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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer 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 oder Messfühler (
WO 95/18965 ) ist das Sensorelement
in einem als Metallrohr ausgebildeten Gehäuse angeordnet,
dessen eines stirnseitige Gehäuseende mit einer dem Messgas
ausgesetzten und eine Eintrittsöffnung für das
Messgas aufweisenden Schutzkappe abgeschlossen ist und in dessen
anderes stirnseitige Ende eine Metallmantelleitung eingeführt
ist. Die Metallmantelleitung ist mit einer aufgesetzten Buchse versehen,
die mittels Laserschweißen einerseits mit dem Metallmantel
der Metallmantelleitung und andererseits mit dem Gehäuse
verbunden ist. Im Abstand von dem metallmantelleitungsseitigen Ende
des Gehäuses ist ein Montageflansch durch Schweißen
fest mit dem Gehäuse verbunden. Der Montageflansch dient
zum Einbau des Gassensors in einen an einem messgasführenden
Messrohr angeordneten Anschlussstutzen. Der Montageflansch wird
nach Durchführen des rohrförmigen Gehäuses
dichtend auf die Stirnöffnung des Anschlussstutzens aufgesetzt,
um mittels einer auf einem Außengewinde des Anschlussstutzens
verschraubten Überwurfmutter am Anschlussstutzen festgesetzt
zu werden.
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Das
Sensorelement weist einen Sensorkörper mit einem gassensitive
Elektroden tragenden messgasseitigen Endabschnitt, der in die Schutzkappe
hineinragt, und einem anschlussseitigen Endabschnitt mit auf der
Körperoberfläche angeordneten, elektrischen Kontaktpunkten
auf. Auf jedem Kontaktpunkt ist ein Anschlussdrahtende der Metallmantelleitung
direkt aufgeschweißt. Die Kontaktpunkt sind über
auf dem Sensorkörper verlaufenden Leiterbahnen mit den
Elektroden im messgasseitigen Endabschnitt leitend verbunden. Auf
dem mittleren Abschnitt des Sensorkörpers ist ein Stützteil
aus einem Drahtgestrick aufgeschoben, das sich am Gehäuse abstützt.
Das Drahtgestrick dient einerseits zur mechanischen Abstützung
des Sensorkörpers im Gehäuse und verhindert andererseits,
dass im Messgas enthaltene Partikel in den anschlussseitigen Endabschnitt
des Sensorkörpers vordringen.
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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 die vollständige
Einbeziehung des Sensorelements in das Schutzrohr und die Verlegung
der Messrohr-Einbaumittel des Gassensors ummittelbar auf die Metallmantelleitung
auf das übliche Gehäuse des Gassensors verzichtet
wird und dadurch der Gassensor miniaturisiert werden kann. Das Sensorelement
liegt komplett im Messgas und kann eine Länge aufweisen,
die nur 10 mm bis 15 mm beträgt. Neben der Reduktion der
Bauteile wird durch die Miniaturisierung auch der erforderliche
Bedarf an Keramik und Edelmetallen deutlich verringert, was sich
insgesamt günstig auf die Reduzierung der Fertigungskosten
auswirkt.
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Durch
die geringe Baugröße des erfindungsgemäßen
Gassensors und dessen kostengünstigen Aufbau findet der
Gassensor ein breites Einsatzgebiet bei Kleinmotoren für
Motorräder, Boote, Rasenmäher und dgl., so dass
auch diese motorgetriebenen Aggregate verschärfte Abgasbedingungen
einhalten können.
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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 weist der Montageflansch
einen kegelförmigen Dichtsitz auf und ist auf der Metallmantelleitung
aufgeschweißt. Ein solcher Montageflansch bietet eine ausreichend
hohe Gasdichtheit des Einbauorts am Messgasrohr und kann problemlos
mit der bisherigen Befestigungstechnik, z. B. mittels einer Überwurfmutter,
an einem üblicherweise am Messgasrohr angeordneten Anschlussstutzen
montiert werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen
den einander zugekehrten Enden von Metallmantel der Metallmantelleitung
und Schutzrohr ein Füllkörper aus einer hochtemperaturfesten
Vergussmasse angeordnet, die den Endabschnitt des Metallmantels übergreift.
Als Vergussmasse kann ein keramischer Kleber verwendet werden, jedoch
wird eine Vergussmasse aus einer Glas-Keramik-Mischung bevorzugt,
die eine aufschmelzende und auskristallisierende Glaskomponente
aufweist. Ein solcher Füllkörper stabilisiert
einerseits den Kontaktbereich zwischen Sensorelement und Metallmantelleitung
und schützt diesen gegen Vibrationen und isoliert anderseits
den Kontaktbereich gegen Ausbildung von Leitungspfaden, die aus
Verschmutzungen durch Messgaspartikel resultieren. Gleichzeitig
wird die Metallmantelleitung gegen Feuchtigkeit isoliert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einem
zwischen Sensorelement und Schutzrohr vorhanden Hohlraum ein hochtemperaturfester,
gasdurchlässiger Stützkörper eingeschoben.
Der Stützkörper kann ein Gewebe, Gewirk, Gestrick
oder Vlies aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, sein. Der Stützkörper
stabilisiert das Sensorelement und verhindert Schwingungen relativ
zum Schutzrohr und sorgt für einen verbesserten Schutz des
Sensorkörpers des Sensorelements gegen Thermoschock, der
z. B. durch im Messgas mitgeführten Wassertröpfchen
ausgelöst wird, die auf den heißen keramischen
Sensorkörper auftreffen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die stoffschlüssige
Verbindung zwischen den Anschlussdrahtenden der Metallmantelleitung
und den Kontaktflächen des Sensorelements mittels eines
Reaktivlots hergestellt. Ein solches Reaktivlot hat die Eigenschaft,
dass es bei Anregung thermischer, elektrischer oder optischer Art
die für eine Lötung notwendige Energie selbst
zur Verfügung stellt. Der Lötvorgang findet in
Bruchteilen von Sekunden statt, so dass der Wärmeeintrag
in den keramischen Sensorkörper, der bei üblichen
Schweiß- oder Lötverfahren zu Rissen führen
kann, vernachlässigbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen in schematisierter Darstellung:
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1 einen
Gassensor, teilweise geschnitten,
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2 eine
Ansicht des Gassensors in Richtung Pfeil II in 1,
teilweise geschnitten.
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Der
in 1 und 2 skizzierte Gassensor zur Bestimmung
einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient beispielsweise
als sog. Lambdasonde der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Gassensor ist dabei in das
Abgasrohr der Brennkraftmaschine eingesetzt und über ein
elektrisches Verbindungskabel mit einem elektronischen Steuergerät
verbunden.
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Der
Gassensor weist ein Sensorelement 11, ein Schutzrohr 12 und
eine Metallmantelleitung 13 auf. Das Sensorelement 14 besitzt
einen Sensorkörper 14 aus einer sauerstoffionenleitenden
Keramik mit zwei gassensitiven Elektroden, von denen eine Innenelektrode 15 im
Sensorkörper 14 eingebettet und eine Außenelektrode 16 auf
der Körperoberfläche angeordnet ist. Innen- und
Außenelektrode 15, 16 sind über
je eine Leiterbahn 24 mit einer auf der Körperoberfläche
des Sensorkörpers 14 angeordneten elektrischen
Kontaktfläche 17 bzw. 18 verbunden. Die
Metallmantelleitung 13 weist in bekannter Weise einen Metallmantel 131 und
mehrere, im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 zwei,
im Innern des Metallmantels 131 isoliert geführte
Anschlussdrähte 132 auf. Jeweils ein Anschlussdraht 132 ist mit
seinem Drahtende auf eine der Kontaktflächen 17, 18 kontaktiert
und hierzu mit dieser stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige
Verbindung ist mittels eines sog. Reaktivlots hergestellt. Das Reaktivlot
hat die Eigenschaft, dass es bei einer thermischen, elektrischen
oder optischen Anregung die für die Lötung notwendige
Energie selbst zur Verfügung stellt. Der Lötvorgang
findet in Bruchteilen von Sekunden statt, so dass der Wärmeeintrag
in den Sensorkörper 14 vernachlässigbar
ist.
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Der
mit 10 mm bis 15 mm Länge extrem kurze Sensorkörper 14 des
Sensorelements 11 ist vollständig in dem Schutzrohr 12 aufgenommen,
das Öffnungen 19 zum Durchtritt des Messgases
aufweist. Zwischen den einander zugekehrten Enden von Metallmantelleitung 13 und
Schutzrohr 12 ist ein Füllkörper 20 aus
einer hochtemperaturfesten Vergussmasse angeordnet, die den Endabschnitt
des Metallmantels 131 der Metallmantelleitung 13 übergreift.
Der Füllkörper 20 weist dabei eine vom
Schutzrohr 12 zur Metallmantelleitung 13 hin sich
verjüngende, konische Form auf. Die Vergussmasse kann ein
keramischer Kleber sein. Bevorzugt wird jedoch eine Glas-Keramik-Mischung,
bei der die Glaskomponente aufschmilzt und nach dem Benetzen auskristallisiert,
wodurch ein gut haftender und kristalliner Füllkörper 20 erzeugt
wird. In dem zwischen dem Sensorelement 11 und dem Schutzrohr 12 vorhandenen
Hohlraum ist ein hochtemperaturfester, gasdurchlässiger
Stützkörper 21 eingeschoben, der einerseits
an der Innenwand des Schutzrohrs 12 und andererseits am
Sensorkörper 14 anliegt, so dass das Sensorelement 11 relativ
zum Schutzrohr 12 festgelegt ist und keine Schwingungen
ausführen kann. Als Stützkörper 21 wird
ein Gewebe, Gewirk, Gestrick oder Vlies aus Metall verwendet. Bevorzugt wird
dabei ein Edelstahlvlies.
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Auf
die Metallmantelleitung 13 ist ein Montageflansch 22 aufgeschoben
und in einem den Einbauverhältnissen angepassten Abstand
von dem schutzrohrseitigen Ende der Metallmantelleitung 13 auf
dem Metallmantel 131 gasdicht festgelegt. Vorzugasweise
wird der Montageflansch 22 auf dem Metallmantel 131 verschweißt.
Der Montageflansch 22 besitzt einen kegelförmigen
Dichtsitz 221 und dient zum gasdichten Einbau des Gassensors
in einen Anschlussstutzen eines das Messgas führenden Messgasrohrs.
Im Falle der Brennkraftmaschine ist dieser Anschlussstutzen radial
an das Abgasrohr der Brennkraftmaschine angesetzt. Nach Durchführung des
Gassensors durch den Anschlussstutzen schließt der Montageflansch 20 den
Anschlussstutzen ab und wird mittels einer auf den Anschlussstutzen
aufgeschraubten Überwurfmutter 23 (1)
am Anschlussstutzen gasdicht festgesetzt. Das Schutzrohr 12 mit
Sensorelement 11 ist dabei vollständig dem Messgasstrom
bzw. Abgasstrom ausgesetzt.
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In
der in 2 wiedergegebenen Ansicht des Gassensors in Richtung
Pfeil II in 1 sind Schutzrohr 12,
Stützkörper 21 und Füllkörper 20 wieder
geschnitten dargestellt, während das Sensorelement 11 in
Draufsicht zu sehen ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Das
Sensorelement 11 kann in bekannter Weise auch mit einem
elektrischen Heizer ausgestattet sein. In diesem Fall weist die
Metallmantelleitung 13 vier Anschlussdrähte 132 auf,
deren Anschlussdrahtenden auf zwei weitere Kontaktflächen
auf der Körperoberfläche des Sensorkörpers 14 kontaktiert sind.
Die zwei weiteren Kontaktflächen sind über Leiterbahnen
mit einer im Sensorkörpers 14 eingebetteten, elektrischen
Widerstandsbahn verbunden.
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Der
Gassensor kann ebenso als dem Messgas ausgesetzter Temperaturfühler
oder z. B. als Stickoxidsensor zum Bestimmen der Konzentration der
Stickoxide im Abgas von Brennkrafmaschinen ausgelegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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