專利名稱：測(cè)量氣體濃度的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量氣體混合物中氣體濃度的傳感器，該傳感器包括一個(gè)一端閉合的小管，在其外面沿小管安排有一個(gè)電傳感器觸頭，小管的末端即與閉合管相對(duì)的另一端被置于一個(gè)殼內(nèi)，殼和小管之間、圍繞小管的間隙以氣密方式密封。
這種氣體傳感器可從美國(guó)專利US-A-3960693中了解。包括一起催化作用層的小管在其指向待測(cè)氣體的一端閉合其另一端打開。這種傳感器在其開口端處較厚，且固定于一個(gè)殼內(nèi)。該殼被擰緊到裝有待測(cè)氣體的容器的腔壁上的一個(gè)開口中，例如內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部。小管的內(nèi)部和周圍大氣即參考?xì)怏w連通。在殼內(nèi)，殼與小管之間的間隙是封閉的，由此使得兩個(gè)不同氣體彼此隔開。此密封件在金屬環(huán)制成，與那些火花塞中所常用的相似。這類氣體測(cè)量通常在高溫下進(jìn)行(大約150℃以上，在內(nèi)燃機(jī)情況下大約500℃以上)。由于需耐高溫的緣故而用金屬制成的殼相應(yīng)地與小管即傳感器觸頭電連接在一起。這意味著殼體被集成在測(cè)量電路中；傳感器是所謂的單一傳感器。密封件位于傳感器陣列區(qū)域內(nèi)，由于該區(qū)域在測(cè)量燃?xì)鈺r(shí)被顯著加熱，因此殼和小管的膨脹系數(shù)不同會(huì)導(dǎo)致泄漏，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，因?yàn)槊芊饧荒芸煽康貙?duì)不同的膨脹率進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器觸頭的電連接也保持在該高溫區(qū)域內(nèi)，因此也只有在可觀的代價(jià)下才能實(shí)現(xiàn)其良好的可靠性，因?yàn)榻佑|材料在高溫下工作易于氧化。小管通常由固態(tài)電解質(zhì)制成，密封件和小管的高溫接觸就會(huì)產(chǎn)生寄生電壓，寄生電壓的幅度隨時(shí)間變化很大，這是因?yàn)闊o法對(duì)緩慢氧化或密封性減弱進(jìn)行控制。這將導(dǎo)致傳感器特性偏移的嚴(yán)重惡化。類似的傳感器也可見于歐洲專利EP-A-0520528。
一個(gè)略有不同的已知結(jié)構(gòu)是美國(guó)專利US-A-3399233中的固體電解質(zhì)原電池。在這種情況下，測(cè)量電路也集成到金屬殼體中。這時(shí)就無需一個(gè)氣體密封件，因?yàn)闇y(cè)量是在兩個(gè)液體中進(jìn)行的。
另一種不同類型的氣體傳感器可從歐洲專利EP-A-O 398 579中了解。在此情況下在圓柱形金屬殼內(nèi)放置了一個(gè)平面?zhèn)鞲衅髟?，在傳感器和殼之間裝入了陶瓷粉用于固定和密封。由于傳感器元件和殼之間幾何形狀的差異和材料的膨脹系數(shù)不同，在此情況下加熱時(shí)同樣也會(huì)有泄漏問題。尤其與待測(cè)氣體腔有關(guān)的密封性就是個(gè)問題。此外，在工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)也容易使傳感器元件損壞。
從上述現(xiàn)有的技術(shù)出發(fā)，本發(fā)明的目的是提供一種普通型的傳感器，它能保證即使在高溫工作時(shí)待測(cè)氣體和參考?xì)怏w之間密封仍然可靠，用這種傳感器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)與殼電絕緣的多個(gè)傳感器接觸件，這樣就不會(huì)產(chǎn)生損害偏移特性的寄生電壓。
根據(jù)本發(fā)明，可以獲得一個(gè)與權(quán)利要求1前序部分相一致的傳感器，此結(jié)果是如此實(shí)現(xiàn)的。與閉合端相對(duì)的且代表小管冷端或冷區(qū)域的那端，在殼和小管的之間及周圍空間實(shí)現(xiàn)氣密封閉；在小管的外面至少提供有一個(gè)與殼電絕緣的傳感器電觸頭；并且該至少一個(gè)傳感器觸頭終止于與密封端相對(duì)的小管的閉合端，并且該觸頭與一個(gè)電導(dǎo)體相連接。小管的冷端或冷區(qū)域是指位于裝有待測(cè)氣體的腔外面并且距有待測(cè)氣體腔足夠遠(yuǎn)的區(qū)域，以使得它至多僅略略升溫，從而使優(yōu)選使用的電絕緣有彈性的材料做成的密封件不會(huì)被損害并能保留其彈性。實(shí)際所需的距離可通過數(shù)次測(cè)試和/或測(cè)量來確定。傳感器觸頭與向前的電線的連接同樣在這個(gè)冷區(qū)域中；因此就避免了接頭因高溫而發(fā)生的氧化。在本傳感器中，所用材料的不同膨脹系數(shù)實(shí)際上不會(huì)導(dǎo)致什么結(jié)果，特別是因?yàn)樵趶椥悦芊馇闆r下沒有熱應(yīng)力產(chǎn)生，因此可以得到很好的密封效果。此外，位于熱區(qū)域的常規(guī)金屬密封件和固體電解質(zhì)(小管)之間的接觸區(qū)域產(chǎn)生的寄生及電化學(xué)電壓也可通過將電絕緣密封件置于冷區(qū)域中而得以避免。此外還可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)或其排氣系統(tǒng)工作時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)被傳遞到傳感器上，因此使得傳感器抗干擾能力增強(qiáng)。通常，電線可熔焊或軟焊到傳感器觸頭上和/或利用彈性圈把電線壓到傳感器觸頭上。用這種方式易于實(shí)現(xiàn)可靠的接觸結(jié)構(gòu)。
為方便起見，可以在小管的外表面上提供多個(gè)傳感器觸頭，其中一或多個(gè)傳感器觸頭可用作加熱觸頭。這避免了在已知設(shè)備中使用壓入小管中的單獨(dú)加熱元件。由此提高了加熱器的效率和反應(yīng)速度。
出于便利，至少在小管內(nèi)部提供一個(gè)電觸頭，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中小管具有圓柱形結(jié)構(gòu)，因此易于制造。此外還可方便地在小管上，殼和各傳感器觸頭之間制備一個(gè)電絕緣層。此外還可以讓小管外面的至少一部分包括至少和一個(gè)傳感器觸頭電連接的固體電解質(zhì)材料。整個(gè)小管用固體電解質(zhì)材料制成也是可以的。同樣可以用電阻率與氣體密度有關(guān)的材料制成小管外面的至少一部分。將冷卻肋置于殼的外表面上是為了方便有效地冷卻冷區(qū)域。本發(fā)明將參考附圖詳細(xì)說明附圖中

圖1帶有傳感器觸頭的傳感器的小管圖2穿過傳感器的剖面圖3傳感器的示意4穿過傳感器的另一個(gè)剖面圖5一組裝配元件傳感器的小管1如圖1所示。小管1是圓柱形結(jié)構(gòu)且一端閉合。它由電絕緣材料制成，例如氧化鋁，或者是一種固態(tài)電解質(zhì)材料，例如氧化鋯。它也可由外部電絕緣的另一種材料制成。氣體傳感器工作為有源文件制備在小管1的外部。此外，電加熱器3置于小管1上。在這些傳感器電觸頭即氣體傳感器2和加熱器3上加有一個(gè)電絕緣薄層4，它既透氣又避免如排出氣等成分對(duì)氣體傳感器2的污染。沿小管1放置的傳感器電觸頭2、3結(jié)束于小管1的開口端，并導(dǎo)入所謂的外電極5，利用電極5與小管1保持電接觸。在小管1的開口端面上有一個(gè)接觸環(huán)6，它充當(dāng)與沿小管1內(nèi)側(cè)所制備的電觸頭7的接觸結(jié)構(gòu)。在該氣體傳感器2采用以參考?xì)怏w工作的電化學(xué)傳感器的場(chǎng)合下該電觸頭7是必需的。在此情形下，參考?xì)怏w位于小管1內(nèi)并且與例如周圍氣體相一致。如圖2所示，小管1置于殼8內(nèi)。在裝著小管1的閉合端的末端，殼8有氣孔9，通過氣孔9待測(cè)量氣體能到達(dá)氣體傳感器2。在小管1的閉合端區(qū)域內(nèi)，殼8有一個(gè)帶有外螺絲11的螺帽10，通過它可以把傳感器擰到裝有待測(cè)氣體的容器的腔壁內(nèi)。從內(nèi)燃機(jī)的角度來看，該腔可以是例如排氣系統(tǒng)(如機(jī)動(dòng)車的)的一部分。此外還可以在螺帽10處加一個(gè)密封裝置12。
小管1通過其閉合端面與殼8的相應(yīng)末端接合并且由彈簧13擠壓在該端上。小管1與殼8的壁隔開，使得傳感器電觸頭(氣體傳感器2和加熱器3)與殼8無電接觸。由彈性和耐熱塑料例如特氟隆或氟橡膠制成的一個(gè)O形環(huán)14充作氣體密封墊。該O形環(huán)作為密封把充有待測(cè)氣體的氣腔與殼8周圍的大氣分隔開，使得例如周圍氣體與機(jī)器的排出氣保持分離。此外O形環(huán)14還使小管1在殼8內(nèi)的位置固定并且確保小管1的電絕緣以及殼8的傳感器觸頭2、3的電絕緣。此外O形環(huán)14避免來自殼8的振動(dòng)傳遞到小管1上并且它對(duì)小管1和殼8之間膨脹系數(shù)不同作出補(bǔ)償，使得即使在稍稍加熱時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。另有一個(gè)O形環(huán)15使外電極5和連接引線16接觸。O形環(huán)15也由彈性的耐熱塑料制成。連接引線16可靠地通過O形環(huán)15壓到外電極5上，使得接觸可靠。也可以將連接引線16焊到外電極5上，或者將帶有連接引線16的插接件置于小管1上與外電極5接觸。
O形環(huán)15由鎖縫件17擠壓到O形環(huán)14上，通過它額外產(chǎn)生的應(yīng)力而使得小管1牢牢地固定在殼8內(nèi)。壓力件17是由螺帽18經(jīng)墊圈19(由耐熱塑料制成的)擠壓到O形環(huán)14、15上的，O形環(huán)14被擠壓到殼8的截?cái)嗝嫔?。螺?8使殼8的內(nèi)部密封，連接引線16和連接引線20穿過該螺帽。連接引線16、20放于墊圈19的中間，并且經(jīng)壓力件17引入殼內(nèi)。組裝之后連接引線20與彈簧13電接觸，而彈簧導(dǎo)電地壓在接觸環(huán)6上，使得接觸引線20與電觸頭7在小管1內(nèi)接觸。這樣的壓力件17、螺帽18和墊圈20的結(jié)構(gòu)在圖5中放大示出，并以不同視圖示出。
使用塑料密封件作O環(huán)14、15并且?guī)в猩鲜鰞?yōu)點(diǎn)的情況在殼8的一段區(qū)域內(nèi)是可能的，這種區(qū)域即使在傳感器的工作溫度下也不被明顯地加熱即它只加熱到塑料密封件還不喪失其彈性的程度。根據(jù)待測(cè)氣體的溫度的不同，該區(qū)域距使待測(cè)氣體腔密封的密封件12至少為大約2cm，甚至為大約4到6cm。O形環(huán)14、15通常固定在溫度適合O形環(huán)14、15材料可被永久使用的區(qū)域。為了增加冷卻效果，冷卻肋21被置于殼8的外表面上。這樣可以減少環(huán)14、15和小管1的閉合端之間的距離。冷卻肋的數(shù)目和形狀以及殼8的長(zhǎng)度可以根據(jù)待測(cè)氣體的工作溫度而定，以保證小管1的所謂冷端即O形環(huán)14、15固定的位置只稍稍升溫，其程度應(yīng)使得O形環(huán)14、15不被破壞和喪失其功能。
冷卻肋的安排也如圖3和4所示，圖4給出與圖2略有不同的穿過傳感器的縱向截面圖。
本發(fā)明中的傳感器設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單并且成本低廉；它抗干擾性好，并且能夠?qū)⒍鄠€(gè)傳感器容納于一個(gè)殼體內(nèi)，并且操作安全。
權(quán)利要求
1.測(cè)量氣體混合物中氣體濃度的傳感器，包括一個(gè)一端閉合的小管，在其外面上沿小管安排了一個(gè)電傳感器，小管的與閉合端相對(duì)的那端包含于一個(gè)殼內(nèi)，在殼和小管之間圍繞小管的間隙以氣密方式密封，其特征在于在與閉合端相對(duì)的那端，即小管(1)的冷端處提供一個(gè)在殼(8)和小管(11)之間的包圍的氣密密封件(14)，在于在小管(1)的外面上提供至少一個(gè)與殼(8)電絕緣的電傳感器觸頭(2，3)，還在于至少一個(gè)傳感器觸頭(2，3)引入并終止于小管(1)的與閉合端相對(duì)的那端，并與電導(dǎo)體(16)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于在殼(8)和小管(1)之間圍繞小管(1)的密封件(14)由電絕緣彈性材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其特征在于電導(dǎo)體(16)通過彈性環(huán)(15)被壓到傳感器觸頭(2，3)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其特征在于電導(dǎo)體(16)焊接到傳感器觸頭(2，3)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4之任意一條的傳感器，其特征在于在小管(1)的外表面上放有多個(gè)傳感器觸頭(2，3)，至少一個(gè)傳感器觸頭用作加熱觸頭(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5之任一條的傳感器，其特征在于至少一個(gè)電觸頭(7)置于小管(1)的內(nèi)面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6之任一條的傳感器，其特征在于小管(1)是圓柱形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～7之任一條的傳感器，其特征在于電絕緣層(14)置于小管(1)上殼(8)和傳感器觸頭(2，3)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8之任一條的傳感器，其特征在于小管(1)的外表面的至少一部分包括固體電解質(zhì)材料，它與至少一個(gè)傳感器觸頭(2)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1～8之任一條的傳感器，其特征在于整個(gè)小管(1)由固體電解質(zhì)材料制成，它與至少一個(gè)傳感器觸頭(2)連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～8之任一條的傳感器，其特征在于小管(1)的外表面的至少一部分包括一個(gè)電阻與氣體濃度有關(guān)的材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～11之任一條的傳感器，其特征在于冷卻肋(21)置于殼(8)的外面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量氣體混和物中氣體濃度的傳感器，使用一個(gè)一端閉合且在該端外面上沿小管安排一個(gè)電傳感器觸頭的小管，與閉合端相對(duì)的那端置于一殼內(nèi)，小管周圍殼和小管之間間隙是密封的。為確保即使在高工作溫度時(shí)待測(cè)氣體和參考?xì)怏w之間的密封性是可靠的，同時(shí)也為確保采用多個(gè)傳感器功能組合的高可靠性，在殼和小管之間的小管閉合端相對(duì)的那端即小管的冷端安裝一個(gè)包圍的氣密密封件，在小管的外表面上至少提供一個(gè)與殼電絕緣的電傳感器觸頭，此外該至少一個(gè)傳感器觸頭終止于小管與閉合端相對(duì)的那端處并與一個(gè)電引線相連。
文檔編號(hào)G01N27/409GK1158164SQ96190747
公開日1997年8月27日 申請(qǐng)日期1996年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月18日
發(fā)明者G·G·A·卡帕, P·范·格拉芬 申請(qǐng)人:赫羅伊斯電氣夜間有限公司