DE2350252B2 - Elektrochemischer messfuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, ein-

seitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, wobei die Katalysatorschicht über ein Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht und den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist und eine bis in den Bereich ihres Bodens reichende Leiterbahn besitzt, die ein flächig am Festelektrolytrohr anliegendes Anschlußteil hat, welches mit einem Kontaktteil in Verbindung steht.

Für derartige elektrochemische Meßfühler wurde bereits eine Reihe von Möglichkeiten vorgeschlagen, die die Verbindung von Anschlußteil und der im Innenraum des Meßfühler-Festelektrolytrohres verlaufenden Leiterbahn betreffen: Hartlöten. Festlegen in einem Glasschmelzfluß, Festklemmen in der Aufbohrung des Festelektrolytrohres. Alle diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß beim Anschließen eines Kabels an den Meßfühler (evtl. sogar schon beim Montieren eines anschlußseitigen Schutzrohres am Meßfühler) Biegekräfte am Anschlußteil auftreten, die zu Rissen oder Brüchen am Festelektrolytrohr oder im Glasschmelzfluß führen; Folge dieser Risse bzw. Brüche wäre der Ausfall des jeweiligen Meßfühlers.

Um diesem Mangel abzuhelfen, wurden auch bereits Meßfühler vorgeschlagen, deren Anschlußteil über ein verhältnismäßig langes und dadurch seitlich verbiegbares Verbindungsteil mit einem Steckkontakt verbunden ist; jedoch auch diese Lösung verhindert nicht vollständig die aufgeführten Nachfeile.

Bekamt ist darüber hinaus eine demontierbare Glassonde, die eine Druckfeder als Ausgleichselement für ihre ineinandersteckbaren Bauteile aufweist (DT-OS 20 21318), und außerdem ein elektrochemischer Meßfühler, der eine Zugfeder als Haltselement eines Glasstopfens besitzt (GB-PS 12 56 208); aber diese beiden Ausführungsformen von Sonden geben keinerlei Hinweis auf einen elektrochemischen Meßfühler, von dessen Festelektrolytrohr bzw. Glasschmelzfluß Biegekräfte ferngehalten werden sollen, welche beim Anschluß eines Kabels oder auch schon beim Montieren des Meßfühlers auftreten.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, an dessen Festelektrolytrohr und Glas-Schmelzfluß Risse und Brüche vermieden werden, die bei bekannten Meßfühlern beim Anschluß eines Kabels oder auch schon beim Montieren des Meßfühlers auftreten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kontaktteil in einer Isolierscheibe fixiert und gehalten ist, die direkt oder indirekt am Meßfühler-Gehäuse befestigt ist, und daß Leiterbahn-Anschlußteil und Kontakiteil über eine Druckfeder direkt oder indirekt elektrisch leitend miteinander verbunden sind; die Druckfeder fängt bei dieser Bauart des elektrochemischen Meßfühlers praktisch alle mechanischen Spannungen ab, die am Kontaktteil erzeugt werden.

Bei einer besonders einfachen Ausführung eines solchen Meßfühlers bedeckt die Leiterbahn mindestens teilweise die anschlußseitige, vorzugsweise kegel stumpfförmige Festelektrolytrohr-Stinifläche und auf dieser Stirnfläche liegt eine elektrisch leitfähiee < Druckscheibe als Anschl-jßteil auf, die die Leiterbahn berührt

Bei einer anderen, jedoch montierungsireundli-heren Ausführung eines erfindungsgemäßen Meßfühlers hat der Feste^ktrolytrohr-Hohiraum an seinem anschluß- _In seitigen hndabschnitt eine Aufbohrung, und auf der Aufbohrungs-Schulter liegt ein elektrisch leitfähiger mit Bodenloch versehener Topf als Anschlußtei! auf der die Leiterbahn berührt

Eine erfindungsgemäße Verbindung von Kontaktteil „ und Anschlußteil ist auch dann möglich, wenn die Kontaktierung und Abdichtung zwischen Änschiußteil und Leiterbahn durch eine nachgiebige, elektrisch Jeitfähige Masse erfolgen soll; hierfür hat der Festelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigen End abschnitt eine Aufbohrung, bis in die hinein die *° Leiterbahn hineinreicht, und auf der Leiterbahn liegt der Wulst eines rohrförmigen Anschlußteils auf, und auf der anschlußseitigen Fläche des Wulstes ist eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse angeordnet, die mittels « einer Druckhülse und Druckfeder zusammengepreßt ist Um den elektrochemischen Meßfühler schüuelfester auszuführen, ist es jedoch von Vorteil, wenn die nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung zwischen der Leiterbahn und dem Anschlußteil angeordnet ist so daß *, keine Reibungspunkte zwischen Leiterbahn und metallischem Änschiußteil entstehen; bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform hat der Festelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung, bis in die hinein die Leiterbahn hineinreicht, und ein von der Druckfeder belastetes rohrförmiges Anschlußteil drückt mit seinem Flansch auf die nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung, die auf der Aufbohrungsschulter aufliegt. — Diese Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise dadurch ausgestaltbar, daß mit der einen Druckfeder und einer zusätzlich nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Dichtung auch das Festelektrolytrohr in der Gehäuse-Längs-Bohrung abdichtend und elektrisch kontaktierend einbaubar ist dafür hat das Festelektrolytrohr an der Außenseite des anschlußseitigen Endabschnitts einen Bund, unter dessen Absatz sich ebenfalls eine nachgiebige elektrisch leitfähige Dichtung befindet, die auf einer Schulter in der Gehäuse-Längsbohrung aufliegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das anschlußseitige Ende eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößerter Darstellung (Druckscheibe auf Festelektrolytrohr-Stirnfläche),

F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgernäßen elektrochemischen Meßfühler ähnlich dem nach F1 g. 1, (Topf in Festelektrolytrohr-Aufbohrung),

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen elektrochemisehen Meßfühler ähnlich denen nach Fig. 1 und 2 (nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse in Festelektrolytrohr-Aufbohrung oberhalb Anschlußteil-Wulst) und

Fig.4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler in vergrößerter Darstellung (nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse in Festelektrolytrohr-Aufbohrung unterhalb des Anschlußteil- Flansches).

Elektrochemische Meßfühler nach der Erfindung arbeiten bekannterweise nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyt Bei den in den F i g. 1 bis 4 der Zeichnung dargestellten Meßfühlern ist das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxyd bestehende* Festelekirolytrohr mit 10, die auf der Außenseite des Festelektrolytrohres 10 befindliche, beispielsweise aus Platin bestehende Katalysatorschicht mit 11, die auf der Innenseite des Festelektrolytrohres 10 aufgetragene, beispielsweise ebenfalls aus Platin bestehende Leiterbahn mit 12 und das das Festelektrolytrohr 10 abdichtend und elektrisch leitend verbindende metallische Gehäuse mit 13 gekennzeichnet. In den F i g. 1 bis 4 ist auch das an der Stirnseite des Gehäuses 13 beispielsweise durch einen Bördelrand 14 befestigte Schutzrohr 15 mit Luftklappen 16 und auch die durch eine Sicke 17 und einen Bördelrand 18 im Schutzrohr 15 gehaltene Isolierscheibe 19 mit dem darin beispielsweise verstemmten Kontaktteil 20 gleich gekennzeichnet; das Kontaktteil 20 führt dabei durch einen Schlitz 21, hat an seiner zum Festelektrolytrohr 10 weisenden Seite einen Fixierzapfen 22 und einen Anschlag 23, mit dem er einerseits an der Isolierscheibe 19 und andererseits an der erfindungsgemäßen Druckfeder 24 anliegt.

In F i g. 1 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, bei der die auf der Innenseite des Festelektrolytrohres 10 befindliche Leiterbahn 12 vom nicht dargestellten Festelektrolytrohr-Boden bis hinauf auf die anschlußseitige Festelektrolytrohr-Stirnfläche 25 geführt ist und als Anschlußteil 26 liegt eine elektrisch leitfähige Druckscheibe 27 auf dieser Stirnfläche 25 mit der Leiterbahn 12 auf; diese Druckscheibe 27 enthält ein Loch 28 für den Luftdurchtritt und wird durch die vorgespannte Druckfeder 24 mit dem Kontaktteil 20 elektrisch leitend verbunden. Die Stirnfläche 25 wird vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildet und die Druckscheibe 27 dieser Form entsprechend angepaßt, so daß eine Fixierung der Druckscheibe 27 auf der Stirnfläche 25 erfolgt; um ein Verschieben der Druckscheibe 27 auf der Stirnfläche 25 mit Sicherheit auszuschließen, ist die Stirnfläche 25 noch mit einem tiinlaß 29 ausgestattet. Ein hochgezogener Loch-Rand 28' dient zur Fixierung der Druckfeder 24.

Die Abdichtung, Befestigung und Kontaktierung zwischen der Außenseite des Festelektrolytrohres 10 und dem Gehäuse 13 kann nach bekannten Verfahren wie z. B. mittels elektrisch leitfähigem Glasschmelzfluß, Hartlötung oder eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse erfolgen.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßfühler nach Fig.2, der im prinzipiellen Aufbau dem in Fig. 1 gezeigten entspricht, ist der Festelektrolytrohr-Hohlraum 30 anschlußseitig mit einer Aufbohrung 31 versehen, bis in die hinein die Leiterbahn 12 hineinragt; auf der mit 32 gekennzeichneten Aufbohrungs-Schulter liegt ein elektrisch leitfähiger, beispielsweise aus Nickel bestehender Topf 33 als Änschiußteil 26 auf, der für den Luftdurchtritt ein Etodenloch 34 und für den Ausgleich mechanischer Spannungen einen Längsspalt 35 aufweist. Dieser Topf 33 kann zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit z. B. mit einer dünnen Goldoder Platin-Schicht überzogen sein. Die Druckfeder 24 lieg, dabei in dem anschlußseitigen, größeren Teil des Topfes 33 und drückt mit ihrem anderen Ende an den Kontaktteil-Anschlae 23.

Die Abdichtung, Befestigung und elektrische Kontaktierung zwischen dem Festelektrolytrohr 10 und dem Gehäuse 13 erfolgt auf die gleiche Art wie bei dem Meßfühler nach F i g. I.

Der in Fi g. 3 dargestellte elektrochemische Meßfühler hat ebenfalls eine Hohlraum-Aufbohrung 31 im Festelektrolytrohr 10, bis in die hinein die Leiterbahn 12 hineinreicht. Auf der durch die Aufbohrung 31 gebildeten Schulter 36 liegt der koaxial gestaltete Wulst 37 eines rohrförmigen Anschlußteils 26 auf und oberhalb der anschlußseitigen Fläche des Wulstes 37 ist eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse 38 (z. B. Graphitpulver oder Kupferpulver) angeordnet, die mittels einer durch die Druckfeder 24 belasteten Druckhülse 39 zusammengepreßt wird und dadurch den elektrischen Kontakt zur Leiterbahn 12 herstellt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers ist in Fig.4 dargestellt; hierbei wird nämlich vermieden, daß das metallische Anschlußteil 26 direkt auf die Leiterbahn 12 drückt und infolge von Schüttelbeanspruchungen im Fahrzeug ein Aufreiben der Leiterbahn 12 und damit ein Funktionsunfähigwerden des Meßfühlers erfolgt. Bei diesem Meßfühler drückt die vorgespannte Druckfeder 24 auf den Anschlußteil-Flansch 40, der als Metallhülse auf das rohrförmige Anschlußteil 26 aufgeschweißt ist, und mit seiner Unterfläche auf eine nachgiebige elektrisch leitfähige Dichtung 41 drückt; diese Dichtung 41 liegt auf einer Schulter auf, die ebenfalls durch die Aufbohrung 31 des Festelektrolytrohr-Hohlraumes 30 gebildet ist. Die Leiterbahn 12 dieses Meßfühlers reicht ebenfalls bis in die Aufbohrung 31 hinein und steht mit dem Anschlußteil 26 über die Dichtung 41 in Verbindung; die Dichtung 41 setzt sich dabei aus 3 Ringen zusammen: Der mittlere Ring 43 besteht aus einer nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Masse (z. B. Graphitpulver) und die beiden äußeren Ringe 44 und 45 bestehen aus einem warmfesten, plastisch verformbaren Stoff wie z. B. Asbest, können jedoch auch durch dünnwandige, leicht verformbare Metallringe ersetzt werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der in den F i g. 1 bis

ίο 4 dargestellten Meßfühler erlaubt die Druckfeder 24 zusätzlich die gleichzeitige Befestigung, Abdichtung und Kontaktierung zwischen dem Festelektrolytrohr 10 und dem Gehäuse 13; hierfür ist das Festelektrolytrohr 10 an seiner Außenseite mit einem Bund 46 ausgerüstet und

■ 5 der durch den Bund 46 gebildete Festelektrolytrohr-Absatz 47 liegt auf einer nachgiebigen, elektrisch leitfähigen Dichtung 48, die der Dichtung 41 entspricht und indirekt auf einer Schulter 49 in der Längsbohrung

50 des Meßfühler-Gehäuses 13 aufliegt. Die Druckfeder to 24 wirkt damit über das Anschlußteil 26, die Dichtung

41, das Festelektrolytrohr 10 und die Dichtung 48, die auf die Längsbohrungs-Schulter 49 des Gehäuses 13 gepreßt wird.

Aus der F i g. 4 ist auch zu ersehen, daß das Gehäuse 2j 13 an seiner Außenseite mit einem Einschraubgewinde

51 und einem Schlüsselsechskant 52 für den Einbau in ein Abgasrohr versehen ist, und daß das abgasrohrseitige Ende des Festelektrolytrohres 10 von einer Schutzhülse 53 mit Luftklappen 54 schützend umgeben

ist, wobei die Schutzhülse 53 beispielsweise durch ihren anschlußseitigen Flansch 55 auf der Längsbohrungs-Schulter 49 des Gehäuses 13 festgelegt und verankert ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, wobei die Katalysatorschicht über ein Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht und den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite der Umgebungsluft ausgesetzt ist und eine bis in den Bereich ihres Bodens reichende Leiterbahn besitzt, die ein flächig am Festelektrolytrohr anliegendes Anschlußteil hai, welches mit einem Kontaktteil in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil (20) in einer Isolierscheibe (19) fixiert und gehalten ist, die direkt oder indirekt am Meßfühler-Gehäuse (13) befestigt ist, und daß Leiterbahn-Anschlußteil (26) und Kontaktteil (20) über eine Druckfeder (24) direkt oder indirekt elektrisch leitend miteinander verbunden ist.

2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (12) mindestens teilweise die anschlußseitige, vorzugsweise kegelstumpfförmige Festelektrolytrohr-Stirnflächi· (25) bedeckt, und daß auf dieser Stirnfläche (25) eine elektrisch leitfähige Drucktcheibe (27) als Anschlußteil (26) aufliegt, die die Leiterbahn (12) berührt

3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dali der Festelektrolytrohr-Hohlraum (30) an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die hinein die Leiterbahn (12) hineinreicht und daß auf der Aufbohrungs-Schulter (32) ein elektrisch leitfähiger, mit Bodenloch (34) versehener Topf (33) als Anschlußteil (26) aufliegt, der die Leiterbahn (12) fcerührt.

4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum (30) an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die hinein die Leiterbahn (12) hineinreicht, und daß auf der Leiterbahn (12) der Wulst (37) eines rohrförmigen Anschlußteils (26) aufliegt und auf der anschlußseitigen Fläche des Wulstes (37) eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse (38) angeordnet ist, die mittels einer Druckhülse (39) und Druckfeder (24) zusammengepreßt ist.

5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum (30) an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die hinein die Leiterbahn (12) hineinreicht und daß ein »on der Druckfeder (24) belastetes, rohrförmiges Anschlußteil (26) mit seinem Flansch (40) auf eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung (41) drückt, die auf der Aufbohrungs-Schulter (42) aufliegt.

6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Festelektrolytrohr (10) an der Außenseite des anschlußseitigen Endabschnitts einen Bund (46) hat, unter dessen Absatz (47) sich ebenfalls eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung (48) befindet, die auf einer Schulter (49) in der Gehäuse-Längsbohrung (50) aufliegt.