DE2909201C2 - Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschninen - Google Patents

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftmaschninen

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Description

Gehäuses 12 aufliegt und demzufolge die Halterungen 16 und 16' und die Abdichtung 17 im Gehäuse 12 festliegen; um das Sensorelement 11 innerhalb des Durchbruches 19 bzw. innerhalb des Längsdurchbruches 22 in Längsrichtung festzulegen, ist das Sensorelement 11 mit einem Querloch 27 und/oder Ausnehmungen 27' versehen, in denen sich die Abdichtung 17 verankern kann. Zur zusätzlichen Fixierung ist das Sensorelement 11 mit einer kragenartigen Manschette 28 abgestützt, die in der Halterung 16' von der Aufbohrung 23 bis in den Längsdurchbruch 22 hinein verläuft und bevorzugt aus Kunststoff besteht (z. B. aus Silikon-Kautschuk). Auf die Darstellung von Ausgieichselementen, die wegen unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Bauteile des Meßfühlers 10 angeordnet werden können, und auch auf die Darstellung von gegebenenfalls zweckmäßigerweise anzuordnenden zusätzlichen Dichtungen wurde verzichtet In die Außenseite der Halterung 16' ist neben der Aufbohrung 23 eine Fixiernut 23/1 mit eingeformt, die dem seitenrichtigen Aufstecken eines nicht gezeigten Anschiußsteckers dienL
Das Sensorelement 11 hat einen Traget 29, der aus einer länglichen Platte eines porösen, elektrisch isolierenden Materials wie Keramik besteht und eine Dicke von etwa 0,6 mm und eine Breite von 5 mm besitzt. Diese Trägerplatte 29 schließt meßgasseits mit seiner stirnseitigen Schmalseite 29/3 etwa bündig mit dem Metallgehäuse 12 ab und benötigt demzufolge nicht unbedingt zusätzlicher bekannter Schutzmittel gegen Temperaturschocks und aufprallende Partikel des Meßgases. Auf einer Großfläche dieses Trägers 29 ist ein Elektrodenpaar 30, 31 einschließlich Leiterbahn 30/1, 31/1 und Anschlußkontakten 30/2 und 31/2 nach einem bekannten Verfahren wie Aufdrucken, Aufwalzen oder ähnlichem aufgebracht Die Elektroden 30 und 31 sind im vorliegenden Beispiel kair.mfSnnäg gestaltet (können aber auch von anderer Konfiguration sein), wobei die einzelnen (nicht bezeichneten) Kammzinken mit Abstand inainanderkämmen und aus einer 7 μίτι dicken porösen Platmschicht bestehen; auch die Leiterbahnen 30/1 und 31/1 sowie die Anschlußkontakte 30/2 und 31/2 können aus Platin bestehen. Diese Elektroden 30 und 31 sind über die Leiterbahnen 30/1 und 31/1 bzw. über deren Anschlußkontakte 30/2,31/2 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle versehen, wie es bei einem wie hier beschriebenen polarographischen Meßfühler seit langem bekannt ist (siehe z. B. DE-OS 27 11 880). Zwischen diesen Elektroden 30 und 31 wird ein Festelektrolyt 32 gedruckt, der für Sauerstoffionen leitend ist, beispielsweise aus stabilisiertem Zirkondiox id besteht und bei der praktischen Ausführung auch die nicht bezeichneten Außenseiten der Elektroden 30 und 31 und zumeist auch die dem Träger 29 abgewendeten Großflächen der Elektroden 30 und 31 geringfügig überdeckt Auf diese Elektroden 30 und 31 und den Festelektrolyten 32 und auch über die Träger-Schmalseiten 29/1, 29/2 und 29/3 ist eine gasundurchlässige Isolierschicht 33 angeordnet, die beispielsweise aus keramischem Glas besteht und eine Dicke von 20 μπι hat Diese Isolierschicht 33 deckt auch die Elektroden-Leiterbahnen 30/1 und 31/1 so weit ab, daß nur deren Anschlußkontakte 30/2 und 31/2 unbedeckt bleiben.
Auf der isolierschicht 33 ist im Bereich der Elektroden 30 und 31 ein schichtförmiges Heizelement 34 angeordnet, das z. B. aus Platin bestehen und zickzackförmig verlaufen kann; das schichtförmige Heizelement 34 hat eine Dicke von etwa 10 μπι und ist über nicht bezeichnete Leiterbahnen mit Anschlußkontakten 34/1 und 34/2 verbunden, die sich am meßgasfernen Endabschnitt des Sensorelementes 11 befinden. Zum Schutz gegen Oxydation und Durchbrennen ist dieses Heizelement 34 und seine nicht bezeichneten Leiterbahnen von einer Elektroisolierschicht 35 völlig überdeckt die z. B. aus Aluminiumoxid bestehen und eine Dicke von 15 μχη haben kann. Das Heizelement 34 ist von dem Festelektrolyten 32 nur durch die dünne Isolierschicht 33 getrennt und
ίο demzufolge in der Lage, den Festelektrolyten 32 mit verhältnismäßig geringer Leistung sehr schnell auf die erforderliche Arbeitstemperatur von etwa 700'C zu bringen und auch auf dieser Temperatur zu halten.
Der Träger 29 ist in seiner Porösität derart eingestellt
daß er für Sauerstoffmoleküle einen bestimmten Diffusionswiderstand bildet; die erforderliche Porösität kann dabei durch die bekannte Anwendung entsprechender Hohlraumbildner (z. B. organische Bindemittel), durch Preßbedingungen oder Wärmebehandlung entspre chend eingestellt werden. Es ist zusätzlich aber auch noch möglich, die Porösität des Trägers 29 dadurch noch genauer einzustellen, daß in der dem Meßgas direkt ausgesetzten Großfläche 36 des Trägers 29 nachträglich Vertiefungen 37 im Bereich der Elektroden 30 und 31 eingearbeitet werden, die von beliebiger Form sein können, bevorzugt jedoch als Sackiöcher oder Schlitze ausgebildet sind.
Es sei zu dem vorstehend geschilderten Beispiel noch ergänzt daß außer den Elektroden 30 und 31 auch die anderen Schichten durch bekannt2 Druck-, Walz-,
Tauchverfahren oder ähnliches auf dem Sensorelement
11 aufgebracht werden und das gesamte Sensorelement 11 durch Sintern verfestigt wird.
Anstelle des im vorstehenden Beispiel beschriebenen
Sensorelementes 11, das nach dem polarographischen Meßprinzip arbeitet ist ein solches Sensorelement mittels einiger Veränderungen in ein Sensorelement umzuwandeln, das nach dem bekannten potentiometrischen Meßprinzip arbeitet (siehe DE-OS 25 47 G83):
1. Die an die Elektroden 30 und 31 angelegte Spanungsqelle kann entfallen, da ein solcher potentiometrischer Meßfühler selbst als elektrochemische Zelle wirkt und eine Spannungsändeiung als Signal abgibt
2. Während eine der beiden Elektroden 30 oder 31 die Einstellung des Gasgleichgewichts katalysieren muß (und das kann eine poröse Platinelektrode wie im Sensorelement 11) muß die zweite Elektrode 30
so bzw. 31 aus einem katalytisch weniger aktiven Material wie z. B. Gold bestehen. Die poröse Trägerplatte 29 dient bei einem solchen potentiometrischen Meßfühler allein als Schutzschicht für die Elektroden 30 und 31 gegenüber dem Heißgas und sie kann demzufolge noch dünner ausgeführt und/ oder mit m«.iir Vertiefungen 37 ausgestattet werden als es beim polarographischen Sensorelemuu 11 der Fall ist
Die vorstehend beschriebenen Sensorelemente sind vorzüglicn mit Fertigungsmethoden herzustellen, die für eine Massenproduktion besonders geeignet und, besitzen eine äußerst hohe Ansprechempfindlichkeit und erfordern eine verhältnismäßig geringe Heizleistung zu ihrem Betrieb.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 schinen, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein sol- Patentansprüche: eher Meßfühler, der prinzipiell aus der DE-OS 28 26 515 bekannt ist, benötigt trotz der geringen Wärmekapazi-
1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestim- tat eines Sensorelementes bei jeder Inbetriebnahme mung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere 5 noch eine relativ lange Zeit bis zum Ereichen seiner in Abgasen von Brennkraftmaschinen, mit einer erforderlichen Arbeitstemperatur von etwa 700° C
elektrisch isolierenden Trägerplatte, auf deren einer Gasundurchlässige Isolierschichten, die bei Sauer-Großfläche sich im Meßgasbereich zwei im Abstand Stoffsensoren auf Festelektrolyt-Basis Verwendung finzueinander angeordnete schichtförmige Elektroden den und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfinbefinden, die mittels Leiterbahnen mit dem meßgas- io dung zur Anwendung gelangen, sind bereits bekannt fernen Endabschnitt der Trägerplatte verbunden und beispielsweise in der DE-OS 26 19 746 beschrieben, und in einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen schicht auf der Trägerplatte eingebettet sind, da- elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, der bei jeder durchgekennzeichnet, daß die Festelektro- Inbetriebnahme infolge einer noch weiter verringerten lytschicht (32) mit den Elektroden (30,31) und bevor- 15 Wärmekapazität des Sensorelementes innerhalb kürzezugterweise auch die an der Festelektrolytschicht sttr Zeit seine Arbeitstemperatur erreicht.
(32) angrenzenden Schmalseiten (29/1, 29/2, 29/3) Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die
der Trägerplatte (29) völlig mit einer gasundurchläs- im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten
sigen Isolierschicht (33) überdeckt sind und daß die Merkmale gelöst In den Unteransprüchen sind Weiter-
Trägerplatte i29) für die Sauerstoffmoleküle des 20 bildungen des im Hauptanspruch beschriebenen Meß-
Meßgases durchlässig ist fühlers beansprucht, die unter anderem die Ansprech-
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, empfindlichkeit des Sensoreiementes sowohl bei jeder dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (29) Inbetriebnahme als auch während des Betriebes noch auf der dem Meßgas ausgesetzten Großfläche (36) weiter vorteilhaft beeinflussen.
Vertiefungen (37) hat, die insbesondere im Bereich 25 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
der Elektroden (30, 31) angeordnet sind und dem Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be-
Einstellen der Trägerplatte (29) «uf die gewünschte Schreibung näher erläutert Es zeigt
Gasdurchlässigkeit dienen. F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Meßfühler nach
3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1 der Erfindung in vergrößerter Darstellung, bei dem der oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gasun- 30 meßgasnahe Endabschnitt des beheizbaren Sensoreledurchlässigen Isolierschicht (33) ein schichtförmiges mentesnachderLiniei-IinF i g. 2gezeigtwird,und
Heizelement (»*) aufgebracht ist welches bevorzug- F i g. 2 einen Querschnitt durch den noch weiter verterweise völlig mit einer-egen Oxydation schützen- größen dargestellten Endabschnitt des Sensorelemenden Elektroisolierschicht (?5) überdeckt ist tes nach der Linie II-II in F i g. 1.
4. Elektrochemischer Meßfühlt - nach einem der 35 Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte elektrochemi-Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die sehe Meßfühler 10 für die Bestimmung des Sauerstoff-Trägerpiatte (29) in der Längsbohrung (15) eines gehalies in Gasen, insbesondere in Abgasen von Ver-Metallgehäuses (12) in Längsrichtung derart einge- brennungsmotoren, besteht im wesentlichen aus dem baut ist so daß eine Abdichtung (17) die Trägerplat- eigentlichen beheizbaren Sensoreiemcm 11, einem mete (29) in e<nen meßgasnahen, mit den Elektroden 40 tallischen Gehäuse 12, das für den Ein&ju des Meßfüh-(30,31) versehenen Abschnitt und einen meßgasfer- lers 10 in ein nicht dargestelltes, das Meßgas führende nen, mit den Leiterbahn-Kontakten (30/2,31/2) ver- Rohr mit einem Außengewinde 13 und einem Schlüsselsehenen Abschnitt unterteilt sechskant 14 versehen ist und in dessen Längsbohrung
5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der 15 eine Halterung 16,16' und eine Abdichtung 17 für das Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, d?ß eine 45 Sensorelement 11 fixiert und befestigt ist Das Meßfühder Elektroden (30 oder 31) die Einstellung des Gas- ler-Gehäuse 12 ist in seiner Längsbohrung 15 mit einer gleichgewichts katalysiert und daß die an die Elektro- Schulter 18 versehen, auf der die ringscheibenförmige, den (30, 31) angeschlossenen Leiterbahnen (30/1, aus einem Isolierstoff wie Keramik bestehende Halte-31/l)am meßgasfernen Endabschnitt der Trägerplat- rung 16 aufliegt Die« Halterung 16 besitzt einen millte (29) als Kontakte (30/2,31/2) dienen, über die das 50 leren Durchbruch 19 für die Durchführung des Sensor-SignaldesalselektrochemischeZellewirkendenMeßelementes 11 und ist auf seiner Oberseite 20 um den fühlers(10)führt(poientiometrisches Meßprinzip). Durchbruch 19 heraum mit einem Einlaß 21 verschen,
6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der derdie Abdichtung 17(Kitt,Glasoderähnliches)fürdcn Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die abdichtenden Einbau des Sensorelementes 11 aufnimmi. Trägerplatte (29) zumindest im Bereich der Meß- 55 Auf dieser Oberseite 20 der Halterung 16 liegt die im elektrode (30 oder 31) für Sauerstoffmoleküle einen wesentlichen zylinderförmige, keramische Halterung definierten Diffusionswiderstand aufweist und daß 16' auf, welche nach oben hin auch die Abdichtung 17 die an die Elektroden (30, 31) angeschlossenen Lei- begrenzt und einen Längsdurchbruch 22 für die Durchterbahnen (30/1, 31/1) am meßgasfernen Endab- führung des Sensorelementes 11 hat; der meßgasfcrnc schnitt der Trägerplatte (29) als Kontakte (30/2, 60 Endabschnitt dieser Halterung 16' ist als Aufbohrung 23 31/2) dienen, die zum Anlegen einer Spannung vor- ausgebildet, in die der abgasferne Endabschnitt des Scngesehen sind und über die das Signal des Meßfühlers sorelementes 11 hineinragt. Zur lagerichtigen Fixierung (10) führt (polarographisches Meßprinzip). der Halterung 16' in bezug auf die Halterung 16 ist auf
der Oberseites 20 der Halterung 16 eine Fixiernasc 24
65 mit angeformt, die in ein nicht bezeichnetes, entsprc-
Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen chend angeordnetes Sackloch in der Halterung 16' hin-
Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes einragt. Die Außenseite der Halterung 16' besitzt einen
in Gasen, insbesondere in Abgasen von Brennkraftma- Absatz 25, auf dem der Bördelrand 26 des Meßfühler-
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