DE3515035C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoff-Sensor für Abgase, insbesondere aus Verbrennungs-Kraftmaschinen, aus einer Keramikplatte, einem Heizkreis, einem gasempfindlichen Element und einem wärmeentwickelnden Teil.

Es sind zwei Arten von Gas-Sensoren bekannt, nämlich die erste Art auf der Basis von Reaktionswärme und die zweite Art auf der Basis eines Halbleiters. Bei einem Gas-Sensor erster Art ist auf der Oberfläche eines Platindrahts ein Katalysator abgeschieden. Kommt nun das Gas mit dem Katalysator in Berührung, so entsteht Reaktions(Verbrennungs)- wärme und damit eine Temperaturerhöhung des Platindrahts. Die Widerstandsänderung des Platindrahtes infolge des Temperaturanstiegs dient als Meßwert zur Bestimmung der Anwesenheit oder Konzentration des Gases.

Bei dem Gas-Sensor zweiter Art werden Halbleiter abgewandt, deren elektrischer Widerstand sich bei dessen Berührung mit einem Gas ändert und damit die Widerstandsänderung für die Bestimmung der Anwesenheit oder Konzentration eines Gases herangezogen werden kann. Es wurden verschiedene halbleitende Oxide wie Zinnoxid (SnO₂), Zinkoxid (ZnO), Titanoxid (TiO₂) und Cobaltoxid (CoO) für verschiedene Zwecke angewandt bei entsprechender Auswahl der Betriebstemperatur und des Katalysatos für den jeweiligen Zweck. Beispiele für einen solchen Gas-Sensor auf der Basis eines halbleitenden Oxids ist ein Sensor auf Propan, Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Feuchtigkeit.

Heizelemente sind in solchen Gas-Sensoren für die verschiedensten Zwecke vorgesehen wie zum Abbrennen von Verunreinigungen, die sich an der Oberfläche abgeschieden haben, zur Verhinderung von Abscheidungen aus Verunreinigungen und zur Verbesserung der Aktivität der Sensorelemente.

Zur Bestimmung einer Widerstandsänderung eines gasempfindlichen Elements war es üblich, von außen eine bekannte und konstante Spannung anzulegen. Die Widerstandsänderung zeigt sich dann in der Änderung der Stromstärke, und die Stromstärke läßt sich bestimmen als Widerstandsänderung über einen Vergleichswiderstand, der von dem Strom durchflossen wird.

Die Spannung bei der Bestimmung der Widerstandsänderung ist nicht notwendigerweise die gleiche wie für das Heizelement, so daß die bekannten Gas-Sensoren zwei getrennte Stromquellen benötigen, eine für die Heizelemente und eine für die Bestimmung der Widerstandsänderung. Zwei Stromquellen führen jedoch zur Erhöhung der Herstellungskosten des Gas-Sensors.

Aus der DE-AS 11 20 773 ist ein Detektor für Halogengase mit zwei an Gleichspannung liegenden Elektroden und einer Heizwicklung bekannt, wobei Elektroden und Heizwicklung auf die halbleitende Grenztemperatur geheizt werden, derart, daß zwischen den Elektroden ein Nullstrom fließt, der bei Auftreten von Halogengas sich plötzlich sprunghaft ändert.

Aus der DE-OS 30 32 476 ist ein Sensor für gasförmige Kohlenwasserstoff- Verunreinigungen in Luft bekannt, dessen Wirkung auf einem durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten dünnen Film von nicht-stöchiometrischem Wolframoxid beruht. Die Temperatur des zu prüfenden Gases ist konstant. Ein solcher Sensor hat nur eine sehr mäßige Genauigkeit, ist jedoch kompliziert und aufwendig ausgelegt.

Es werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen Sauerstoff-Sensoren angewandt, um die Reinheit des Abgases zu gewährleisten. Ein Sauerstoff-Sensor dient zur Bestimmung, ob das Luft/Brennstoff- Verhältnis im Abgas von Kraftfahrzeugen über oder unter dem theoretisch optimalen Wert liegt. Ein Sauerstoff-Detektor für diesen Zweck bestimmt die Widerstandsänderung eines oxidischen Halbleiterelements, wie aus TiO₂, CoO oder SnO₂. Der Sensor-Ausgang in Form eines elektrischen Signals wird rück­ gekoppelt zu einem Motor-Regelsystem, um auf diese Weise die Zusammensetzung des Abgases in einem engen Bereich um das theoretisch optimale Verhältnis von Luft zu Brennstoff zu halten, welches für einwandfreie Wirkung eines ternären oder anderen Katalysators erforderlich ist. In diesem Fall bevorzugt man ein Heizelement in dem Sauerstoffdetektor, da der Sensorbetrieb bei niederen Abgastemperaturen unter 400°C instabil ist, also beim Kaltstart.

Als Stromquelle für ein solches Heizelement ist die Autobatterie mit 6 oder 12 V üblich und auch vom Standpunkt der Konstruktion des Heizelements wünschenswert. Andererseits ist als Stromquelle für den Sauerstoffdetektor zur Bestimmung der Widerstandsänderung seines gasempfindlichen Elements im Hinblick auf die Lebensdauer des Sensors auch eine niedere Spannung von 1 bis 5 V wünschenswert. In diesem Fall benötigt man zwei Stromquellen.

Das übliche gasempfindliche Element zur Bestimmung der Wider­ standsänderung weist noch einen weiteren Nachteil auf, nämlich der Widerstandswert des gasempfindlichen Elements wird von der Temperatur beeinflußt. In den Meßwert der Widerstandsänderung geht also sowohl ein temperaturabhängiger Anteil als ein von der Gaskonzentration abhängiger Anteil ein. Muß ein solches gasempfindliches Element über einen weiten Temperaturbereich arbeiten, so ist die Meßgenauigkeit, wie leicht verständlich, gering. Um die Temperaturabhängigkeit minimal zu halten, kann man in Verbindung mit dem gasempfindlichen Element ein Kompensations­ element anwenden, jedoch führt ein solches wieder zu einer Erhöhung der Kosten für den Gas-Sensor.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Sauerstoff-Sensor für Abgase mit hervorragender Aktivität bei niederer Temperatur zu bringen.

Ausgehend von einem Sauerstoffsensor des Oberbegriffs wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor läßt sich der Sauerstoffgehalt von Abgasen, insbesondere von Verbrennungs-Kraftmaschinen, die über einen weiten Temperaturbereich von 250 bis 900°C arbeitsfähig sein müssen, überwachen. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor findet eine Kompensation der Temperaturänderung statt, so daß man ein genaues Signal erhält, da das Heizaggregat zu jedem Zeitpunkt mit der entsprechenden Spannung versorgt wird. Die Kompensation der Temperaturänderung ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor essentiell und geschieht durch das Widerstandselement. Das bedeutet, daß der erfindungsgemäße Sensor ein q-Sensor (γ=1) wird, der sich für einen sehr breiten Temperaturbereich der zu prüfenden Abgase eignet. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Sensoren liegen in der einfachen Konstruktion und Auslegung und in seinem sicheren und wirtschaftlichen Betrieb.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors kann der wärmeentwickelnde Teil durch Aufbringung eines biegsamen Streifens aus einem Gemisch von Tonerde und einem organischen Harz, der die Heizleiterbahnen trägt, auf einen rohrförmigen Tonerdekörper und Sintern bei hoher Temperatur in reduzierender Atmosphäre (JP-A1 86 868/1976) hergestellt sein. Diese Heiz­ leiterbahnen werden durch Aufdrucken des Leiterbilds auf Basis von Wolfram auf obigen Streifen in der üblichen Dickschicht- Metallisierungstechnik hergestellt.

Nach einer anderen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Sensors wird auf ein ebenes Tonerdesubstrat mit einem Heizleiterbild als Dickfilm ein gasempfindliches Element nach der Platinierungsmethode gebildet (JP-A1 2 25 561/1983).

Bei beiden obigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors wird das Heizleiterbild am grünen Streifen oder das ebene Tonerdesubstrat in Form eines in Serie geschalteten Stromkreises aus einem wärmeentwickelnden Teil und einem spannungsteilenden Teil gebildet. Der spannungsteilende Teil besitzt vorzugsweise einen Widerstand. Die Spannung zur Betätigung des Heizleiters wird über ein Widerstandselement aufgebracht. Die Spannung für die Bestimmung des Widerstands eines gasempfindlichen Elements im Hinblick auf die Gaskonzentration wird von der Grenzlinie zwischen wärmeentwickelndem Teil und spannungsteilendem Teil abgenommen. Dabei wird sowohl die Funktion der Gasmessung als auch die Funktion der Erwärmung durch eine einzige Stromquelle erfüllt, während die Temperaturabhängigkeit der gasempfindlichen Funktion minimal ist.

Die Erfindung wird an den Zeichnungen weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt den wesentlichen Teil des erfindungsgemäßen Sensors, vertikal im Schnitt;

Fig. 2A bis 2E sind schematische Darstellungen der einzelnen Verfahrensschritte zu dessen Herstellung;

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema für die Bestimmung der Sauerstoff­ konzentration unter Anwendung entweder eines erfindungs­ gemäßen Sensors oder eines Vergleichs-Sensors;

Fig. 4 ist ein Diagramm, in dem der Widerstand gegen die Temperatur des Abgases sowohl für einen erfindungsgemäßen als auch für einen Vergleichs-Sensor angegeben ist;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Spannungsänderung zwischen den Punkten A und B der Fig. 3 bei unterschiedlichen Abgas­ temperaturen für erfindungsgemäßen und Vergleichs-Sensor und

Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Sensor-Ausgangs von der Abgastemperatur für erfindungsgemäßen und Vergleichs-Sensor zeigt.

Der erfindungsgemäße Sensor hat eine Keramikplatte (1), einen Metallblock (3), ein Schutzrohr (5), eine Pulverfüllung (9), eine Glasdichtung (11), drei Verbindungsleitungen (13 a; 13 b und 13 c), einen Silicongummi-Stopfen (15) und eine Außenhülse (17). Darüber hinaus enthält er eine erste Platte (21), eine zweite Platte (23), einen wärmeerzeugenden Teil (25) eines Heizkreises, eine erste Elektrode (27), eine zweite Elektrode (29), einen spannungsteilenden Teil (31) des Heizkreises sowie den ersten, zweiten und dritten Anschluß (35 a; 35 b und 35 c), ein Fenster (37) und schließlich ein gasempfindliches Element (41). R _H ist der Widerstand des wärmeentwickelnden Teils (25), R₁ der Widerstand des spannungsteilenden Teils (31), R₂ der Widerstand der zweiten Verbindungsleitung (13 b), R _T der Widerstand des gasempfindlichen Elements (41) und schließlich ist eine Batterie als Stromquelle vorgesehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, der sich für die Bestimmung der Sauer­ stoffkonzentration eines Abgases aus verschiedenen Verbrennungsvorgängen wie Kraftfahrzeugen eignet, trägt die Keramikplatte (1) das gasempfindliche Element (41) und den Heizkreis aus den Teilen (25) und (31). Die Keramikplatte (1) ist im zylindrischen Metallkörper (3) so befestigt, daß dieser die Montage des Sensors in der Verbrennungsvorrichtung, deren Gaskonzentration geprüft werden soll, gestattet. Um das gasempfindliche Element zu schützen, ist ein Schutzrohr (5) mit einer Anzahl von durchgehenden Löchern (5 a) im unteren Bereich oder an der Seite (3 a) des Metallkörpers (3), die in die Verbrennungsanlage weist, versehen. Der Metallkörper (3) besitzt ein Außengewinde (3 b), so daß sich damit der Sensor in die Verbrennungsanlage einschrauben läßt. Die Keramikplatte (1) ist im Abstand vom Metallkörper (3) durch einen Abstandhalter (7) fixiert und gasdicht in dem Metallkörper mit Hilfe einer Pulverfüllung (9) und einer Glasdichtung (11) gehalten.

Die Pulverfüllung (9) kann beispielsweise ein Gemisch von Talkum und Glasteilchen 1 : 1 sein. Die Glasdichtung (11) ist z. B. hergestellt worden bei 600°C durch dichtende Füllung der Spalte zwischen der Keramikplatte (1) und dem Metallkörper (3) mit einem Glas mit niederem Schmelzpunkt. Diese Dichtung (11) verhindert den Austritt von zu messendem Gas und dessen Berührung mit den drei Anschlüssen (1 a, 1 b und 1 c) der Keramik­ platte (1). Der Anschluß (1 a bzw. 1 b bzw. 1 c) ist mit der Verbindungsleitung (13 a bzw. 13 b bzw. 13 c) verlötet. Dabei wird an die Keramikplatte (1) über die Verbindungsleitung (13 a und 13 b) eine Eingangsspannung angelegt, während das Ausgangssignal von der Keramikplatte (1) über die Verbindungsleitung (13 c) abgenommen werden kann.

Ein Stopfen (15) aus Silicongummi wird auf das äußere Ende der Hülse (17) aufgebracht, während das innere Ende der Hülse (17) mit dem Metallkörper (3) verlötet ist. Der Stopfen (15) ist an der Hülse (17) dicht befestigt, indem diese nach innen gedrückt wird, wie dies durch die Sicken (17 a) in Fig. 1 angedeutet ist. Dabei isoliert und schützt der Stopfen (15) die Kontakte der Anschlüsse (1 a, 1 c und 1 b) mit den Verbindungsleitungen (13 a, 13 b und 13 c) und verhindert ein Eindringen von Öl und Wasser in den Sensor.

Die Fig. 2A bis 2E zeigen die Herstellung der Keramikplatte (1). Die 1 mm starke Platte (21) und die zweite 0,2 mm starke Platte (23) werden in folgender Weise hergestellt: Es wird ein Pulvergemisch aus 100 Gew.-Teilen Oxid mit einer mittleren Teilchengröße von 1,5 µm - enthaltend 92 Gew.-% Tonerde (Al₂O₃), 4 Gew.-% Kieselsäure (SiO₂), 2 Gew.-% Kalk (CaO) und 2 Gew.-% Magnesia (MgO) - hergestellt und diesem 12 Gew.-Teile Butyral- Harz und 6 Gew.-Teile Dibutylphthalat zugesetzt und das Ganze in einem organischen Lösungsmittel aufgeschlämmt und mit Hilfe einer Rakel aus dem Schlamm grüne Platten hergestellt.

Nach Fig. 2A wird der Heizkreis - bestehend aus dem hintereinander geschalteten wärmeentwickelnden Teil (25) und dem spannungsteilenden Teil (31) - auf der grünen Platte (21) gebildet. Der erste Anschluß (35 a) und der zweite Anschluß (35 b) werden an den gegenüberliegenden Seiten des Heizkreises so vorgesehen, daß der zweite Anschluß (35 b) am freien Ende des spannungsteilenden Teils (31) ist. Die erste Elektrode (27) des gasempfindlichen Elements (41) (Fig. 2E) wird auf der ersten grünen Platte (21) gebildet, während der dritte Anschluß (35 c) mit der ersten Elektrode (27) verbunden wird. Die zweite Elektrode (29) des gasempfindlichen Elements (41) wird auf der ersten grünen Platte (21) derart gebildet, daß sie der ersten Elektrode (27) zugekehrt ist. Die zweite Elektrode (29) wird mit der Grenze zwischen wärmeentwickelndem Teil (25) und spannungsteilendem Teil (31) des Heizkreises verbunden.

Sowohl der Heizkreis aus wärmeentwickelndem Teil (25) und spannungsteilendem Teil (31) als auch die Kreise für die erste und zweite Elektrode (27; 29) werden mit Hilfe einer Platinpaste, enthaltend 7% Tonerde (Al₂O₃) - bezogen auf den Platingehalt -, aufgedruckt nach der Dickfilm-Technik. Die erste Elektrode (27) wird mit dem Anschluß (35 b) verbunden und dient als Ausgang aus der Leiterbahn. Die zweite Elektrode (29) wird an die obige Grenze geschaltet und dient zur Abnahne der Teilspannung des Leiterkreises.

Die Anschlüsse (1 a; 1 b und 1 c), z. B. kurze Platindrähte, sind mit den Anschlüssen (35 a; 35 b bzw. 35 c) verbunden (Fig. 2B). Die zweite grüne Platte (23) mit ausgestanztem Fenster (37) wird auf die erste grüne Platte (21) aufgelegt und durch Aufpressen bei hoher Temperatur gebunden, so daß Heizkreis und Elektrodenkreise sich sandwichartig zwischen den beiden grünen Platten (21; 23) befinden (Fig. 2C). Größe und Lage des Fensters (37) ist derart, daß die Enden der beiden Elektroden (27; 29) durch dieses nach außen reichen. Die grünen Platten (21; 23) werden dann während 2 h an der Luft bei 1500°C zusammen gesintert, so daß man ein Zwischenprodukt in Form der Keramikplatte (1) erhält (Fig. 2D).

Was nun das gasempfindliche Element (41) (Fig. 2E) anbelangt, so wird dieses in dem Fenster (37) gebildet, so daß das Endprodukt der Keramikplatte (1) erhalten wird. Das gasempfindliche Element (41) wird wie folgt hergestellt: Eine TiO₂-Paste wird hergestellt durch Kneten einer Mischung von 100 Mol-Teilen TiO₂-Pulver mit einer mittleren Feinheit von 1,2 µm, 1 Mol-Teil Platinmoor und 0,3 Gew.-% Ethylcellulose, bezogen auf das Gesamtgewicht von TiO₂ und Platin, mit einem Diethylenglykol­ monobutylether zu einer Paste mit einer Viskosität von 30 Pa · s. Die Paste wird dann in der Dickfilm-Technik auf das Fenster (37) aufgedruckt, wobei für einen innigen Kontakt des Dickfilms mit den Elektrodenspitzen Sorge zu tragen ist. Das gasempfindliche Element (41) wird fertiggestellt durch Sintern des Films während 1 h an der Luft bei 1200°C.

Die Verbindungsleitung (13 b) aus netzartigen feinen Drähten aus korrosionsbeständigem Stahl wird an die Anschlüsse (1 b und 35 b) der Keramikplatte (1) angelötet. Die Verbindungsleitungen (13 a und 13 c) sind nickelplattierte Kupferdrähte geringer Stärke, angelötet an den Anschlüssen (1 a bzw. 1 c).

Es wurde nun die Wirkung des erfindungsgemäßen Sensors gegenüber einem Sensor nach dem Stand der Technik - Vergleichs-Sensor - untersucht. Die Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Widerstand R₂ in Form einer etwa 30 cm langen Verbindungsleitung (13 b) ist in Serie geschaltet zu dem Widerstand R₁ des spannungsteilenden Teils 31, welcher seinerseits in Serie geschaltet ist mit dem Widerstand R _H des wärmeentwickelnden Teils (25). Der Widerstand R _T des gasempfindlichen Elements (41) ist an die Grenze zwischen wärmeentwickelndem Teil - Widerstand R _H - und spannungsteilendem Teil - Widerstand R₁ - geschaltet, während das freie Ende von R _T aus dem Sensor geführt ist und mit dem selbstätigen Regler S in Verbindung steht, der nicht Gegenstand der Erfindung ist. Der Widerstand R _H ist geerdet. Zwischen Erde und dem freien Ende von R₂ befindet sich die Stromquelle oder Batterie, während das freie Ende von R _T über einen konstanten Vergleichswiderstand R _C außerhalb des Sensors mit dem Widerstand R₂ in Verbindung steht.

Die Leiter des Vergleichs-Sensors sind Kupferdrähte. In der folgenden Tabelle sind die Werte für die Widerstände R _H , R₁ und R₂ zusammengestellt.

Fig. 4 ist ein Diagramm über die Abhängigkeit des Widerstands R _T von der Abgastemperatur, in dem die entsprechenden Kurven für reiches oder mageres Abgas angegeben sind.

Der erfindungsgemäße Sensor und der Vergleichs-Sensor wurden mit dem Regelsystem S verbunden, und zwar als Sauerstoff- Sensor für einen 2-l-Motor mit elektronischer Brennstoff­ einspritzung. Die Stromquelle hatte eine Ausgangsspannung von 14 V. Fig. 5 zeigt die Spannungen am Punkt A, also entsprechend dem Ausgang der Batterie, und Punkt B an der Grenze zwischen den Teilen 25 und 31 (Fig. 3). Beim Vergleichs- Sensor betrug die A-B-Spannung etwa 1 V, unabhängig von der Abgastemperatur (Kurve a in Fig. 5).

Bei einer Abgastemperatur von 250°C betrug die Ausgangsspannung V _s des erfindungsgemäßen Sensors etwa 0,8 V für reiches und etwa 0 V für mageres Abgas. Dies zeigt, daß der erfindungsgemäße Sensor eine zufriedenstellende Ausgangsspannung hat. Bei steigender Abgastemperatur steigt die Ausgangspannung V _s für reiches Abgas etwas an auf etwa 0,9 V und gleichzeitig auch für mageres Abgas. Bei einer Abgastemperatur von 800°C ist die Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Sensors für mageres Abgas auf etwa 0,4 V angestiegen, und der Betriebsbereich schrumpft etwas, ist jedoch für die Praxis absolut ausreichend. Die Ausgangsspannungen des erfindungsgemäßen Sensors aus diesen Versuchen werden durch die ausgezogenen Kurven b in Fig. 6 angedeutet, während sich die unterbrochenen Kurven a auf die Werte des Vergleichs-Sensors beziehen.

Ist bei obigem Vergleichs-Sensor die Abgastemperatur hoch, so ist der Ausgang bei Magergas hoch. Der Grund dafür ist - wie sich aus Fig. 4 ergibt -, daß bei hoher Abgastemperatur der Widerstand R _T des gasempfindlichen Elements für Magergas (Fig. 4) geringer ist gegenüber dem Vergleichswiderstand T _C von 50 kΩ (Fig. 4) und da der Sensor-Ausgang vom Verhältnis des Bezugswiderstands (konstanter Widerstandswert R _C ) und dem Widerstand des gasempfindlichen Elements abhängt - also dem Verhältnis Bezugswiderstand/Gesamtwiderstand -, wird der Ausgang für Magergas hoch. Der Widerstand des gasempfindlichen Elements für reiches Abgas steigt schnell mit sinkender Abgastemperatur, wie sich aus der Fig. 4 ergibt. Dies beruht auf der schnellen Abnahme der Gasempfindlichkeit des Elements mit sinkender Temperatur. Der Ausgang des Sensors für Reichgas fällt bei 250°C.

Der Spannungsabfall zwischen den Punkten B und A bei dem er­ findungsgemäßen Sensor ergibt sich aus Fig. 5. Bei Betrieb ist das Regelsystem mit dem Sensor verbunden, und der Ausgang des Sensors wird gegen einen vorgegebenen Bezugswert (Fig. 6) verglichen, so daß Regelsignale gebildet werden, abhängig davon, ob der Ausgang des Sensors über oder unter dem Bezugsniveau ist. Wie sich aus Fig. 6 ergibt, läßt sich der erfindungsgemäße Sensor über einen weiteren Temperaturbereich betreiben als der Vergleichs-Sensor.

Der Grund, warum der erfindungsgemäße Sensor über einen weiten Temperaturbereich arbeitet, ist folgender: Ist die Stromquelle an den Sensor angeschaltet, wird in R _H Wärme erzeugt. Da im Heizkreis der wärmeentwickelnde Teil aus Platin mit positivem Temperaturkoeffizienten seines Widerstands besteht, steigt der Wert von R _H bei Wärmeentwicklung. Gleichzeitig wird auch der Widerstand R₁, der sich in Fortsetzung des wärme­ entwickelten Teils auf dem gemeinsamen Keramiksubstrat befindet, ebenfalls erwärmt und R₁ steigt somit mit Anstieg von R _H . Die Spannung zwischen den Punkten B und A bei Betrieb des gasempfindlichen Elements (41) hängt von dem Verhältnis

(R₁ + R₂)/(R₁ + R₂ + R _H )

ab, während beim Vergleichs-Sensor der Widerstand der Leitung vernachlässigbar ist, d. h. R₂≅0, so daß in obigem Verhältnis keine nennenswerte Veränderung eintritt, wenn die Werte für R₁ und R _H gleichzeitig ansteigen oder absinken. Daher ist die Spannung zwischen den Punkten B und A des Vergleichs-Sensors im wesentlichen konstant, selbst wenn die Abgastemperatur variiert (Kurve a in Fig. 5).

Andererseits hat R₂ bei dem erfindungsgemäßen Sensor des Wider­ standselements (13 b) einen definierten Wert; er befindet sich außerhalb des Sensors, so daß die Widerstandswerte von R₂ kaum durch die Temperatur an der Spitze des Sensors beeinflußt werden und im wesentlichen auf konstantem Niveau bleiben wird, selbst wenn die Temperatur im Sensor variiert. Die Spannung zwischen den Punkten A und B des erfindungsgemäßen Sensors sinkt daher mit steigender Gastemperatur, wie sich aus der Kurve b in Fig. 5 ergibt, da die Widerstandswerte R₁ und R _H mit steigender Temperatur steigen, während der Widerstandswert R₂ konstant bleibt, unabhängig von der Temperaturänderung des Sensors.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor beobachtet man bei den Kurven der Fig. 4 und Kurve b von Fig. 5 einen gewissen Synergismus, während der Ausgang V _s entsprechend Kurve b der Fig. 6 einen zufriedenstellenden Betrieb über einen weiten Temperaturbereich gestattet.

Die in Serie geschalteten Widerstände R₂ und R₁ können von einem fix angeordneten Widerstand in der Regeleinheit gebildet werden, jedoch vom Standpunkt der besseren Wärmeableitung und der Vermeidung örtlicher Wärmeerzeugung wird ein Widerstandselement (13 b) mit einem Widerstandswert entsprechend R₂ bevorzugt.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist eine ebene Keramikplatte mit den entsprechenden Leiterbahnen durch Platinieren erhalten worden. Der Keramikkörper kann jedoch auch zylindrisch sein oder eine beliebige andere Form aufweisen, und die Leiterbahnen können aus Wolfram oder einem anderen Metall bestehen.

Claims (2)

1. Sauerstoff-Sensor für Abgase aus einer Keramikplatte (1) mit einem ersten, zweiten und dritten Anschluß (35 a; 35 b; 35 c), einem Heizkreis - verbunden mit dem ersten Anschluß (35 a) - und dem zweiten Anschluß (35 b) an entgegengesetzten Seiten, wobei sich der Heizkreis auf der Keramikplatte (1) befindet, und einem wärmeentwickelnden Teil (25) - angeschlossen an den ersten Anschluß (35 a) -, einem gasempfindlichen Element (41) auf der Keramikplatte (1) über dem wärmeentwickelnden Teil (25), einer ersten Elektrode (27) und einer zweiten Elektrode (29) in dem gas­ empfindlichen Element (41) im Abstand voneinander, einer Verbindungsleitung (13 a) zu dem ersten Anschluß (35 a), einer Verbindungsleitung (13 b) zu dem zweiten Anschluß (35 b) und einer Verbindungsleitung (13 c) zu dem dritten Anschluß (35 c), dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkreis einen spannungsteilenden Teil (31) zwischen dem wärmeentwickelnden Teil (25) und der zweiten Verbindungsleitung (35 b) besitzt, daß das gasempfindliche Element (41) und der wärmeentwickelnde Teil (25) sich auf der gleichen Seite der Keramikplatte (1) befindet, daß die erste Elektrode (27) mit dem dritten Anschluß (35 c) in Verbindung steht, daß die zweite Elektrode (29) an die Grenzlinie zwischen dem wärmeentwickelnden Teil (25) und dem spannungsteilenden Teil (31) geschaltet ist und daß die Verbindungsleitung (13 b) einen solchen Widerstand besitzt, daß - durch Teilung der Heizspannung über die Ver­ bindungsleitung (13 b) und den Heizkreis - eine Sensorspannung an dieser Grenzlinie zwischen wärmeentwickelndem und spannungsteilendem Teil (25/31) für die Bestimmung des Widerstandes des gasempfindlichen Elements (41) zur Verfügung steht.

2. Sauerstoff-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikplatte (1) aus einer ersten und einer zweiten Platte (21; 23) mit einem Fenster (37) besteht, die übereinander angeordnet sind, so daß der Heizkreis, die erste Elektrode (27) und die zweite Elektrode (29) dazwischen zu liegen kommen und das gasempfindliche Element (41) das Fenster (37) der zweiten Platte (23) und die Spitzen der Elektroden (27; 29) bedeckt.