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Die Erfindung betrifft eine Meßsonde mit einem Meßsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Meßsonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Meßsensoren, die elektrische Meßsignale erzeugen, werden üblicherweise vom Hersteller mit einem Anschlußdraht versehen. Dabei werden insbesondere kleine Meßsensoren, beispielsweise Meßsensoren auf Halbleiterbasis, mit recht dünnen Anschlußdrähten aus hochwertigen Metallen versehen. Derartige Anschlußdrähte werden üblicherweise durch Verlöten mit einem elektrischen Leiter oder einer Leiterbahn verbunden. Beim Verlöten wird ein Lötzinn aufgeschmolzen, der einen elektrisch leitenden Kontakt mit der Oberfläche des Anschlußdrahtes und mit der Oberfläche des Leiters bildet. Der Leiter verbindet den Meßsensor mit weiteren elektronischen Bauteilen der Sonde oder der Meßelektronik einer Meßvorrichtung.
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Die Lötverbindung ist die einfachste und am weitesten verbreitete elektrisch leitende Verbindung, welche sich im üblichen Umgebungstemperaturbereich (–20°C bis +55°C) sehr gut bewährt hat. Allerdings ist die thermische und mechanische Belastbarkeit einer Lötverbindung begrenzt.
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Verschiedene Anschlussverfahren für Meßsonden sind aus den Druckschriften
DE 26 17 031 A1 ,
JP 06-137959 A ,
DE 196 38 208 C2 ,
DE 295 21 966 U1 ,
US 4 900 412 A und
US 5 098 548 A bekannt. Die
DE 26 17 031 A1 beschreibt z. B. einen elektrochemischen Sensor zur Messung des Brennstoff/Luftverhältnisses in Gasgemischen, vornehmlich in Verbrennungsabgasen, bestehend im wesentlichen aus einer galvanischen Kette mit einem festen Elektrolyt und mit zwei Elektroden. In einem Ausführungsbeispiel besteht eine Elektrode aus Platin und die zweite Elektrode aus Gold. Die Platintelektrode wird mit einem Platindraht kontaktiert und die Goldelektrode wird mit einem Golddraht kontaktiert. Beide Drähte werden nach 1 bis 2 cm Länge durch Kupferdrähte fortgesetzt. Die Verbindungen zu den Kupferdrähten werden nicht näher beschrieben. Alle genannten Druckschriften enthalten keine Informationen über die Steigerung der mechanischen und thermischen Belastbarkeit der Verbindungen durch Berücksichtigung der Eigenschaften der verwendeten Materialien.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine mechanisch und thermisch hoch belastbare Verbindung zwischen dem Anschlußdraht eines Meßsensors und einem Leiterdraht zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Meßsonde mit einem Meßsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Meßsonde mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 vorgeschlagen.
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Das Verschweißen elektrisch leitender Drähte ist ebenfalls bekannt. Es hat gegenüber dem Verlöten den Vorteil, daß kein einfacher Oberflächenkontakt zwischen einem Leiter und einem Lot erzeugt wird, sondern im Bereich der Verschweißung die Metalle der zwei zu verbindenden Drähte aufgeschmolzen werden und eine Legierung eingehen. Hierdurch entsteht eine sehr viel hitzefestere Verbindung und eine mechanisch haltbarere Verbindung als bei der üblichen Lötverbindung. Allerdings ist ein Verschweißen eines Anschlußdrahtes mit einem Leiterdraht insbesondere bei Verwendung eines sehr hochwertigen Metalls für den Anschlußdraht und eines üblichen Metalls wie Kupfer für den Leiterdraht oft nicht ohne weiteres möglich. Aus diesem Grund schlägt die Erfindung vor, ein elektrisch leitendes Kupplungselement aus einem dritten Metall zwischenzufügen.
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Das dritte Metall ist mit dem ersten Metall des Anschlußdrahtes und mit dem zweiten Metall des Leiterdrahtes gut legierbar. In der Praxis bewährt sich die vorliegende Erfindung bei der Verbindung eines Meßsensors, der Platin-Anschlußdrähte aufweist, mit Leiterdrähten aus Kupfer. Platin und Kupfer sind nicht oder nur sehr schwer verschweißbar, weil diese beiden Metalle in der Regel keine Legierung eingehen. Durch Zwischenfügung eines Kupplungsdrahtes aus Gold, das sowohl mit Platin als auch mit Kupfer gut legierbar ist, entstehen Schweißstellen sehr hoher Festigkeit. Dabei kann die Verwendung eines kurzen Drahtabschnitts als Kupplungselement ausreichend sein. Beispielsweise kann ein Kupplungselement mit einer Länge, die dem Dreifachen des seines Durchmessers entspricht, ausreichen. Es ist lediglich darauf zu achten, daß beim Verschweißen des Kupplungsdrahtes an seinen beiden Enden die Schweißstellen einander nicht beeinflussen, insbesondere die zuerst erstellte Schweißstelle nicht durch den zweiten Schweißvorgang aufgeschmolzen wird.
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Meistens haben die Anschlußdrähte aus einem Edelmetall einen sehr kleinen Durchmesser. Die Leiterdrähte, welche aus Kupfer bestehen und die Signale über eine größere Strecke von mehreren Dezimetern oder gar Meter transportieren müssen, haben einen großen Durchmesser. Nicht selten liegt der Durchmesser des Leiterdrahts beim Sechs- bis Zehnfachen des Durchmessers des Anschlußdrahts. Bei einer praktischen Ausführungsform wird der Durchmesser des Kupplungsdrahts derart gewählt, daß er zwischen dem Durchmesser des Anschlußdrahts und dem Durchmesser des Leiterdrahts liegt.
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Die erfindungsgemäße Meßsonde wird insbesondere dann benötigt, wenn sie hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt wird. In diesem Fall muß die Meßelektronik vom Meßort der Meßsonde getrennt werden, da die Meßelektronik in der Regel nur bei Umgebungstemperatur funktioniert. In einer praktischen Ausführungsform kann der Leiterdraht zwischen seinen Enden mit einer Mineralisolierung ummantelt sein. Eine derartige Mineralisolierung ist thermisch stabil und auch bei häufigen und hohen Temperatur schwankungen dauerhaft wirksam.
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In dem Bereich des Meßsensors und nahe der Verbindung mit dem Kupplungselement kann der Leiterdraht in eine Schutzhülse mittels einer Vergußmasse fixiert sein. Die Schutzhülse, welche üblicherweise aus einem thermisch und chemisch beständigem Metall wie Edelstahl besteht, dient zum einen der Aufnahme der Leiterdrähte und zum anderen dem Halt des Meßsensors in dem Bereich, in dem die Messung durchzuführen ist.
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Ein praktischer Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Meßsonde ist beispielsweise die Herstellung von Insitu-Meßsonden zur Messung der CO-Konzentration in Rauchgasen und Prozeßgasen. Die Gastemperaturen können leicht 600°C oder mehr erreichen. Beim Überschreiten einer Gastemperatur von 600°C muß der Meßsensor innerhalb eines Kühl-Schutzrohres angebracht werden. Als CO-Meßsensor wird ein Galliumoxid (Ga2O3)-Sensor verwendet, der eine schnelle Reaktionszeit hat und auch in schwefelhaltigen und rußbelasteten Rauchgasen langfristig verläßliche Meßergebnisse liefert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Meßsonde, bei dem mindestens ein aus einem ersten Metall bestehender Anschlußdraht eines Meßsensors elektrisch leitend mit einem Leiterdraht aus einem zweiten Metall verbunden wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußdraht und den Leiterdraht ein elektrisch leitendes Kupplungselement aus einem dritten Metall gefügt wird, welches mit dem Anschlußdraht und mit dem Leiterdraht verschweißt wird.
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In der Praxis weist der Meßsensor mindestens zwei, vorzugsweise vier Anschlußdrähte auf. Der oben erwähnte Galliumoxid-Sensor weist beispielsweise zwei Anschlußdrähte für das Meßsignal und zwei Anschlußdrähte für eine Sensorheizung auf.
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In der Praxis wird die Kontaktstelle zwischen dem Anschlußdraht und dem Kupplungselement sowie die Kontaktstelle zwischen dem Kupplungselement und dem Leiterdraht zum Verschweißen mittels eines Laserstrahls erhitzt und dadurch aufgeschmolzen. Durch das Laserschweißen ist eine sehr punktgenaue Erhitzung möglich, welche den Bereich des Aufschmelzens sehr klein hält und im wesentlichen lediglich eine kleine Schweißlinse im Kontaktbereich zwischen den jeweils zu verschweißenden Drähten erzeugt. Hierdurch werden während des Schweißvorgangs die Drähte in den von der Schweißstelle entfernten Bereichen nicht aufgeschmolzen und in irgendeiner Weise geschwächt. Das Aufschmelzen in der Schweißlinse erfolgt schnell und kontrolliert bis auf eine optimale Schweißtemperatur, in der eine dauerhafte, fest und thermisch widerstandsfähige Legierung entsteht.
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Wie bereits oben angesprochen, kann der Leiterdraht zwischen seinen Enden mit einer Mineralisolierung ummantelt werden und nahe der Verbindung mit dem Kupplungselement in einem Aufnahmerohr mittels einer Vergußmasse fixiert werden.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Meßsonde, etwa im Maßstab 1:1,
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2 einen Längsschnitt des Kopfes der Meßsonde aus 1;
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3 eine teilgeschnittene perspektivische Darstellung des Sondenkopfes;
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4 eine vergrößerte Darstellung des Meßsensors der Sonde im Längsschnitt.
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Die in 1 dargestellte Meßsonde besteht aus einem Sondenkopf 1, in dem der Meßsensor 5 (siehe 2–4) angeordnet ist, einem Sondenrohr 2 und einer Übergangshülse 3, aus deren Enden vier Anschlußkabel 4 austreten. Der Sondenkopf 1 ist von einer Schutzhülse 6 umgeben. Die Schutzhülse 6, die Übergangshülse 3 und das Sondenrohr 2 bestehen aus einem thermisch und chemisch beständigem Material, üblicherweise aus rostfreiem Stahl.
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Die Länge des Sondenrohres 2 einschließlich der beiden Hülsen 3 und 6 variiert je nach Einsatzzweck in der Praxis zwischen 50 cm und über 300 cm. Das Sondenrohr großer Länge ist erforderlich, um den Meßsensor 5 an den vorgesehenen Meßpunkt innerhalb eines Rauchgasstroms oder Prozeßgasstroms zu bringen. Das Sondenrohr kann im Bereich seines hinteren Endes an der Wand eines Abgaskanals befestigt werden, wobei die Anschlußkabel 4 an eine Meß- und Auswerteelektronik angeschlossen werden können, die sich außerhalb des Abgaskanals bei Umgebungstemperatur befindet. Der Meßsensor kann in der Praxis innerhalb eines Schutzrohres einer komplexen Sonde der Anmelderin integriert sein, welche Sonde mit einem Schutzfilter gegen das Eintreten von Staub, mit einem Befestigungsflansch zur Befestigung an der Wand eines Gaskanals und mit einem Gehäuse für die Auswerteelektronik außerhalb des Gaskanals versehen ist.
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Die 1 ist im wesentlichen maßstabsgetreu gezeichnet, wogegen die 2 und 3 vergrößerte Darstellungen des Sondenkopfes 1 zeigen. Auf dem vorderen Ende des Sondenrohres 2 ist eine Schutzhülse 6 gasdicht aufgebracht. Das vordere Ende der Schutzhülse 6 ist durch einen Deckel 7 verschlossen. In der Nähe des Deckels 7 weist die Schutzhülse 6 vier Durchtrittsöffnungen 8 auf, um das Eintreten der Gase, deren Zusammensetzung gemessen werden soll, in das Innere der Schutzhülse 6 zu ermöglichen. Im Inneren der Schutzhülse 6 ist – wie erwähnt – der Meßsensor 5 angeordnet. Der Meßsensor 5 ist in dieser Ausführungsform ein Galliumoxid-Sensor (Ga2O3) für die CO-Messung. Dieser Meßsensor 5 auf Halbleiterbasis wird bei einer Temperatur von ca. 750°C betrieben. Er weist eine aktive Galliumoxidschicht auf, deren Widerstand sich beim Kontakt mit dem zu detektierenden Gas ändert. Diese Widerstandsänderung wird über Kontaktelektroden abgegriffen und ist proportional zur CO-Konzentration. Ein Ga2O3-Sensor hat eine schnelle Reaktionszeit und eine geringe Querempfindlichkeit. Darüber hinaus zeigt er auch in schwefelhaltigen und rußbelasteten Rauchgasen langfristig stabile Eigenschaften und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Meßwerte. Der Meßsensor auf Halbleiterbasis wird von Hersteller mit Anschlußdrähten 9 versehen, die aus Platin bestehen. Zwei der vier Anschlußdrähte 9 dienen der Zufuhr des Heizstroms. Die zwei anderen dienen der Widerstandsmessung.
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Gemäß der Erfindung ist jeder Anschlußdraht 9 aus Platin mit einem drahtförmigen Kupplungselement 10 aus Gold – nachfolgend Kupplungsdraht 10 genannt – verschweißt. Der Kupplungsdraht 10 aus Gold ist jeweils seinerseits mit einem Leiterdraht 11 aus Kupfer verschweißt. Der Leiterdraht 11 aus Kupfer ist zur elektrischen Isolierung gegen das Sondenrohr 2 in einer Mineralisolierung 12 innerhalb des Sondenrohres 2 eingebettet. Die Endabschnitte der Leiterdrähte 11 sind mit einer Vergussmasse 13, bestehend aus einer aushärtbaren Keramikmasse, innerhalb der Schutzhülse 6 des Sensorkopfes 1 fixiert.
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Wie insbesondere in 4 zu erkennen, erfolgt die Verbindung der Drähte 9, 10, 11 untereinander mittels eines Schweißvorgangs. Mit Hilfe eines Lasers wird der Kontaktbereich zwischen einem Anschlußdraht 9 und einem Kupplungsdraht 10 punktgenau erhitzt, so daß sich hier eine Schweißlinse 14 ausbildet. Beim Erhitzen und Aufschmelzen des Platins am Ende des Anschlußdrahtes 9 und des Goldes am Ende des Kupplungsdrahtes 10 entsteht innerhalb der Schweißlinse 14 eine Platin-Gold-Legierung, welche nach dem Erkalten eine thermisch und mechanisch stabile Verbindung bildet. Die Haltbarkeit der Schweißstelle liegt im wesentlichen nicht unterhalb der Haltbarkeit der an die Schweißlinse 14 angrenzenden Drähte 9, 10.
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Ebenso wird im Kontaktbereich zwischen Kupplungsdraht 10 und Leiterdraht 11 verfahren. Auch dieser Kontaktbereich wird mit einem Laser erhitzt, so daß sich eine Schweißlinse 15 ausbildet, die nach dem Erkalten eine erstarrte Gold-Kupfer-Legierung aufweist. Auch diese Verbindung ist thermisch und mechanisch beanspruchbar und weist im wesentlichen die Haltbarkeit der angrenzenden Drähte 10, 11 auf.
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Aufgrund der Schweißungen ist der Meßsensor 5 äußerst haltbar mit dem Sondenrohr 2, in dem die Leiterdrähte 11 über die Vergußmasse 13 fixiert sind, verbunden. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Verbindung ist das Fehlen von Thermospannungen in den Übergangsbereichen. Die gewählten Materialpaarungen und die Verbindung durch Verschweißen, d. h. Bildung einer Legierung der zwei aneinandergrenzenden Metalle im Bereich der Schweißlinse, führen dazu, daß im Verbindungsbereich durch Temperatur keine elektrischen Spannungen induziert werden, welche das Meßergebnis verfälschen können.
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Als Leiterdraht 11 wird vorteilhafterweise eine Draht mit möglichst großem Querschnitt verwendet. Hierdurch wird der ohmsche Widerstand des Leiterdrahtes 11 gesenkt. In der Praxis haben sich Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,75 bis 1 mm als Leiterdraht 11 bewehrt. Die Anschlußdrähte 9 des Meßsensors 5 haben dagegen einen sehr viel kleineren Durchmesser. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt der Durchmesser der Anschlußdrähte 9 bei 0,1 mm. Der Durchmesser des Kupplungsdrahts 10 aus Gold ist derart gewählt, daß er etwa in der Mitte zwischen dem Durchmesser des Anschlußdrahts 9 und dem Durchmesser des Leiterdrahts 11 liegt. Der Durchmesser des Kupplungsdrahts 10 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform 0,5 mm. Auf diese Weise wird an den beiden Schweißstellen eine moderate Steigerung der Querschnittsfläche beim Übergang vom Anschlußdraht 9 auf den Kupplungsdraht 10 und beim Übergang vom Kupplungsdraht 10 auf den Leiterdraht 11 verwirklicht. Die Länge des Kupplungsdrahts 10 aus Gold liegt etwa bei dem dreifachen seines Durchmessers.
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Obwohl die Erfindung anhand des Beispiels einer CO-Meßsonde unter Verwendung eines Galliumoxid-Meßsensors beschrieben wurde, ist sie auf beliebige Sensoren und Sonden anwendbar und schafft grundsätzlich die Möglichkeit einer stabilen und das Meßergebnis nicht verfälschenden Verbindung eines Meßsensors mit den Leiterkabeln, welche zur Meß- und Auswerteelektronik führen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sondenkopf
- 2
- Sondenrohr
- 3
- Übergangshülse
- 4
- Anschlußkabel
- 5
- Meßsensor
- 6
- Schutzhülse
- 7
- Deckel
- 8
- Durchtrittsöffnung
- 9
- Anschlußdraht
- 10
- Kupplungselement, Kupplungsdraht
- 11
- Leiterdraht
- 12
- Mineralisolierung
- 13
- Vergußmasse
- 14
- Schweißlinse
- 15
- Schweißlinse
