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Sensor zur Messung des Verhältnisses Luft/Kraftstoff
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Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Messung des Verhältnisses
Luft/Kraftstoff, beispielsweise für das Verhältnis Luft/Kraftstoff im Abgas eines
Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges.
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Bisher werden zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im
Abgas eines Verbrennungsmotors Zirkonoxid-Sauerstoffkonzentrations-Meßzellen verwendet.
Ein solcher Fühler nutzt zur Feststellung des Verbrennungsgrades beim theoretischen
Verhältnis
Luft/Kraftstoff die Tatsache aus, daß sich seine Ausgangsspannung beim theoretischen
Verhältnis Luft/ Kraftstoff abrupt verändert. Ein solcher Fühler wird beispielsweise
in einem System eingesetzt, welches den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges
in der Weise steuert, daß er beim theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff betrieben
werden kann. Bei dem oben beschriebenen Sauerstofffühler ergibt sich jedoch keine
relevante Änderung der elektromotorischen Kraft in einer reichen bzw. fetten Atmosphäre,
so daß eine präzise Messung des Verhältnisses Luft/Kraftstoff wauf der fetten Seite"
unmöglich ist.
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Deshalb werden auf der Seite des Luftansaugsystems verschiedene Einrichtungen
mit der Zielsetzung vorgesehen, eine offene Steuerung bzw. Regelung durchzuführen
und dadurch eine im wesentlichen konstante, reiche bzw. fette Atmosphäre aufrecht
zu erhalten. Bei einem solchen Steuersystem ergeben sich jedoch dadurch Schwierigkeiten,
daß die Regelung des exakten Verhältnisses Luft/Kraftstoff kostspielig wird; außerdem
reicht die bisher erzielbare Genauigkeit in der Steuerung des Verhältnisses für
die derzeitigen Anforderungen nicht aus.
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Weiterhin sind Sensoren entwickelt worden, die den gesamten Bereich
des Verhältnisses Luft/Kraftstoff erfassen sollen; solche Sensoren werden beispielsweise
in den japanischen Patentveröffentlichungen No. 340 77/1978 und No. 498 60/1982
beschrieben; wegen der aufgetretenen, technischen Schwierigkeiten ist jedoch bisher
keiner dieser Sensoren in der Praxis realisiert worden.
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In der erwähnten japanischen Patentveröffentlichung No.
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340 77/1978 wird ein Sauerstoff-Fühler des Typs beschrieben, bei dem
nicht-katalytische Elektroden, die aus Gold, Silber oder einem ähnlichen Material
hergestellt sind, als Meßelektroden verwendet und in einem Zirkonoxid-Rohr
im
Abgas angeordnet werden, um das Verhältnis Luft/Kraftstoff auf der reichen Seite,
vom theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff aus gesehen zu messen. Die oben erwähnten
Elektroden haben jedoch eine gewisse katalytische Funktion, so daß es zu einer die
Messung verfälschenden Gas-Adsorption kommt; deshalb ist die Reproduzierbarkeit
der Ausgangsspannung gering, d. h., insbesondere bei längerem Gebrauch führen gleiche
Verhältnisse Luft/Kraftstoff zu unterschiedlichen, schwankenden Ausgangsspannungen;
außerdem haben diese Elektroden in der Gasatmosphäre, insbesondere bei den vorhandenen,
erhöhten Temperaturen, nur eine relativ geringe Lebensdauer; und schließlich ist
die Ansprechgeschwindigkeit dieses Fühlers für die Belange der Praxis zu gering,
so daß er bisher nicht eingesetzt worden ist.
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Die japanische Patentveröffentlichung No. 498 60/1982 beschreibt ein
Verfahren, mit dem das Verhältnis Luft/ Kraft stoff sowohl auf der reichen als auch
auf der mageren Seite gemessen werden kann. Auch dieses Verfahren hat jedoch verschiedene
Nachteile, wobei insbesondere der bei der Messung erhaltene Stromwert extrem niedrig
ist, so daß eine aufwendige elektrische bzw. elektronische Verarbeitung dieses Stromwertes
durchgeführt werden muß; außerdem ist die Herstellung dieses Sensors aufwendig und
damit kostspielig; und schließlich erfüllen auch hier die Lebensdauer und das Ansprechverhalten
der Elektrode in der Gasatmosphäre bei hoher Temperatur und bei hohen Geschwindigkeiten
nicht die gestellten Anforderungen.
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Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Sensor für
das Verhältnis Luft/Kraftstoff zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile
nicht auftreten; insbesondere soll ein verbesserter Sensor vorgeschlagen werden,
der sich vergleichsweise kostengünstig herstellen
und in der Praxis
realisieren läßt.
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Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Sensor
zu schaffen, der das Verhältnis Luft/Kraftstoff im Abgas eines Verbrennungsmotors
mißt und dadurch die Regelung des Verhältnisses Luft/Kraftstoff ermöglicht, und
zwar sowohl für ein fettes Gemisch als auch für ein mageres Gemisch; auf diese Weise
läßt sich der Verbrennungswirkungsgrad des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges
verbessern und gleichzeitig die Nicht-Toxizität des Abgases gewährleisten.
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Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale erreicht.
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Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise:
Der Sensor für das Verhältnis Luft/ Kraftstoff, beispielsweise im Abgas eines Verbrennungsmotors,
nach der vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut, daß eine solide, massive, elektrolytische
Sauerstoff-Pumpe und eine solide bzw. massive, elektrolytische Sauerstoff-Konzentrationszelle,
die beide durch Befestigung von Elektroden an beiden Oberflächen einer massiven,
elektrolytischen Platte gebildet werden, einander gegenüber liegend, durch eine
Zwischen- oder Raumkammer getrennt, angeordnet sind, so daß das zu messende Gas
in die Kammer eingeführt werden kann; außerdem ist auf der seitlichen Oberfläche
wenigstens einer der beiden wesentlichen Komponenten, nämlich der Sauerstoff-Pumpe
und der Sauerstoff-Konzentrationszelle, gegenüber der oben erwähnten Kammer eine
mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Luftkammer vorgesehen, so daß der in der
Luft vorhandene Sauerstoff als
Sauerstoffquelle benutzt werden
kann.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor für
das Verhältnis Luft/Kraftstoff vorgeschlagen, der die folgende Kombination von Merkmalen
aufweist: Eine Sauerstoff-Pumpe mit einer Konstruktion, bei der Elektroden auf beiden
seitlichen Oberflächen einer massiven elektrolytischen Platte vorgesehen sind; eine
elektrische Spannung wird an die Elektroden angelegt; eine Sauerstoff-KonzentrationsmeBzelle
mit einer Konstruktion, bei der Elektroden auf beiden seitlichen Oberflächen einer
massiven elektrolytischen Platte vorgesehen sind; von den Elektroden wird ein Ausgangsstrom
abgenommen; eine Raumkammer bedeckt eine der Elektroden der Sauerstoffpumpe und
eine der Elektroden der Sauerstoff-Konzentrationmeßzelle, die gegenüber dieser Elektrode
angeordnet ist, und weist ein winziges Loch oder einen Zwischenraum für die Einführung
des zu messenden Gases auf; die seitliche Oberfläche der Sauerstoff-Pumpe und/oder
der Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle gegenüber der Raumkammer steht mit der Atmosphäre
in Verbindung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor
für das Verhältnis Luft/Kraftstoff vorgeschlagen, der die folgende Merkmalskombination
aufweist: Eine Sauerstoff-Mengenregelung und eine Zuführeinrichtung, die eine vorgegebene«Sauerstoffmenge
zuführt; eine Einrichtung zur Feststellung des chemischen Squivalenz-Punktes; und
eine Zwischenraum- oder Raumkammer mit einem winzigen Verteilungs- bzw. Dispersions-Loch,
in das eine beliebige Menge des zu messenden Gases eingeführt und durch die beiden
Einrichtungen gemessen wird; die Sauerstoff-Konzentrat ion des Meßgases in der Kammer
wird durch die Sauerstoff-Mengenregelung und die Zuführeinrichtung so gesteuert,
daß bei einem gewünschten Verhältnis Luft/Kraftstoff
das Meßgas
in der Kammer den chemischen Äquivalenz-Punkt erreicht; das Verhältnis Luft/Kraftstoff
des Meßgases außerhalb der Kammer wird durch ein Ausgangssignal von der Einrichtung
zur Feststellung des chemische Äquivalenz-Punktes gemessen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor
für das Verhältnis Luft/Kraftstoff vorgeschlagen, der die folgende Merkmalskombination
aufweist: Eine Sauerstoff-Mengenregelung und eine Zuführeinrichtung, die eine vorgegebene
Sauerstoffmenge zuführen; eine Einrichtung zur Feststellung des chemischen Äquivalenz-Punktes;
und eine Zwischenraum- oder Raumkammer mit einem winzigen Verteilungs- oder Dispersionsloch,
in das eine beliebige Menge des zu messenden Gases eingeführt und durch die beiden
Einrichtungen gemessen wird; die Sauerstoff-Konzentration des Meßgases in der Kammer
wird durch egelung und die Zuführeinrichtung so gesteuert, daß bei einem gewünschten
Verhältnis Luft/ Kraftstoff das Meßgas in der Kammer den chemischen Äquivalenz-Punkt
erreicht; das Verhältnis Luft/Kraftstoff des Meßgases außerhalb der Kammer wird
durch ein Ausgangssignal entsprechend der Mengenregelung durch die Sauerstoff-Mengenregelung
und die Zuführeinrichtung gemessen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Sensor für die Messung des Verhältnisses
Luft/Kraftstoff nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht
einer massiven, elektrolytischen Platte mit Elektroden auf beiden seitlichen Oberflächen,
Fig.
3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren massiven elektrolytischen Platte,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Abstandsstückes, Fig. 5 einen Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform eines Sensors für die Messung des Verhältnisses
Luft/Kraftstoff nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 6 eine graphische Darstellung
der charakteristischen Spannungsänderungen der Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle
bei einer Änderung des Pumpenstroms, Fig. 7 ein charakteristisches Diagramm der
Änderungspunkte des Ausgangssignals der Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle, aufgetragen
über dem Pumpenstrom und cem Verhältnis Luft/Kraftstoff, und Fig. 8 ein charakteristisches
Diagramm der Beziehung zwischen dem Pumpenstrom und dem Verhältnis Luft/ Kraftstoff
auf der mageren Seite.
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Im folgenden soll das Grundprinzip des Sensors für die Messung des
Verhältnisses Luft/Kraftstoff, beispielsweise im Abgas eines Verbrennungsmotors,
an Hand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben werden.
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Beispiel 1: Zwei dünne, blattförmige Platten, die jeweils Abmessungen
von 5 mm x 20 mm x 0,5 mm haben, werden aus einem gebrannten bzw. gesintertem ZrO2
-Körper geschnitten, der durch 10 Gew.-% Y203 stabilisiert ist. Anschließend werden
auf beiden Oberflächen jeder Platte durch bzw. Ablagerung im Vacuum Platinschichten
mit einer Dicke
von näherungsweise 2.000 Å in einer Größe von 3
mm x 4mm aufgebracht; dann erfolgt die Elektroplattierung der Elektroden in einer
Dicke von lum, wodurch eine massive, elektrolytische Platte 12a (12b) mit den Elektroden
15a, 15b (16a, 16b) entsteht, wie man in Figur 2 erkennt.
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Als nächstes werden zwei blattförmige Platten, die jeweils Abmessungen
von 5 mm x 20 mm x 1,5 mm haben, aus dem gleichen Material geschnitten, um die massive
elektrolytische Platte lla (leib) herzustellen, die in Figur 3 zu erkennen ist;
diese Platte weist eine Aussparung auf, so daß eine Oeffnung gebildet wird, die
mit der Atmosphäre in Verbindung steht, wenn diese Platte an der oben erwähnten
massiven elektrolytischen Platte 12a (12b) befestigt wird.
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Außerdem wird eine Platte mit den Abmessungen 5 mm x 5 mm x 1,5 mm
aus dem gleichen Material geschnitten; diese Platte wird dann mit einer Öffnung
mit den Abmessungen 4 mm x 4 mm versehen, wodurch eine Raum- bzw. Zwischenkammer
gebildet wird; außerdem wird in diese Platte ein Loch mit einem Durchmesser von
0,075 mm gebohrt, so daß ein winziges Verteilungs- bzw. Dispersionsloch 14 entsteht;
diese Platte ist in Figur 4 dargestellt und dient als Abstandsstück 13.
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Die oben erwähnten; aus den Figuren 2, 3 und 4 ersichtlichen Elemente
werden über ein Halteteil 3 im Abgasrohr 1 eines Verbrennungsmotors befestigt, wie
man in Figur 1 erkennt; auf die Verbindungsstellen der einzelnen, aneinander zu
befestigenden Teile ist eine Glas-Fritte bzw.
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-Masse aus Glas der NaO-SiO2-A1203-Serie aufgebracht, dessen Erweichungspunkt
bei 1.0000C liegt; anschließend wird diese Montagegruppe in einem Ofen auf 1.1500C
erwärmt, wodurch die einzelnen Komponenten miteinander verbunden werden.
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Im folgenden soll die Funktionsweise dieses Sensors unter Bezugnahme
auf Figur 1 beschrieben werden. Dabei dienen die massiven elektrolytischen Platten
lla und 12a als massive, elektrolytische Sauerstoff-Pumpe X auf der Basis von Zirkonoxid,
also für die Sauerstoff-Mengenregelung, und als Zuführeinrichtung. Weiterhin wird
eine massive, elektrolytische Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle Y auf der Basis
von Zirkonoxid, also eine Einrichtung zur Feststellung des chemischen Xquivalenz-Punktes,
durch die massiven elektrolytischen Platten llb und 12b gebildet. Das Abstandsstück
13 bildet eine Raumkammer B, die mit einem winzigen Dispersionsloch 14 versehen
ist, durch das ein Gas in die Kammer eingeführt und gemessen werden kann. Wird eine
Spannung an die Elektroden 15a, 15b der Sauerstoff-Pumpe X angelegt, so strömt Sauerstoff
aus der Bezugsluftkammer A, die zur Atmosphäre hin offen ist, in die Raumkammer
B.
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Außerdem erzeugt die Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle Y entsprechend
der Sauerstoff-Konzentrat ion in der Luftkammer A', die zur Atmosphäre hin offen
ist, so daß diese Luft als Bezugscas verwendet werden kann, und entsprechend der
Sauerstoff-Konzentration in der Raumkammer B eine Ausgangsspannung. Diese Ausgangsspannung
E kann durch die bekannte Nernst-Gleichung wie folgt ausgedrückt werden:
Dabei bezeichnen: R = Gaskonstante, T = die absolute Temperatur, F = Faraday-Konstante
PO2 = Partialdruck des Sauerstoffs im Bezugsgas, P01'2 = Partialdruck des Sauerstoffs
in dem zu messenden Gas.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß im fetten Bereich
des Verhältnisses Luft/Kraftstoff, vom theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff
aus gesehen, das zu messende Gas eine extrem geringe Sauerstoffkonzentration hat,
während der Anteil an brennbarem Gas abrupt zunimmt; deshalb ändert sich die Ausgangsspannung
der massiven elektrolytischen Sauerst off -Ronz entrationmeßz el le auf der Basis
von Zirkonoxid abrupt beim theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff; unter Ausnutzung
dieses Effektes dient die massive elektrolytische Sauerstoff-Konzentrationmeßzelle
auf der Basis von Zirkonoxid als Einrichtung zur Feststellung des theoretischen
Verhältnisses Luft/Kraftstoff. Der Sensor nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht
also die genaue Messung nicht nur des theoretischen Verhältnisses Luft/Kraftstoff,
sondern auch des Verhältnisses Luft/Kraftstoff, wenn es sich im fetten oder mageren
Bereich befindet, und zwar jeweils vom theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff
aus gesehen.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren 6 und 7 soll nun die Messung des
Verhältnisses Luft/Kraftstoff im fetten Bereich, vom theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff
aus gesehen beschrieben werden.
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Durch die Wirkung -der Sauerstoff-Pumpe X wird die Sauerstoff-Konzentration
in der Raumkammer B groß. Da jedoch das zu messende Gas in der Raumkammer B so eingestellt
wird, daß der chemische Äquivalenz-Punkt erreicht werden kann, verschiebt sich der
chemische Äquivaltenz-Punkt des Meßgases außerhalb der Raumkammer B stark zum fetten
Bereich hin.
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Da das Ausmaß dieser Verschiebung durch die eingeführte Sauerstoff-Menge
frei eingestellt werden kann, läßt sich ein beliebiges Verhältnis Luft/Kraftstoff
feststellen.
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Figur 6 zeigt eine graphische Darstellung der Änderungen des Ausgangssignals
der Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle Y für den Fall , daß das Abgas eine Temparatur
von 8000C hat und der Pumpenstrom 0 mA und 100 mA beträgt.
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Aus dieser graphischen Darstellung kann man erkennen, daß sich beim
Pumpenstrom 0 mA aufgrund der Eigenschaften dieses Sensors das Ausgangssignal merklich
beim theoretischen Verhältnis Luft/Kraftstoff von 14,6 ändert; wenn ein Pumpenstrom
von 100 mA fließt, nimmt die Sauerstoff-Konzentration in der Raumkammer B zu, wodurch
sich der Änderungspunkt des Ausgangssignals zu einem Verhältnis Luft/Kraftstoff
von 12 verschiebt. Damit wird also bestätigt, daß die Größe des Pumpenstromes und
das Verhältnis Luft/Kraftstoff bei einer merklichen Änderung des Ausgangssignals
die aus Figur 7 ersichtliche Beziehung haben.
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Ändert sich also der Pumpenstrom, und bezeichnet man den Punkt, an
dem eine gravierende Änderung des Ausgangssignals von der Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle
Y auftritt, mit I, so kann das Verhältnis Luft/Kraftstoff zu diesem Zeitpunkt aus
dem Kennliniendiagramm nach Figur 7 abgelesen werden können, nämlich das Verhältnis
R.
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Liegt das Verhältnis Luft/Kraftstoff auf der mageren Seite, vom theoretischen
Verhältnis Luft/Kraftstoff aus gesehen, so kann dieses Verhältnis auf folgende Weise
gemessen werden. Wenn die Funktion der massiven elektrolytischen Sauerstoff-Pumpe
X umgekehrt wird, (d. h., wenn die angelegte Spannung umgekehrt wird) um Sauerstoff
in die Raumkammer B abzugeben, und wenn dann eine Messung durch Änderung des Pumpenstroms
entsprechend dem Verhältnis Luft/Kraftstoff so durchgeführt wird, daß die Ausgangsspannung
von der massiven, elektrolytischen Sauerstoff-Konzentrationsmeßzelle Y 100 mV werden
kann, d. h., wenn der Partialdruck des Sauerstoffs sowohl in der Raumkammer
B
als auch in der Bezugsluftkammer A' vorgegebene Werte einnehmen kann, dann ergibt
sich die aus Figur 8 ersichtliche Kennlinie bei einer Gasauslaßtemperatur von 8000C.
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Aus dieser Kennlinie kann man ableiten, daß zur Messung des Verhältnisses
Luft/Kraftstoff im mageren Bereich der Pumpenstrom erfaßt werden kann.
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Beispiel 2: Zwei dünne, blattförmige Platten, die jeweils eine Abmessung
von 5 mm x 20 mm x 0,5 mm haben, werden aus einem gebackenen bzw. gesinterten ZrO2
Körper geschnitten, der durch 10 Gew.-% Y203 stabilisiert ist. Dann wird auf beide
Oberflächen jeder Platte durch Vacuum-Ablagerung eine Platinschicht mit einer Dicke
von näherungsweise 2.000 A aufgebracht; anschließend folgt Elektroplattieren der
Elektroden in einer Dicke von beim; dadurch entsteht die massive, elektrolytische
Platte 12a (12b) mit den entsprechenden Elektroden.
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In der nächsten Stufe werden zwei blattförmige Platten, die jeweils
Abmessungen von 5 mm x 20 mm x 1,5 mm haben, aus dem gleichen Material herausgeschnitten
und zu einer massiven, elektrolytischen Platte lla (llb) mit einer Aussparung verarbeitet,
so daß eine Öffnung gebildet wird, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, wenn
diese Platte mit der oben erwähnten massiven elektrolytischen Platte 12a (12b) verbunden
wird.
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Weiterhin wird eine Platte mit den Abmessungen 5 mm x 5 mm x 0,075
mm aus dem gleichen Material herausgeschnitten und als Abstandsstück 4 verwendet,
das eine Zwischenkammer C bildet.
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Die verschiedenen Bauteile werden auf die aus Figur 5 ersichtliche
Weise zusammengebaut, so daß die massiven
elektrolytischen Platten
12a, 12b aneinander stoßen; auf die Verbindungsstellen der einzelnen, aneinander
zu befestigenden Stellen wird eine Glas-Fritte bzw. -Schmelze der NaO-SiO2-A1203
Serie aufgebracht, wobei das Glas einen Erweichungspunkt von 1.0000C hat; die so
gebildete Montagegruppe wird in einem Ofen bei 1.1500 erwärmt und ausgeheizt, wodurch
die Komponenten miteinander verbunden werden.
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Der Sensor mit diesem Aufbau hat die gleiche Funktionsweise wie der
Sensor nach Beispiel 1, wobei die Raumkammer B mit einem winzigen Verteilungs- bzw.
Dispersionsloch 14 versehen ist; auch das Ausgangssignal dieses Sensors hat die
gleiche Kennlinie.
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