DE2855012A1

DE2855012A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in gasen, insbesondere in abgasen

Info

Publication number: DE2855012A1
Application number: DE19782855012
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Chem Dr Dietz; Karl-Hermann Dipl Phys Friese; Ernst Dipl Ing Linder; Helmut Maurer; Klaus Dipl Ing Dr Mueller; Franz Ing Grad Rieger; Bodo Ing Grad Ziegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-06-26
Also published as: US4283261A

Description

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12.12.1978 Zr/Sm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

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

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen, nach der Gattung des Hauptanspruches. Es ist schon ein derartiger Meßfühler aus der DE-OS 25 47 683 bekannt, der einen plattenförmigen Festelektrolyten mit beiderseits aufgebrachten, vom Meßgas umspülten Elektroden hat und ein von dem Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängiges Spannungssignal liefert (potentiometrischer Meßfühler). Weiterhin ist aus der DE-OS 19 54 663 ein solcher Meßfühler bekannt, der ebenfalls einen plattenförmigen Pestelektrolyten mit beider—

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seits aufgebrachten, vom Meßgas umspülten Elektroden hat, an dessen Elektrode jedoch eine Spannung angelegt ist, infolge welcher ein vom Sauerstoffgehalt des Meßgases abhängiger, durch Gasphasen-Diffusion begrenzter elektrischer Strom das Ausgangssignal des Meßfühlers liefert (polarographischer Meßfühler); in dieser DE-OS ist auch ein separates Heizelement für den Meßfühler beschrieben, welches den Pestelektrolyten auf die gewünschte Arbeitstemperatur einstellt. Erwähnt sei zu diesem letztgenannten polarographischen Meßfühler auch noch die DE-OS 27 11 880, gemäß der das Meßgas durch eine poröse Beschichtung auf der Meßelektrode diffundieren muß; dieser Meßfühler hat einen rohrförmigen Pestelektrolyten, dessen einer Endabschnitt geschlossen ist und dessen Innenraum mit einem Bezugsgas (Luft) versorgt wird.

Vorteile der Erfindung

Der elektrochemische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß er industriell einfach und kostengünstig zu fertigen ist, die Anwendung einer geringeren Wärmekapazität und damit ein schnelleres Ansprechen des Meßfühlers erlaubt, die einfache, für Großserien geeignete Ergänzung mit Heizelement und/oder Temperaturfühler ermöglicht, außerdem die Ausbildung zu einem potentiometrischen oder einem polarographischen Meßfühler oder sogar die Kombination von mehreren potentiometrischen und/oder polarographischen Sensorelementen in einem einzigen Meßfühler gestattet; die vorteilhaften Weiterbildungen des im Hauptanspruch be-

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schriebenen Meßfühlers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 den Längsschnitt durch einen potentiometrischen Meßfühler nach der Erfindung in vergrößerter Darstellung und zwar mit der Ansicht auf die Vorderseite des Sensorelementes ,

Figur 2 den Längsschnitt durch den Meßfühler nach Figur jedoch mit der Ansicht auf die Rückseite des Sensorele-r mentes,

Figur 3 den abgasnahen Endabschnitt eines vergrößert dargestellten, potentiometrischen Sensorelementes mit kammförmigen Elektroden und besonders vorteilhaft angeordnetem Heizelement,

Figur 4 den abgasnahen Endabschnitt eines vergrößert dargestellten, polarographischen Sensorelementes mit kammförmigen Elektroden,

Figur 5 den abgasnahen Endabschnitt eines vergrößert dargestellten, polarographischen Sensorelementes mit einer anderen Elektrodenanordnung (Haken/Platte), Figur 6 die Vorderseite des meßgasseitigen Endabschnitts eines vergrößert dargestellten Sensorelementes mit zwei Elektroden-Paaren,

Figur 7 den Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen, vergrößert dargestellten Meßfühler mit mehreren potentiometrischen und/oder polarographischen Sensorelementen und

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Figur 8 den Querschnitt durch den meßgasseitigen Endabschnitt eines vergrößert dargestellten Sensorelement-Blockes.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen, besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen, im Querschnitt rechteckigem Sensorelement 11, auf dem zusätzlich ein Temperaturfühler 12 und ein Heizelement 13 angeordnet ist, einem metallischen Gehäuse 14, das für den Einbau in ein nicht dargestelltes, das Meßgas führende Rohr mit einem Außengewinde 15 und einem Schlusselsechskant 16 versehen ist und in dessen Längsbohrung 17 eine Halterung 18, 18' und eine Abdichtung 19 für das Sensorelement 11 fixiert und befestigt ist, und aus einem Schutzmantel 20, der mit Abstand den dem Meßgas ausgesetzten Bereich des Sensorelementes 11 umgibt.

Das Meßfühler-Gehäuse 14 ist in seiner Längsbohrung 17 mit einer Schulter 21 versehen, auf der der Schutzmantel 20 mit seinem Flansch 22 aufliegt: der Schutzmantel 20 besteht aus Keramik und hat in seinem Boden 23 eine öffnung

24 für das Meßgas. Auf dem Schutzmantel-Flansch 22 liegt die aus Keramik bestehende Halterung 18 auf, welche scheibenförmig ist, einen Durchbruch 26 für die Durchführung des Sensorelementes 11 besitzt und mittels eines Randes

25 eine Vertiefung zur Aufnahme der Abdichtung 19 (Kitt, Glas) für den abdichtenden Einbau des Sensorelementes 11 bildet. Auf dem Rand 25 der Halterung 18 liegt die im we-

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sentlichen zylinderförmige, keramische Halterung 18' auf, welche die Abdichtung 19 nach oben hin begrenzt. Diese Halterung 18' besitzt außerdem einen Längsdurchbruch 27 für das Sensorelement 11 und an seinem oberen Ende eine Aufbohrung.28 des Längsdurchbruchs 27, in die der abgasferne Endabschnitt des Sensorelementes 11 hineinragt; zur lagerichtigen Fixierung der Halterung 18' in Bezug auf die Halterung 18 ist auf dem Rand 25 'der Halterung 18 eine Fixiernase 29 mit angeformt, die in ein nicht bezeichnetes, entsprechend angeordnetes Sackloch in der Halterung 18' hineinragt. Die Außenseite der Halterung 18' besitzt einen Absatz 3O₃ auf dem der Bördelrand 31 des Meßfühler-Gehäuses 14 aufliegt und demzufolge den Schutzmantel 20, die Halterungen 18 und 18' und die Abdichtung 19 im Meßfühler-Gehäuse 14 festlegt; Ausgleichselemente, die wegen unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der aus verschiedenen "Werkstoffen bestehenden Bauteile des Meßfühlers 10 angeordnet werden können und auch gegebenenfalls zu verwendende zusätzliche Dichtringe in diesem Bereich wurden nicht dargestellt. In die Außenseite der Halterung 18' ist neben der Aufbohrung 28 eine Fixiernut 32 für ein nicht dargestelltes Anschlußkabel mit eingeformt.

Das Sensorelement 11 besitzt eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytplatte 33, die im Querschnitt eine Breite von 8 mm und eine Dicke von 0,8 mm hat und im wesentlichem aus stabilisiertem Zirkondioxid besteht. Diese Festelektrolytplatte 33 ragt mit ihrem einen Endabschnitt in den vom Meßgas bespülten, vom Schutzmantel 20 umgebenen Bereich des Meßfühlers 10, führt durch den angepaßten Durchbruch 26 in der Halterung 18, durch die Abdichtung 19 und durch den Längsdurchbruch .27 in der Halterung 18' und

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endet mit ihrem anderen Endabschnitt in der Halterungs-Aufbohrung 28; für die Arretierung des Sensorelementes in Längsrichtung weist die Festelektrolytplatte 33 eine Querbohrung 3^ auf, in der sich die Abdichtung 19 verankert. Zur zusätzlichen Fixierung ist die Festelektrolytplatte 33 mit einer kragenartigen Manschette 35
abgestützt, die in der Halterung 18' von der Aufbohrung 28 bis in den Längsdurchbruch 27 hineinverläuft und bevorzugt aus Kunststoff besteht (z.B. aus Silikon-Kautschuk),

Auf der Vorderseite 36 der Festelektrolytplatte 33 sind im vom Meßgas umspülten Bereich zwei mit Abstand angeordnete, plattenförmige Elektroden 37 und 38 nach bekannten geeigneten Verfahren (Aufdrucken, Aufspritzen,
Aufdampfen) aufgebracht und diese mit ebenfalls auf die Festelektrolytplatte 33 aufgebrachten Leiterbahnen 39
bzw. 39' verbunden; die Leiterbahn 39 verläuft dabei an der linken Längsseite und die Leiterbahn 39' an der rechten Längsseite auf der Vorderseite -36 der Festelektrolytplatte 33. Beide Leiterbahnen 39 und 39' sind an den in der Halterungs-Aufbohrung 28 befindlichen Endabschnitt der
Festelektrolytplatte 33 geführt und dienen dort als elektrische Anschlußkontakte. Die Elektrode 37, die beispielsweise aus Platin besteht, und die Elektrode 38, die aus einem katalytisch weniger aktiven Material wie die Elektrode 37 besteht (z.B. aus Gold) und vorzugsweise auch die im vom Meßgas umspülten Bereich befindlichen Abschnitte der Leiterbahnen 39, 39' sind mit einer porösen Schutzschicht abgedeckt, die z.B. aus Magnesium-Spinell besteht, aber nicht dargestellt ist.

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Auf der Vorderseite 36 der Pestelektrolytplatte 33 ist außerdem nach irgendeinem bekannten geeigneten Verfahren der Temperaturfühler 12 (Thermoelement) aufgebracht, und zwar zwischen den Leiterbahnen 39 und 39' und nahe dem Elektroden-Paar 37 und 38. Dieser Temperaturfühler 12 und seine beiden ebenfalls zum anschlußseitigen Endabschnitt führenden Leiterbahnen 40 und 40' sind dabei von der Pestelektrolytplatte 33 mittels' einer nicht dargestellten Isolierschicht elektrisch getrennt; die Isolierschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen, das durch Plasmaspritzen auf die Pestelektrolytplatte 33 aufgebracht ist. Alternativ - wenn auch funktionell weniger gut - könnte ein solcher Temperaturfühler auch auf der Rückseite 4l der Pestelektrolytplatte 33 angeordnet sein.

Auf der Rückseite 4l der Pestelektrolytplatte 33 ist im vom Meßgas umspülten Bereich das schichtförmige Heizelement 30 (z.B. aus Platin) nach irgendeinem bekannten, geeigneten Verfahren (Aufdrucken, Aufspritzen, Aufdampfen) aufgebracht und mit s-einen beiden zum elektrischen Anschlußbereich führenden Leiterbahnen 42 bzw. 42' von der Pestelektrolytplatte 33 mittels einer nicht dargestellten Isolationsschicht getrennt; diese Isolationsschicht kann beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen und durch Plasmaspritzen auf die Pestelektrolytplatte 33 aufgebracht sein. Um unerwünschte Reaktionen zwischen dem Heizelement 13 und dem Meßgas zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn das Heizelement 13 auf seiner Außenseite mit einer dichten Schicht bedeckt ist, die in der Zeichnung auch nicht dargestellt ist und beispielsweise aus Glas bestehen kann. Anstelle der Anordnung eines solchen Heizelementes 13 auf der Pestelektrolytplatten-Rückseite 4l

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kann sich ein Heizelement auch auf der Pestelektrolytplatten-Vorderseite 36 befinden, bei Bedarf kann sogar auch auf der Vorderseite 36 und auf der Rückseite 41 je ein Heizelement aufgebracht sein.

In der Figur 3 ist der meßgasseitige Abschnitt eines Sensorelementes 43 dargestellt, bei dem die Pestelektrolytplatte 44 auf ihrer Vorderseite 45 Kammeleketroden 46 und

47 trägt. Diese Kammeleketroden 46 und 47 kämmen mit ihren Kammzinken 46' bzw. 47' ineinander und bilden dabei einen Zwischenraum 48. Auf der Rückseite dieser Pestelektrolytplatte 44 ist auf einer nicht dargestellten Isolationsschicht ein schichtförmiges Heizelement 49 derart angeordnet, daß es in demjenigen Bereich verläuft, dem auf der Pestelektrolytplatten-Vorderseite 45 der Zwischenraum

48 zwischen den Kammzinken 46', 47' entspricht (strichpunktiert dargestellt); aufgrund einer solchen Anordnung des Heizelementes 49 wird insbesondere derjenige Bereich der Pestelektrolytplatte 44 erwärmt, in dem der Sauerstoffionenfluß stattfindet. Erwähnt sei, daß die Kammzinken 46' bzw. 47' auch derart gestaltet sein können, daß die mit den Leiterbahnen 50 und 50' verbundenen Zinkenfüße breiter und/oder dicker dimensioniert sind als die freien Enden der Kammzinken 46' bzw. 47'; diese Maßnahme erlaubt ein Erzielen etwa gleicher Stromdichte in den verschiedenen Abschnitten der Elektroden 46 und 47. Anstelle geradlinig verlaufender Seiten der Kammzinken 46', 47' können auch zickzackförmige Seiten Verwendung finden; diese Maßnahme führt zur Verbesserung der Elektrodenaktivität des Sensorelementes 43. Dieses Sensorelement 43 ist in ein Gehäuse 14 einbaubar, wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.

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Der vorstehend beschriebene Meßfühler 10 mit Sensorelementen 11 oder 43 arbeitet bekannterweise als Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Pestelektrolyten und gibt ein vom Sauerstoffpartialdruck des Meßgases abhängiges Spannungssignal ab, wie es auch der bereits erwähnte, in der DE-OS 25 47 683 beschriebene Meßfühler tut.

Der in Figur 4 gezeigte Abschnitt eines Sensorelementes ist ebenfalls in einem Meßfühler 10 nach den Figuren 1 und 2 einbaubar; der meßgasseitige Endabschnitt dieses Sensorelementes 51 unterscheidet sich von dem Sensorelement 43 in Figur 3 im Aufbau nur dadurch, daß auf der einen, beispielsweise aus Platin bestehenden Elektrode 52 mit ihren Kammzinken 52' die poröse Schutzschicht als Diffusionsbarriere 53 für die Sauerstoffmoleküle im Meßgas umfunktioniert ist; diese Diffusionsbarriere 53 kann - wie die poröse Schutzschicht - auch aus Magnesium-Spinell bestehen, muß aber - entsprechend der gewünschten Art des Meßfühlers in einer bestimmten Porösität und/oder Schichtdicke ausgeführt sein. Es sei erwähnt, daß die Diffusionsbarriere 53 aber auch die Elektrode 54 mit bedecken darf und dann als poröse Schutzschicht zur Wirkung kommt. An die Elektrode 52 und die ebenfalls aus Platin bestehen könnende Gegenelektrode 54 eines Meßfühlers mit derartigen Sensorelementen 51 wird eine Spannung (etwa 1 Volt) angelegt und die Höhe des durch Gasphasendiffusion begrenzten elektrischen Stromes stellt einen vom Sauerstoffpartialdruck des Meßgases abhängigen Wert dar; Meßfühler mit derartigen Sensorelementen 51 bezeichnet man als polarographisehe Meßfühler, wie sie beispielsweise in den bereits genannten DE-OS'η 19 54 663 und 27 H 88Ο beschrieben sind.

Die Figur 5 stellt einen Abschnitt eines Sensorelementes 55 dar, bei dem auf einer Festelektrolytplatte 56 die

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beiden Elektroden 57 und 58 eine andere Konfiguration haben als die Elektroden in den vorstehend beschriebenen Beispielen: Die eine Elektrode 57, die im Falle eines polarographischen Meßfühlers mit einer schichtförmigen Diffusionsbarriere 59 bedeckt wäre, ist dabei als Platte und die andere Elektrode 58 als Haken ausgebildet, welcher die plattenförmige Elektrode 57 mit Abstand umgibt; die poröse Schutzschicht auf der Haken-Elektrode 58 wurde nicht dargestellt. Soll ein solches Sensorelement 55 als potentiometrischer Meßfühler Verwendung finden, so kann er den gleichen Aufbau beibehalten, gegebenenfalls ist jedoch die Dicke und/oder die Porosität der Schutzschicht und das Elektrodenmaterial den Anforderungen anzupassen. Es ist von Vorteil, wenn das auf der Rückseite der Festelektrolytplatte 56 angeordnete, nicht dargestellte Heizelement im wesentlichen in demjenigen Bereich verläuft, in dem sich auf der gezeigten Vorderseite der Festelektrolytplatte 56 der Zwischenraum 60 zwischen den Elektroden 57 und 58 befindet.

In der Figur 6 ist der meßgasnahe Abschnitt eines Sensorelementes öl gezeigt, auf dessen Festelektrolytplatte 62 sogar zwei Elektroden-Paare 63/63' und 64/64' mit ihren nicht bezeichneten Leiterbahnen und ein Temperaturfühler 65 angeordnet sind. Beide Elektroden-Paare 63/63' und 64/ 64' können dabei zxireckmäßigerweise auf einer einzigen Seite der Festelektrolytplatte 62 aufgebracht sein; der Abstand des Elektroden-Paares 63/63' vom Elektroden-Paar 64/64' ist derart gewählt, daß sich beide funktionell nicht beeinflussen. Das über Schutz- und Diffusionsschichten und die Auswahl des Elektrodenmaterial in den vorstehend geschilderten Beispielen Gesagte gilt hier ent-

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sprechend, insbesondere in der Hinsicht, daß die Elektroden-Paare 63/63' und 64/64' beide für je eine potentiometrische·oder beide für eine polarographische Messung oder das eine Elektroden-Paar für eine potentiometrische und das andere Elektroden-Paar für eine polarographische Messung benutzt werden kann. Der Temperaturfühler 65 (Thermoelement) ist gegenüber der Pestelektrolytplatte 62 und den Elektroden-Paaren 63/63* und 64/64' mittels einer Isolationsschicht 66 elektrisch getrennt. Auf der Rückseite der Pestelektrolytplatte 62 kann - wie in den anderen Beispielen - ein Heizelement angeordnet sein.

Eine Ausführungsform eines diesbezüglichen Meßfühlers 67, bei dem sich in einem metallischen Meßfühler-Gehäuse 70 mehrere Sensorelemente 68, 69 befinden, ist aus der Figur 7 ersichtlich: Bei den Sensorelementen 68 und 69, die in einem einzigen Gehäuse 70 befestigt sind, handelt es sich um Sensorelemente, wie sie in den vorstehenden Beispielen beschrieben sind. Sie sind dabei bevorzugt paarweise und parallel zueinander angeordnet, halten etwas Abstand voneinander und haben - sofern erforderlich - ihre Heizelemente 71 und 71' möglichst einander zugekehrt, um die Heizenergie gut zu nutzen. In den meisten Fällen genügt es, wenn nur eines der beiden paarweise angeordneten Sensorelemente 68 (oder 69) mit einem Heizelement Jl (oder 71') versehen ist und die beiden Sensorelemente 68 und 69 dicht beieinander angeordnet sind oder sogar direkt aufeinanderliegen; das Heizelement 71 (oder 71') ist dabei von den Festelektrolytplatten 72 und 73 elektrisch isoliert gehalten (z.B. mittels nicht dargestellter Isolationsschicht/en oder einem Luftspalt) .

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In der Figur 8 ist der meßgasseitige Endabschnitt eines Sensorelement-Blockes 74 gezeigt: Dieser Sensorelement-Block 74 hat zwei Elektrolytplatten 75 und 76, die mit ihren durch Isolatxonsschxchten 77 und 77' bedeckten Rückseiten einander zugekehrt sind und ein beiden gemeinsames Heizelement 78 einschließen; auf den nach außen weisenden Seiten tragen die Pestelektrolytplatten 75 und 76 je ein Paar von Elektroden 79 und 80 (oder je auch mehrere Paare) und gegebenenfalls nicht dargestellte Temperaturfühler, die mittels ebenfalls nicht dargestellter Isolatxonsschxchten von den Pestelektrolytplatten 75 und/bzw. 76 elektrisch isoliert sind. Der Sensorelement-Block 74 stellt eine fest zusammengebaute Einheit dar und kann gleichzeitig oder auch zeitlich nacheinander für potentiometrische und/oder polarographisehe Messungen verwendet werden.

Der in Figur 7 dargestellte Meßfühler 67, der die beiden Sensorelemente 68 und 69 aufweist (oder auch einen oder mehrere Sensorelement-Blöcke 74 gemäß Figur 8 enthalten kann), besitzt das metallische Meßfühler-Gehäuse 70 mit einem Außengewinde 80 und einem Schlüsselsechskant 82 für den Einbau in ein nicht dargestelltes Rohr, in dem das Meßgas strömt. Die meßgasseitigen Abschnitte der Sensorelemente 68 und 69 ragen in die Längsbohrung 83 dieses Gehäuses 70 und sind dabei mit Abstand von einem metallischen Schutzmantel 84 umgeben, der in seinem Boden eine öffnung 85 für das Meßgas und an seinem anderen Endabschnitt einen Plansch 86 aufweist. Auf diesem Schutzmantel-Flansch 86, der auf einer Schulter 87 in der Gehäuse-Längsbohrung 83 aufliegt, ist ein metallisches Reflexionsschild 88 angeordnet, durch dessen Mittelbohrung 89

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isoliert die Sensorelemente 68 und 69 führen und das die in diesem Bereich befindliche Wärme zu lokalisieren hilft; es ist für die Wärmelokalisierung von Vorteil, wenn die Innenseite des Schutzmantels 84 und die dem Schutzmantel 84 zugekehrte Seite des Reflexionsschildes 88 eine wärmereflektierende Oberfläche haben. Auf dem Randbereieh des Reflexionsschildes 88 steht der Flansch 90 einer Trägerhülse 91 auf, welche koaxial zur Gehäuse-Längsbohrung 83 verläuft. Durch einen Bördelrand 92 des Gehäuses 70 werden der Trägerhülsen-Flansch 90, das Reflexionsschild 88 und der Schutzmantel 84 auf der Gehäuse-Schulter 87 fixiert und festgelegt. Die Trägerhülse 91 hat oberhalb ihres Flansches 90 einige in einer Ebene liegende, in die Trägerhülsen-Bohrung 93 weisende Sicken 94 als Auflagen für eine Metallscheibe 95, durch deren Zentralbohrung 96 die Sensorelemente 68 und 69 führen und die als Stützelement für eine Anzahl von aufeinanderliegenden, an der Trägerhülse 91 anliegenden Dämmscheiben 97 dient. Diese Dämmscheiben 97 _s die z.B. aus Keramik bestehen, halten die Wärme von der Sensorelemente-Halterung 98 ab, die sich in der Trägerhülse 91 den Dämmscheiben 97 anschließt und aus einem Kunststoff (z.B. einem glasfaserverstärkten Duroplast) bestehen kann; anstelle von Kunststoff kann die Sensorelemente-Halterung 98 auch aus Glas oder Keramik bestehen. Vorteilhafterweise wird diese Sensorelemente-Halterung 98 durch Spritzgießen in die Trägerhülse 91 hergestellt, wobei gleichzeitig die Sensorelemente 68 und 69, das Reflexionsschild 88 und die Dämmscheiben 97 mit festgelegt werden; bei diesem Einspritzvorgang werden an die Sensorelemente-Halterung 98 auch Fixiernasen 99 mit angeformt, die sich in entsprechenden Wanddurchbrüchen 100 der Trägerhülse 91 verankern. Außerdem wird in die anschlußseitige Stirnfläche 101 der Sensorelemente-Halterung 98 auch gleich eine Aufbohrung 102 mit eingeformt,

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in die die diesseitigen Endabschnitte der Sensorelemente 68 und 69 hineinragen und die eine Pixiernut 103 für den nicht dargestellten Anschlußstecker besitzt; auf der Halterungs-Stirnfläche 101 ist ein Dichtring 104 angeordnet, der dem dichten Zusammenbau von Meßfühler 6j und dem genannten Anschlußstecker dient.

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Claims

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Ansprüche

l.¹ Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen, insbesondere in Abgasen, mit einem Sensorelement, das eine sauerstoffionenleitende, im wesentlichen rechteckige Pestelektrolytplatte besitzt, die in Längsrichtung innerhalb eines Metallgehäuses angeordnet ist und auf der sich mit Abstand voneinander angeordnete, dem Meßgas ausgesetzte Elektroden-Paare befinden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Elektroden-Paar (37/38; 46/47; 52/54; 57/58; 63/63', 64/64'; 79, 80) nur auf einer einzigen Seite (36; 45) der Pestelektrolytplatte (33; 44; 56; 62; 72, 73; 75, 76) angeordnet ist, vorzugsweise auf dem meßgasnahen Endabschnitt der Pestelektrolytplatte (33; 44; 56; 62; 72, 73; 75, 76), und daß mit den Elektroden (37, 38; 46, 47; 52, 54; 57, 58; 63, 63'; 64, 64'; 79, 80) in Kontakt stehende Leiterbahnen (39, 39'; 50, 50') bis zum meßgasfernen Anschlußbereich der Festelektrolytplatte (33; 44; 56; 62; 72, 73; 75, 76) führen und dort vorzugsweise als Anschlußkontakte dienen.

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2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zwischen den Elektroden-Paaren (46/47; 52/54; 57/58) verlaufenden Zwischenraumes (48; 60) möglichst lang ist, z.B. durch Anwendung von ineinanderragenden Kammelektroden (46/47; 52/54) oder durch die Kombination einer Platten- mit einer Hakenelektrode (57/58).

3. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Sensorelement (11; 61) ein Temperaturfühler (12; 65) (z.B. ein Thermoelement) befindet, welcher gegenüber den anderen Bauelementen mittels einer Isolierschicht (66) elektrisch getrennt und bevorzugterweise nahe den Elektroden (37/38; 63/63', 64/ 64') angeordnet ist.

4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Sensorelement (11; 43; 68, 69; 74) ein schichtförmiges Heizelement (13; 49; 71/71'; 78) befindet, welches gegenüber den anderen Bauelementen mittels einer Isolationsschicht elektrisch getrennt ist.

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5. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Heizelement (13; 49; 71, 71'; 78) auf derjenigen Seite (4l) der Pestelektrolytplatte (33; 44; 72, 73; 75, 76) befindet, die der Seite (36, 45) mit den beiden Elektroden (37/38; 46/47; 79, 80) entgegengesetzt ist.

6. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (49) auf der Pestelektrolytplatte (44) im wesentlichen in demjenigen Bereich dieser Seite (45) verläuft, dem auf der die Elektroden (46, 47) tragenden Seite (45) der Pestelektrolytplatte (44) der Zwischenraum (48) zwischen den Elektroden (46, 47) gegenüberliegt .

7. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch für den elektrischen Anschluß des Heizelementes (13; 49; 78) und des Temperaturfühlers (12; 65) Leiterbahnen (4C, 40', 42, 42') dienen, die bis zum elektrischen Anschlußbereich am meßgasfernen Endabschnitt des Sensorelementes (11, 43, 6l, 68, 69,

74) führen und dort vorzugsweise als Anschlußkontakt dienen.

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8. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (37, 46) auf dem Sensorelement (11, 43) katalytisch aktiv und die zweite Elektrode (38, 47) katalytisch weniger aktiv ist als die erste Elektrode (37, 46) und daß die an die Elektroden (37, 38; 46, 47) angeschlossene Leiterbahnen (39/39'; 50/50') das Signal des als elektrochemische Zelle wirkenden Meßfühlers (10) führen.

9· Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche bis 7i dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Elektroden (52, 54; 57, 58) mit einer Diffusionsbarriere (53; 59) für die Sauerstoffmoleküle des Meßgases versehen ist und daß an die Elektroden (52, 54; 57, 58) eine Spannung angelegt ist.

10. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere (53, 59) eine auf die Elektrode (52, 57) aufgebrachte poröse Schicht ist.

11. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßgas ausgesetzten Elektroden (37/38; 46/47; 52/54; 57/58; 63/63', 64/64'; 79, 80) und vorzugsweise auch die anderen dem Meßgas ausgesetzten Bauelemente wie Heizungselement (13;

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Zr/Sm

49; 7I₃ 71'; 78), Temperaturfühler (12; 65) und Leiterbahnen (39, 39', 40, 40', 42, 42·, 50, 50') - falls sie von keiner Diffusionsbarriere (53* 59) bedeckt sind eine Schutzschicht tragen, die im Bereich der Elektroden (37/38; 46/47; 52/54; 57/58; 63/63¹, 64/64'; 79, 80) porös ist.

12. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sensorelement (11; 43; 51; 55; 61; 68, 69; 74) derart in der Mittelbohrung (17; 83) eines rohrförmigen Meßfühler-Metallgehäuses (14; 70) befestigt ist, daß eine Abdichtung .(19; 97, 98) das Sensorelement (11; 43; 51; 55; 6l; 68, 69; 74) in den Bereich für das elektrische Anschließen und den vom Meßgas umspülten Bereich unterteilt.

13. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Metallgehäuse (70) die Sensorelemente (68, 69) paarweise mit Abstand zueinander angeordnet sind und daß dabei die Heizelemente (71, 71') der Sensorelemente (68, 69) vorzugsweise einander zugekehrt sind.

14. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Metallgehäuse (70) die Sensorelemente (75/79, 76/8O) paarweise direkt aneinanderlie-

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Zr/Sm

gen oder miteinander verbunden sind und daß dabei bevorzugterweise nur ein einziges Heizelement (78) zwischen den Sensorelementen (75/79, 76/80) angeordnet ist, dessen Elektroden (79, 80) nach außen weisen.

15· Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Meßgas ausgesetzte Bereich des Sensorelementes (11, 43; 51; 55; 6l; 68, 69; 74) mit Abstand von einem Schutzmantel (20, 84) umgeben ist, der das Meßgas dosiert dem Sensorelement (11; 43; 51; 55; 61; 68, 69; 74) zuführt.

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