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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung der physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer
Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
einem bekannten Gassensor dieser Art (
DE 10 2004 033 958 A1 )
ist von den konzentrisch angeordneten Schutzrohren des Schutzrohrmoduls das
innere Schutzrohr becherförmig
mit geschlossenem Becherboden ausgebildet und ein im Rohrmantel
vorhandener Lochkranz mit Gasdurchtrittslöchern gegenüber einem im Rohrmantel des
mittleren Schutzrohrs vorhandenen Lochkranz mit Gasdurchtrittslöchern zum
Rohrboden hin versetzt angeordnet. Das Ende des durch eine Öffnung des äußeren Schutzrohrs
passgenau hindurchgeführten
mittleren Schutzrohrs ist zum Rohrende hin konisch verjüngt. Während das äußere und
das mittlere Schutzrohr auf einem im Durchmesser reduzierten Gehäuseabschnitt
festgelegt sind, ist das dünnwandig
ausgebildete innere Schutzrohr an seinem vom Rohrboden abgekehrten
Ende trichterartig aufgeweitet und auf einer im Gehäuse ausgebildeten,
umlaufenden Gehäuseschulter
aufgelegt. Eine das Sensorelement spaltlos umschließende Dichtung,
die gegen die Innenwand des Gehäuses
gepresst ist, legt das innere Schutzrohr mit seinem konusartig aufgeweiteten Ende
axial unverschieblich im Gehäuse
fest. Bei Einsetzen des Gassensors in ein das Messgas führendes
Messgasrohr entsteht durch den in den Messgasstrom hineinragenden
Endbereich des Gassensors im Messgasrohr eine Querschnittsverengung. Durch
diese Querschnittsverengung wird das Messgas im Bereich des Gasaustrittslochs
im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs beschleunigt und erzeugt in
diesem Bereich einen Unterdruck. Gleichzeitig baut sich in Strömungsrichtung
des Messgases gesehen vor dem aus dem äußeren Schutzrohr herausragenden
Ende des mittleren Schutzrohrs ein Überdruck auf. Das so entstehende
Druckgefälle
sorgt für eine
Messgasströmung
innerhalb des Schutzrohrmoduls, wobei diese Messgasströmung über einen
Teil von im Rohrboden des äußeren Schutzrohrs
vorhandenen Gaseintrittslöchern
eintritt, den Ringraum zwischen dem äußeren und mittleren Schutzrohr
durchströmt,
im Bereich der Gasdurchtrittslöcher
im mittleren Schutzrohr umgelenkt wird und gegensinnig zu der Messgasströmung im
Ringraum zwischen äußerem und
mittlerem Schutzrohr verläuft.
Das Messgas tritt über
einen Teil der Gasdurchtrittslöcher
im inneren Schutzrohr in den vom inneren Schutzrohr umschlossenen
Messraum, in den das Sensorelement hineinragt, ein. Durch die von
den Gasdurchtrittslöchern
im inneren Schutzrohr gebildeten Abrisskanten entsteht eine starke
Verwirbelung des Messgases im Messraum um den Endabschnitt des Sensorelements
herum, wodurch das Messgas ausreichend schnell ausgetauscht wird.
Das Abströmen
des Messgases aus dem Messraum erfolgt über den anderen Teil der Gasdurchtrittslöcher im
inneren Schutzrohr und über
das Gasaustrittsloch im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das
an den Zusatz-Gasdurchtrittslöchern
im inneren Schutzrohr erzeugte Druckgefälle Messgas über die
oberen Gasdurchtrittslöcher
im inneren Schutzrohr in den vom inneren Schutzrohr umschlossenen
Messraum strömt
und an den Zusatz-Gasdurchtrittslöchern wieder in Richtung zum
Gasaustrittsloch im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs austritt.
Dies hat eine verbesserte Umströmung
des Endabschnitts des Sensorelements zur Folge, wodurch eine sehr
gute Sondendynamik, das ist die Transportzeit des Messgases durch
das Schutzrohrmodul, erreicht wird. Zugleich ist sichergestellt,
dass die im Messgas vorhandenen Wassertropfen aufgrund ihrer Trägheit nicht
dieser Strömung
durch den Messraum folgen, sondern von dem Messgasteilstrom im Ringraum
zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr zum Rohrboden des mittleren
Schutzrohrs transportiert werden und dort über das Gasaustrittsloch aus
den Schutzrohrmodul hinaus befördert werden.
Die Wassertropfen können
somit nicht auf das heiße
Sensorelement gelangen und das Sensorelement durch Thermoschock
schädigen.
Der erfindungsgemäße Gassensor
weist aufgrund der konstruktiven Gestaltung des Schutzrohrmoduls
eine hohe Sondendynamik und einen sehr hohen Schutz gegen Wasserschlag
auf und genügt
daher den gestiegenen Ansprüchen
an Abgassensoren in Form von schnellen und robusten Konstruktionen
zur Einhaltung der sich stets verschärfenden Abgasbestimmungen für Kraftfahrzeuge.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung bestehen die Mittel zum Erzeugen des im Ringraum zwischen
mittlerem und innerem Schutzrohr sich über die Zusatz-Gasdurchtrittslöcher im
inneren Schutzrohr hinweg erstreckenden Druckgefälles aus einem zum Rohrende
des inneren Schutzrohrs bin sich verjüngenden Ringraumabschnitt des
zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr eingeschlossenen Ringraums.
Durch diese Ringraumverengung, die zum Gasaustrittsloch im Rohrboden
des mittleren Schutzrohrs zunimmt, erfährt das Messgas eine Beschleunigung,
wodurch der Druck abgesenkt wird und das treibende Druckgefälle entsteht.
Wird gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung das mittlere und innere Schutzrohr jeweils mit einem
kegelstumpfförmigen Rohrendabschnitt
versehen, dessen querschnittskleinere Deckfläche den Rohrboden bildet, und
der konische Rohrendabschnitt des inneren Schutzrohrs im konischen
Rohrendabschnitt des mittleren Schutzrohrs aufgenommen sowie die
Zusatz-Gasdurchtrittslöcher im
Kegel- oder Konusmantel des Rohrendabschnitts des inneren Schutzrohrs
angeordnet, so kann durch entsprechende Eintauchtiefe des Rohrendabschnitts
des inneren Schutzrohrs in den konusförmigen Rohrabschnitt des mittleren Schutzrohrs
der Messgas-Eintrittsquerschnitt
im sich verjüngenden
Ringraumabschnitt kleiner gemacht werden als der Querschnitt im übrigen hohlzylindrischen
Ringraum zwischen äußerem und
innerem Schutzrohr. Dadurch wird insgesamt das treibende Dreckgefälle im konischen
Bereich des Rohrendes über
die darin liegenden Zusatz-Gasdurchtrittslöcher verstärkt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung sind im mittleren Schutzrohr Gasdurchtrittslöcher nahe
dem Gehäuse
angeordnet und die Gasdurchtrittslöcher im inneren Schutzrohr
dazu axial in Richtung Rohrboden versetzt. Dadurch wird der Messgasströmung eine
Art Labyrinth vorgegeben, so dass das über die Gaseintrittsöffnungen
im Rohrboden des äußeren Schutzrohrs
eintretende Messgas erst den Ringraum zwischen äußerem und mittleren Schutzrohr
bis hin zum Gehäuseende
durchströmt,
in den Gasdurchtrittslöchern
im mittleren Schutzrohr umgelenkt wird und im Ringraum zwischen
mittlerem und innerem Schutzrohr gegensinnig strömt. An den stromabwärts gelegenen
Gasdurchtrittsöffnungen
im inneren Schutzrohr tritt ein Großteil des Messgases infolge
des am inneren konusförmigen
Rohrendabschnitt des Schutzrohrs erzeugten Druckgefälles in
den vom inneren Schutzrohr umschlossenen Messraum ein und am konusförmigen Rohrende über die
Zusatz-Durchtrittslöcher
im inneren Schutzrohr wieder aus, wobei die im Messgas vorhandenen, schweren
Wassertropfen infolge ihrer Trägheit
in dem im Ringraum zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr strömenden Messgasstrom
verbleiben und mit diesen Teilstrom über das Gasaustrittsloch im Rohrboden
des mittleren Schutzrohrs hinaustransportiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige
Figur ausschnittweise einen Längsschnitt
eines Gassensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der
ausschnittweise im Schnitt dargestellte Gassensor mit einem Sensorelement 11 zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient
beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas
einer Brennkraftmaschine. Mit einer anderen konzeptionellen Ausbildung
des Sensorelements 11 kann der Gassensor auch zur Bestimmung
der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung der
Temperatur des Abgases verwendet werden.
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Der
Gassensor weist ein rotationssymmetrisches, metallisches Gehäuse 10 auf,
durch das das im Ausführungsbeispiel
stabförmige,
planare Sensorelement 11 hindurchgeführt ist. Das Sensorelement 11 tritt
dabei mit einem messgasseitigen Endabschnitt 111 und einem
hier nicht dargestellten anschlussseitigen Endabschnitt 112 an
voneinander abgekehrten Stirnseiten des Gehäuses 10 aus dem Gehäuse 10 heraus.
Der dem Messgas aussetzbare messgasseitige Endabschnitt 111 trägt in bekannter Weise
gassensitive Elektroden und ist mit einem Schutzrohrmodul 12 überdeckt,
der am Gehäuse 10 festgelegt
ist. Von den gassensitiven Elektroden im Endabschnitt 112 ist
eine auf der Oberfläche
des Endabschnitts 11 angeordnete sog. Außenelektrode 13 schematisiert
angedeutet. Die gassensitiven Elektroden sind in bekannter Weise über Leiterbahnen
mit auf dem anschlussseitigen Endabschnitt angeordneten Kontaktflächen verbunden,
die zum Anschließen des
Gassensors an eine Auswerteelektronik dienen. Das Sensorelement 11 ist
im Gehäuseinnern
mittels einer Dichtung 14, die sich gasdicht an das Sensorelement 11 anschmiegt
und dieses gasdicht gegen die Innenwand des Gehäuses 10 abdichtet,
fixiert. Zum Einbau des Gassensors in ein hier nicht dargestelltes,
das Messgas führende Messgasrohr,
im Falle eines Abgassensors in das das Abgas führende Abgasrohr des Kraftfahrzeugs,
ist das Gehäuse 10 mit einem
Montagegewinde 15 versehen.
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Das
Schutzrohrmodul 12 besteht aus drei konzentrisch angeordneten
Schutzrohren, einem inneren, mittleren und äußeren Schutzrohr 16, 17, 18, die
zur Ausbildung einer Messgasströmung
im Modulinnern alle am Rohrende mit einem Rohrboden 161, 171, 181 verschlossen
und mit Löchern
versehen sind. Das innere Schutzrohr 16 umgibt unmittelbar den
Endabschnitt 111 des Sensorelements 11. An seinem
im Gehäuse 10 liegenden,
rohrbodenfernen Rohrende ist das innere Schutzrohr 16 trichterförmig erweitert
und liegt mit dieser trichterförmigen
Erweiterung 19 unter axialem Druck durch die Dichtung 14 auf
einer im Gehäuse 10 ausgebildeten,
umlaufenden Schrägschulter 20 auf.
Das gehäuseferne,
freie Rohrende des inneren Schutzrohrs 16 ist kegelstumpfförmig ausgebildet,
wobei die querschnittskleinere Deckfläche des Kegelstumpfes den Rohrboden 161 bildet.
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Das
innere Schutzrohr 16 ist vollständig im mittleren Schutzrohr 17 aufgenommen.
Gehäuseseitig
ist das mittlere Schutzrohr 17 mit einer zylinderförmigen Aufweitung 21 versehen
und auf einen im Durchmesser reduzierten Gehäuseabschnitt 101 des Gehäuses 10 aufgeschoben.
Das gehäuseferne, freie
Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 ist ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet,
wobei die querschnittkleinere Deckfläche des Kegelstumpfes den Rohrboden 171 des
mittleren Schutzrohrs 17 bildet. Das kegelstumpfförmige oder
konusförmige
Rohrende des inneren Schutzrohrs 16 ragt vollständig in
das kegelstumpfförmige
oder konusförmige
Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 hinein.
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Das äußere Schutzrohr 18,
das becherförmig
ausgebildet ist, übergreift
mit seinem offenen gehäuseseitigen
Rohrende die Aufweitung 21 des mittleren Schutzrohrs 17 und
ist in seinem vom Becherboden gebildeten Rohrboden 181 mit
einer zentralen Öffnung 22 versehen,
durch die das mittlere Schutzrohr 17 passgenau hindurchtritt.
Die Länge
des äußeren Schutzrohrs 18 ist
dabei so bemessen, dass die Durchtrittsstelle des mittleren Schutzrohrs 17 noch vor
dem kegelstumpfförmigen
Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 liegt. Die gehäuseseitige
Festlegung des mittleren und äußeren Schutzrohrs 17, 18 erfolgt
durch Schweißen
oder Verstemmen.
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Der
Rohrboden 181 des äußeren Schutzrohrs 18 ist
mit voneinander beabstandeten Gaseintrittslöchern 23 versehen,
die auf einem zur zentralen Öffnung 22 konzentrischen
Lochkreis angeordnet sind. Das mittlere Schutzrohr 17 weist
einen nahe seiner gehäuseseitigen,
zylindrischen Aufweitung 21 liegenden Lochkranz aus im
Rohrmantel voneinander beabstandeten Gasdurchtrittslöchern 24 sowie ein
im Rohrboden 171 zentral angeordnetes Gasaustrittsloch 25 auf.
Das innere Schutzrohr 16 weist im Rohrmantel einen Lochkranz
aus voneinander beabstandeten Gasdurchtrittslöchern 26 sowie im
Konus- oder Kegelmantel des konus- oder kegelstumpfförmigen Rohrendes
einen Lochkranz aus voneinander beabstandeten Zusatz-Gasdurchtrittslöchern 27 auf. Die
Lochachsen der Gasdurchtrittslöcher 24, 26 in
jedem Lochkranz sind radial ausgerichtet und liegen in einer zu
den Rohrachsen rechtwinkligen Ebene. Der Lochkranz mit den Gasdurchtrittslöchern 26 im
inneren Schutzrohr 16 ist zu dem Lochkranz mit den Gasdurchtrittslöchern 24 im
mittleren Schutzrohr 17 hin zum Rohrende des inneren Schutzrohrs 16 axial
versetzt. Das äußere Schutzrohr 18 und
das mittlere Schutzrohr 17 schließen einen zylindrischen Ringraum 28 ein,
das mittlere Schutzrohr 17 und das innere Schutzrohr 16 begrenzen
einen Ringraum 29 und das innere Schutzrohr 16 begrenzt
zusammen mit der Dichtung 14 einen Messraum 30,
in dein der Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 einliegt. Die
kegelstumpfförmigen
Rohrenden von mittlerem Schutzrohr 17 und innerem Schutzrohr 16 sind
so zueinander angeordnet, dass die Kegelmäntel der beiden Kegelstümpfe im
Ringraum 29 zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr 17, 16 einen
sich zu den Rohrenden hin verjüngenden
Ringraumabschnitt 291 bilden. Dabei ist der Eintrittsquerschnitt
für die
Messgasströmung
am in der Zeichnung oberen Ende des Ringraumabschnitts 291 kleiner
als der Querschnitt des Ringraums. 29.
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Mit
Einbau des Gassensors in ein das Messgas führendes Messgasrohr ragt das
Schutzrohrmodul 12 in den Messgasstrom hinein und verursacht eine
Querschnittsverengung im Messgasrohr. Dadurch wird das Messgas im
Bereich des Gasaustrittslochs 25 im mittleren Schutzrohr 17 beschleunigt
und erzeugt hier einen Unterdruck. Gleichzeitig baut sich im Strömungsrichtung
des Messgases vor dem aus dem äußeren Schutzrohr 18 vorstehenden
Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 am Rohrboden 181 des äußeren Schutzrohrs 18 ein Überdruck
auf. Das so entstehende Druckgefälle
sorgt – beim
Abgas zusammen mit der Druckpulsation im Abgasstrang – für eine längsgerichtete
Messgasströmung
im Schutzrohrmodul 12. Im äußeren Ringraum 28 strömt dann über die
Gaseintrittslöcher 23 im
Rohrboden 181 des äußeren Schutzrohrs 18 in
das Schutzrohrmodul 12 eintretendes Messgas in Richtung
Gehäuse 10,
tritt über
die Gasdurchtrittslöcher 24 im
mittleren Schutzrohr 17 in den Ringraum 29 und
strömt
hier gegensinnig in Richtung des Gasaustrittslochs 25 im
Rohrboden 171 des mittleren Schutzrohrs 17. Durch
das im Ringraumabschnitt 291 über die Zusatz-Gasdurchtrittslöcher 27 im
inneren Schutzrohr 16 hinweg bestehende Druckgefälle strömt ein Teil
des Messgasses aus dem Ringraum 29 durch die Gasdurchtrittslöcher 26 im
inneren Schutzrohr 16 hindurch und an den im Konusmantel
liegenden Zusatz-Gasdurchtrittslöchern 27 des
inneren Schutzrohrs 16 wieder aus. Dies hat eine gute Umströmung des
Endabschnitts 111 des Sensorelements 11 zur Folge und
bewirkt eine sehr gute Dynamik des Gassensors, d. h. einen sehr
schnellen Transport des Messgases durch das Schutzrohrmodul 12 am
messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 vorbei.
Die im Messgas enthaltenen Wassertropfen können aufgrund ihrer Trägheit nicht
der durch den Messraum 30 verlaufenden Messgasströmung folgen
und werden mit dem Messgasteilstrom im Ringraum 29 hin zum
Gasaustrittsloch 25 im Rohrboden 171 des mittleren
Schutzrohrs 17 geführt
und dort aus dem Schutzrohrmodul 12 hinaustransportiert.
Damit können
die Wassertropfen nicht an das thermoschockempfindliche Sensorelement 11 gelangen,
und das Sensorelement 11 ist gut gegen Wasserschlag geschützt.