bestehen wie die Sensorbasisplatte und das Lagerrohr
für das Sensorelement, wie beispielsweise SiO2-Keramik, Schamotte-Keramik, Al203-Keramik,
Chrom-Keramik, Forsterit -Keramik, Spinel-Keramik, Chrom/Magnesium o xid-Keramik,
Magnesiumo xid-Chrom-Keramik, Zirkon-Keramik, Zirkono xid-Keramik, Titan-Keramik
oder Cordierit-Keramik. Es wird ein Material bevorzugt, das einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
und eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit besitzt.
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Die keramische Heizung kann nach dem folgenden Verfahren hergestellt
werden: Dem Pulver aus dem vorstehend erwähnten Keramik-Material wird ein geeigneter
Thermoplast) wie beispielsweise Acryl-Harz, Vinyl-Acetat-Harz, Styrol-Harz o.ä.,
als Bindemittel zusammen mit einem Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluol, Xylol,
Äthylazetat, Butylazetat, Lackbenzin o.ä., zugesetzt. Das Gemisch wird dann zu einem
Kunststoffmaterial mit einer geeigneten Viskosität durchgearbeitet und schließlich
in die gewünschte Form als Basisplatte der Heizung gegossen. Ein Metall, wie beispielsweise
Platin, Platin-Rhodium, Wolfram o.ä., wird linienförmig auf die auf diese Weise
hergestellte Basisplatte aufgedruckt, wonach das Sensorelement durch Brennen hergestellt
werden kann.
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Bei einer Mantelheizung wird ein Heizelement bevorzugt, das aus Nichrom-Draht
oder Kanthal-Legierungsdraht besteht und mit rostfreiem Stahl umgeben ist. Eine
solche Heizung ist von der Firma Chubusukegawa Kogyo Kabushiki Kaisha erhältlich.
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Die erfindungsgemäß eingesetzten Heizungen müssen sich mindestens
bis auf 6000C erhitzen lassen, um eine wirksame Entfernung des abgelagerten Kohlenstoffes
durch Brennen zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die Heizungen so angeordnet, daß
sie die katalytische Schicht am Meßarmabschnitt und die Wärmekompensationsschicht
am Bezugsarmabschnitt umgeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von speziellen Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Beispiel 1: Herstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Gassensors
vom Widerstandstyp (1) Basisplatte: Einem Pulver aus einem Keramikmaterial, wie
beispielsweise Aluminium-Oxid wurde ein geeignetes thermoplastisches Harz, wie beispielsweise
Acryl-Harz, Vinyl-Azetat-Harz, Styrol-Harz, als primäres Bindemittel zusammen mit
etwa 10 Vol% eines Lösungsmittels, wie beispielsweise Toluol, Xylol, Äthylazetat,
n-Butylazetat, Lackbenzin o.ä., zugesetzt, wonach das erhaltene Gemisch durchgearbeitet
wurde. Danach wurde eine flexibles Blatt mit davon vorstehenden Armabschnitten la
und 1b, wie in Figur 4 gezeigt, geformt.
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Auf die Blattoberfläche wurde dann mittels Siebdruck o.ä. eine Druckpaste
aufgedruckt, um linienförmige Widerstandsdrähte 2a, 2b in Form eines bedruckten
dicken Filmes auszubilden, von denen jeder mehr als eine Windung aufweist. Die dabei
verwendete
Druckpaste wurde so hergestellt, daß ein Pulver aus
Metall, wie beispielsweise Platin, Platin-Rhodium u.ä.das korrosionsfest und hitzebeständig
ist, mit einem Knetoel durchgearbeitet wurde, in dem ein synthetisches HarzRwie
beispielsweise Acryl-Harz, Vinyl-Azetat-Harz, Styrol-Harz o.ä., in einem Lösungsmittel,
wie beispielsweise Toluol, Xylol, Äthylazetat, n-Butylazetat, Lackbenzin o.ä.Jgelöst
war. Auf diese Weise wurden die Widerstandsdrahtabschnitte 2a und 2b hergestellt.
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(2) Ausbildung einer Überzugsschicht: Eine feine keramische Überzugs
schicht 7a von 5 bis 15 ßm Dicke wurde geformt, indem ein vorgegebener Abschnitt
derdurch Schritt (1) hergestellten, mit den Drähten versehenen Basisplatte (1) in
eine Aufschlämmung eingetaucht wurde, die ein Pulver aus einem Keramik-Material,
wie beispielsweise Aluminium-Oxid, enthielt und eine Partikelgröße von 300 bis 500
mesh aufwies, während das andere Ende der Basisplatte nicht eingetaucht wurde. Nach
dem Trocknen wurde die auf diese Weise präparierte Basisplatte wieder in eine Aufschlämmung
eingetaucht, die ein Keramikpulver mit einer Partikelgröße von 150 bis 300 mesh
enthielt, und danach getrocknet, wodurch eine grobe Schicht 7b einer Dicke von 10
bis 200 ijm geformt wurde.
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(3) Ausbildung einer katalytischen Schicht: Der Armabschnitt 1a wurde
in eine katalytische Aufschlämmung eingetaucht oder mit Hilfe einer Bürste mit dieser
beschichtet, wobei die Aufschlämmung einen Metallkatalysator aus der Platingruppe
in einer Menge von 3 bis 10 Gewichts-%, Rest-Keramikmaterial aufwies. Danach wurde
bei 1500Cüber etwa
zwei Stunden getrocknetJund und bei etwa 6000C
in Luft wurde etwa über eine Stunde gebrannt. Auf diese Weise wurde eine katalytische
Schicht 4 mit einer Dicke von 20 bis 300 Am hergestellt.
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Auf dem Armabschnitt 1b wurde unter Verwendung des gleichen Verfahrens
und der gleichen Aufschlämmung wie bei dem Armabschnitt ia ohne den Katalysator
eine Wärmekompensationsschicht aufgebracht. Auf diese Weise wurde das Gassensorelement
hergestellt, (4) Herstellung eines Heizelementes: (a) Keramische Heizung.
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Es wurde eine zylindrische Heizung hergestellt, indem das gleiche
Verfahren und Material oder ein ähnliches Verfahren oder ähnliches Material wie
bei den Schritten (1) und (2) verwendet wurde, bei denen ein geeigneter Widerstandsdraht
eingebettet wurde. Das Heizelement wies einen Innendurchmesser von 5,5 mm und einen
Außendurchmesser von 8,0 mm auf, während die Länge des Heizabschnittes 15 mm betrug.
Bei einer Spannung-von 12V betrug der Verbrauch an elektrischem Strom 40 W.
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(b) Mantelheizung.
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Der Heizabschnitt der Mantelheizung wurde aus einem Kanthal-Legierungsdraht
mit einem Durchmesser von 1 mm, der mit SUS 310 S umhüllt war, hergestellt.
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Der schraubenförmig ausgebildete Heizabschnitt besaß einen Durchmesser
von 5,5 mm und eine Länge von 15 mm. Der Stromverbrauch betrug 40 W. Wie in den
Figuren 1 und 9 dargestellt ist, wurde ein Stützstab für die Heizung, der aus SUS
310 S bestand, in der Nähe der Heizung angeordnet und mit dieser
verschmolzen,
um die Entfernung zwischen benachbarten Drahtwindungen konstant zu halten.
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Wie man den Figuren 1 oder 2 entnehmen kann, wurde die Heizung 70
oder 80 an dem gemäß Schritt (3) hergestellten Sensorelement S befestigt, und danach
wurden Heizung und Sensorelement im Gehäuse 19 montiert, wie in Figur 3 gezeigt,
so daß auf diese Weise ein Gassensor vom Widerstands typ erhalten wurde.
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Beispiel 2: Haltbarkeitstest des Sensorelementes Ein Kasten, in dem
eine Anzahl von Sensoren, die untersucht werden sollten, befestigt werden konnte,
wurde 30 cm abstromseitig von einem Verteiler eines Abgasrohres eines L-Typ Dieselmotors
mit 2.200cm3 befestigt. Die Haltbarkeitstest wurden durchgeführt, während der gemäß
Beispiel 1 hergestellte Sensor S und ein Sensor mit dem gleichen Sensorelement,
jedoch ohne Heizung, in dem Kasten montiert waren.
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Bei diesen Tests wurde die maximale und minimale Temperatur des Abgases
auf 5300C und 1900C eingestellt -(11 Bp mode). Nach einer Betriebsdauer von 10.000
Meilen wurde geprüft, inwieweit eine Änderung der Ausgangsspannung eines jeden Sensors
in Abhängigkeit von einer Änderung in einem Nenngasstrom, d.h. die Sensitivität,
abfiel. Dieser Nenngasstrom bestand aus einer Gasmischung, bei der als Basisgas
2 1/min N2, 20 ml/min CO und 60 ml/min Luft verwendet wurden und bei der 139 ml/min
pulsierende Luft als Sekundärluft in das Basisgas eingeführt wurden. Die Amplitude
der Ausgangsspannung wurde geprüft, während die Impulse zwischen 0,005 und 0,05
eingestellt wurden.
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Die auf die Brückenschaltung auf gedrückte Spannung wurde bei 5V gehalten.
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Bei diesem Test wurden die Ausgangssignale des Sensors in der nachfolgenden
Weise erzeugt: Während die Spannung über die Leitungsdrähte 40,40 auf die Heizung
aufgedrückt wurde, wurden die Armabschnitte des Sensorelementes auf eine konstante
Temperatur von mehr als 6000C erhitzt. Die Spannung wurde auf die Widerstandsdrahtabschnitte
2a und 2b aufgedrückt, so daß die Basisplatte auf eine Temperatur erhitzt wurde,
bei der die katalytische Reaktion des CO in einfacher Weise stattfand. Die Temperatur,
auf die die Basisplatte erhitzt wurde, wurde jedoch auf einem solchen Wert gehalten,
bei dem keine spontane Zündung des CO im Nenngas stattfand. Zu diesem Zweck wurde
die Temperatur des Nenngases auf etwa 2500 C gehalten.
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Als das Nenngas die Armabschnitte 1a und 1 b der Basisplatte erreichte,
wurde das CO im Abgas, das mit der katalytischen Schicht 4a am Armabschnitt 1a in
Kontakt gebracht wurde, zu CO2 verbrannt, so daß die Temperatur des Armabschnittes
1a auf die Reaktionswärme von CO anstieg, während kein Temperaturanstieg des Armabschnittes
1b stattfand. Die Temperatur dieses Armes wurde als Bezugstemperatur verwendet,
da am Armabschnitt 1b keine katalytische Schicht vorgesehen worden war. Somit weist
die Temperaturdifferenz zwischen den Armabschnitten 1a und 1b auf die Widerstandsdifferenz
zwischen den Armabschnitten hin. Es wird somit ein Ausgangssignal zwischen den Punkten
3 und 3c erhalten.
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Wie aus Figur 7 hervorgeht, in der die Ergebnisse des vorstehend beschriebenen
Tests dargestellt sind, hält der erfindungsgemäß ausgebildete Sensor, der eine Heizeinrichtung
zum Verbrennen und Entfernen von abgelagertem Kohlenstoff aufweist, die größere
Amplitude seiner Ausgangsspannung auch nach dem Haltbarkeitstest aufrecht und besitzt
ein besseres Betriebsverhalten im Vergleich zu einem Sensor ohne Heizeinrichtung.
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Beispiel 3: In Beispiel 1 wurde die Temperatur, auf die die Armabschnitte
des Sensorelementes S über die Heizung erhitzt wurden, auf einen größeren Wert als
6000C eingestellt. In dem nun folgenden Beispiel 3 wurde jedoch die Temperatur der
erhitzten Armabschnitte in bezug auf die Gewichtsänderung des abgelagerten Kohlenstoffes
in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen unter Verwendung des Gassensors von
Beispiel 1 bestimmt.
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Diese Ergebnisse sind in Figur 8 dargestellt. Der abgelagerte Kohlenstoff
beagann zu verbrennen, als die Armabschnitte auf 4000C erhitzt worden waren.
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87% des abgelagerten Kohlenstoffes verbrannte bei einer Temperatur
von mehr als 6000C. Der restliche Teil von 132 wird als unverbrannter Teil angesehen.
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Wie vorstehend erläutert, wird bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Gassensor der auf dem Sensorelement oder in der Nachbarschaft desselben abgelagerte
Kohlenstoff des Abgases durch Verbrennen mittels eines Heizelementes entfernt. Der
Gassensor kann daher auch noch nach einer langen Betriebsdauer zuverlässig
arbeiten,
ohne daß das Sensorausgangssignal abfällt.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Gassensorelement vom Widerstandstyp
zur Erfassung der Konzentration von Kohlenmonoxid im Abgas einer Brennkraftmaschine
in Verbindung mit einem Sensor zur Montage desselben vorgeschlagen. Das Gassensorelement
umfaßt eine Basisplatte, die in erster Linie aus einem keramischen Material besteht
und zwei Armabschnitte aufweist, Widerstandsabschnitte, die auf den Armabschnitten
ausgebildet sind, eine keramische Überzugsschicht, die auf der mit den Drähten versehenen
Basisplatte ausgebildet ist, eine katalytische Schicht, die auf der keramischen
Uberzugsschieht auf einem Armabschnitt vorgesehen ist, eine Wärmekompensationsschicht,
die auf der keramischen Überzugsschicht des anderen Armabschnittes vorgesehen ist,
ein in der Nachbarschaft der Armabschnitte angeordnetes Heizelement und Leitungsdrähte
zur Aufnahme der Widerstands änderungen in den Widerstandsabschnitten und zur Bildung
einer Wheatstone schen Brücke.