DE2350252A1

DE2350252A1 - Elektrochemischer messfuehler

Info

Publication number: DE2350252A1
Application number: DE19732350252
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl-Ing Weyl; Bodo Ziegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-10-06
Filing date: 1973-10-06
Publication date: 1975-04-17
Also published as: SE7412484L; US3960692A; FR2247140A5; GB1483763A; NL7413124A; SE411644B; DE2350252B2; JPS5066295A; JPS5335476B2

Description

23. 8. 1973 Zr/Do

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7000 Stuttgart 1

Elektrochemischer Meßfühler

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen 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 auf v/eist, 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 Anschlußteil hat, welches mit

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einem Kontaktteil in Verbindung steht.

Es wurde bereits vorgeschlagen, elektrochemische Keßfühler mit einem Anschlußteil für die auf der Innenseite des Festelektrolytrohres verlaufende Leiterbahn herzustellen, bei dem das Anschlußteil mit dem seinem freien Endabschnitt befindlichen Steckkontakt durch Hartlöten, Festlegen in einem Glasschmelzfluß oder durch Festklemmen in der Aufbohrung des Festelektro— lytrohres festgelegt sind,, Beim Herstellen eines elektrischen Anschlusses an den Steckkontakt des Anschlußteils und auch beim Anbringen eines Schutzrohres mit Isolierscheibe um die Anschlußseite des Meßfühlers werden bei derartigen Konstruktionen Spannungen auf den Glasschmelzfluß bzw. das Festelektrolytrohr übertragen, die zu Beschädigungen am Glasschmelzfluß bzw. Festelektrolytrohr und damit zu Funktionsfehlern des elektrochemischen Meßfühlers führen. Um diesem Mangel abzuhelfen, wurden auch bereits Meßfühler vorgeschlagen, deren Steckkontakt durch ein verhältnismäßig langes und dadurch seitlich biegbares Verbindungsteil mit dem Anschlußteilverbunden war.

vcLL Da jedoch auch diese. Lösung nichtV'bef riedigt, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, bei dem "beim Herstellen eines elektrischen Anschlusses am Steckkontakt und beim Montieren des Schutzrohres mit Isolierscheibe am Gehäuse praktisch keinerlei Spannungen auf den Glasschmelzfluß bzw. das Festelektrolytrohr übertragen werden.—Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kontaktteil in einer Isolierscheibe fixiert und gehalten wird, die direkt oder indirekt am Meßfühler-Gehäuse befestigt ist _i und daß Leiterbahn—Anschlußteil und Kontaktteil über eine. Druckfeder direkt

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oder indirekt elektrisch leitend miteinander verbunden sind; die Druckfeder fängt bei dieser Bauart des elektrochemischen Heßfühlers praktisch alle mechanischen Spannungen ab, die am Kontaktteil erzeugt werden.

Bei einer besonders einfachen Ausführung eines solchen ließfühlers bedeckt die Leiterbahn mindestens teilweise die anschlußseitige, vorzugsweise kegelstumpfförmige lestelektrolytrohr-Stirnfläche und auf dieser Stirnfläche liegt eine elektrisch leitfähige Druckscheibe als Anschlußteil auf, die die Leiterbahn berührt.

Bei einer anderen, jedoch montierungsfreundlicheren Ausführung eines erfindungsgemäßen Meßfühlers hat der ITestelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung, und auf der Aufbohrungs-Schulter liegt ein elektrisch leitfähiger, mit Bodenloch versehener Topf als Anschlußteil auf, der die Leiterbahn berührt .

Eine erfindungsgemäßc Verbindung von Kontaktteil und Anschlußteil ist auch dann möglich, wenn die Kontaktierung und Abdichtung zwischen Anschlußteil und Leiterbahn durch eine nachgiebige, elektrisch leitfähig© Hasse erfolgen, soll; hierfür hat der Pestelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigem Endabschnitt 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 VuIstes ist eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Masse angeordnet, die mittels einer Druckhül/^S£nd Druckfeder zusammengepreßt ist.

Um den elektrochemischen Meßfühler schüttelfester auszuführen, ist es jedoch von Vorteil, wenn die nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung zwischen der Leiterbahn und

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dem Anschlußteil angeordnet ist , so daß keine Keibungspunkte zwischen Leiterbahn und metallischem Anschlußteil entstehen; bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform hat der Festelektrolytrohr-Hohlraum an seinem anschlußseitigem 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 V/eise dadurch ausgestaltbar, daß mit der einen Druckfeder und einer zusätzl. 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, elek trisch 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 zeigen:

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

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler ähnlich dem nach Fig. (Topf in Festelektrolytrohr-Auf bohrung),

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen elektrochemischen Meßfühler ähnlich denen nach Fig. 1 und 2 (nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtmasse in Festelektrolytrohr -Auf bohrung oberhalb Anschlußteil-Wulst) und 509816/0508

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Fig_e 4 eienen 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 ionen! eitendem Festelektrolyt„ Bei den in den Fig_o 1 bis 4 der Zeichnung daige stellten Meßfühlern ist das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxyd bestehende Festelektrolytrohr mit 10, die auf der Außenseite des Fest-

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elektrolytrohres befindliche, beispielsweise aus Platin bestehende Katalysatorschicht mit 11, die auf der Innenseite des Festelektrolytrohres 1.0 aufgetragene _fibeispiels~ weise ebenfalls aus Platin bestehende Leiterbahn mit 12 und das das Festelektrolytrohr 10 abdichtend und elektrisch leitend verbindende metallische Gehäuse mit 13 gekennzeichnete In den Fig_o 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 Festelektrblytrohr 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 Fig. 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 leit-

27 25

fähige Druckseheibe auf dieser Stirnfläche mit der Leiter-

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bahn 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 Einlaß 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_B 1 gezeigtem entspricht, ist der Festelek'trolytrohr-Hohlraum JO anschlußseitig mit einer Aufbohrung 31 versehen, bis in die hinein die Leiterbahn 12 hineinragt; auf der mit 32 gekennzeichneten Aufbohrung-Schulter liegt ein elektrisch leitfähiger, beispielsweise aus Nickel bestehender Topf 33 als Anschlußteil 26 auf, der für den Luftdurchtritt ein Bodenloch 34 und für den Ausgleich mechanischer Spannungen einen Längsspalt 35 aufweist. Dieser Topf 33 kann zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit z. B. mit einer ^dünnen Gold-oder Platin-Schicht überzogen sein. Die Druckfeder 24 liegt dabei in dem anschlußseitigen, größeren Teil des Topfes 33 und drückt mit ihrem anderen Ende an den Kontaktteil-Anschlag 23.

Die Abdichtung, Befestigung und elektrische Kontaktierung zwischen dem Festelektrolytrohr 10 und dem Gehäuse 13 er folgt auf die gleiche Art wie bei dem Meßfühler nach Fig.

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Der in Fig. 3 dargestellte elektrochemische Meßfühler hat ebenfalls eine Hohlraum-Aufbohrung 31 im Festelektrolytrohr 10, bis in die hinein die Leiterbahn12 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 J>8 (z. B. Graphitpulver oder Kupferpulver ) angeordnet, die mittels einer durch die Druckfeder 24. belasteten Druck hülse zusammengepreßt wird und dadurch den elektrischen Kontakt zur Leiterbahn 12 herstellt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgenäßen 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 Funktionunfähigwerden des Meßfühlers erfolgt. Bei diesem Meßfühler drückt die vorgespannte Druckfeder 24 auf den Anschlußteil-Flansch 40, der als Metallbül"^rauf das rohrförmige Anschlußteil aufgeschweißt ist, und mit seiner Unterfläche auf eine nachgiebige elektrisch leitfähige Dichtung 41 drückt; diese Dichtung 41 liegt auf einer Schulter 42 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.

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Bei einer weiteren Ausgestaltung der in den Fig. 1 bis 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 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 24 xtfird damit über das Anschlußteil 26, die Dichtung 41, das Festelektrolytrohr 10 und die Dichtung 48 auf die Längsbohrungs-Schulter 49 des Gehäuses 13 gepreßt.

Aus der Fig. 4 ist auch zu ersehen, daß das Gehäuse 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 festgelegt ^un& verankert ist.

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Claims

Ansprüche

' 1.1 Elektrochemisclier 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 Anschlußteil hat, welches mit einem Kontaktteil in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil (20) in einer Isolierscheibe (19) fixiert und gehalten wird, die direkt oder indirekt am Meßfühler-Gehäuse (13) befestigt ist^und ätß Leiterbahn-Ansehlußteil (26) und Kontaktteil (20) über eine Druckfeder (24) direkt oder indirekt elektrisch leitend miteinander verbunden sind«
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (12) mindestens teilweise die anschlußseitige, vorzugsweise kegel-

stumpfförmige Pestelektrolytrohr-Stirnflache (25) bedeckt, und daß auf dieser Stirnfläche (25) eine elektrisch leitfähige Druckscheibe (2?) als Anschlußteil (26)

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aufliegt, die die Leiterbahn (12) berührt.
3- 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 auf der Aufbohrungs-Sehulter (32) ein elektrisch leitfähiger, mit Bodenloch (3^) versehener Topf (33) als Anschlußteil (26) aufliegt, der die

. Leiterbahn (12) berührt.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum (30) an seinem anschlußseitigem 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 ge- -" kennzeichnet, daß der Festelektrolytrohr-Hohlraum (30')'

' an seinem anschlußseitigen Endabschnitt eine Aufbohrung (31) hat, bis in die hinein die Leiterbahn (12) hinein-

• reicht und daß ein von der Druckfeder (24) belastetes, rohrförmigBß Anschlußteil(26) mit seinem Flansch (40)

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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 Ab-. satz (47) sich ebenfalls eine nachgiebige, elektrisch leitfähige Dichtung (48) befindet, die auf einer Schulter (49) in der' Gehäuse-Längsbohrung (50) aufliegt. ·-

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