DE102009009839A1

DE102009009839A1 - Multifunktionale Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102009009839A1
Application number: DE102009009839A
Authority: DE
Inventors: Heiko Lantzsch
Original assignee: Tesona GmbH and Co KG
Current assignee: Tesona GmbH and Co KG
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine multifunktionale Sensoranordnung, insbesondere zur Anwendung im Hochtemperaturbereich, umfassend ein stab- oder rohrförmiges Gebilde mit mindestens einem Sensorelement am zum Messraum gerichteten Ende des Gebildes, elektrische Anschlussleitungen, welche über das Gebilde vom Sensorelement zum messraumfernen Ende des Gebildes und zu einem dort befindlichen Anschlussmittel führen, sowie ein Befestigungsteil, welches außenumfangsseitig das messraumferne Ende des Gebildes gasdicht aufnimmt. Erfindungsgemäß weist das Gebilde mehrere, über den Querschnitt verteilt angeordnete kapillarförmige Durchgänge auf, wobei eine erste Gruppe von Durchgängen elektrische Leiter aufnimmt und eine zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang eine unmittelbare druckseitige Verbindung des Messraums zu einem außerhalb befindlichen Druck- und/oder Analysesensor bereitstellt. Weiterhin erfindungsgemäß kann die zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang Mittel zum Aktivieren oder Reinigen des Sensorelements bereitstellen oder aufnehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine multifunktionale Sensoranordnung, insbesondere zur Anwendung im Hochtemperaturbereich, umfassend ein stab- oder rohrförmiges Gebilde mit mindestens einem Sensorelement am zum Messraum gerichteten Ende des Gebildes, elektrische Anschlussleitungen, welche über das Gebilde vom Sensorelement zum messraumfernen Ende des Gebildes und zu einem dort befindlichen Anschlussmittel führen, ein Befestigungsteil, welches außenumfangsseitig das messraumferne Ende des Gebildes gasdicht aufnimmt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2006 015 427 B3 ist ein Messfühler für Hochtemperaturanwendungen vorbekannt.
Dieser Messfühler dient der Bestimmung einer physikalischen Größe oder einer Stoffzusammensetzung in einem Messvolumen, welches von einem Gehäuse umschlossen ist.
Der Messfühler umfasst hierfür ein Sensorelement, ein Rohr, an dessen in das Messvolumen gerichtetem Ende das Sensorelement angebracht ist und durch welches für den Anschluss des Sensorelements elektrische Anschlussleitungen durchgeführt sind. Weiterhin ist eine Befestigungshülse, durch welche das Rohr elektrisch isoliert durchgeführt ist und am Gehäuse befestigt ist, vorgesehen, wobei zwischen der Innenfläche der Befestigungshülse und dem Rohr ein umlaufender Spalt gebildet ist. Eine Glasfüllung, die im Spalt zwischen der Befestigungshülse und dem Rohr angeordnet ist, verbindet die beiden Elemente gasdicht miteinander.
Im Rohr können elektrische Anschlussmittel verlegt werden, die eine Verbindung zwischen dem Sensorelement und einer außenseitigen Anschlussleitung herstellen.
Der vorstehend beschriebene Messfühler ist z. B. geeignet, Abgastemperaturen in Brennkraftmaschinen zu bestimmen, um hierdurch z. B. einen Turbolader vor Überlastbetrieb zu schützen.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte, nunmehr multifunktionale Sensoranordnung, insbesondere zur Anwendung im Hochtemperaturbereich, anzugeben, die von einem stab- oder rohrförmigen Gebilde mit mindestens einem Sensorelement am zum Messraum gerichteten Ende des Gebildes ausgeht und welche in der Lage ist, nicht nur eine Messgröße oder Bedingung, die im Messraum herrscht, zu bestimmen, und zwar ohne dass es notwendig ist, mehrere Zugänge zum Messraum vorzusehen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, definierte Bedingungen für das Sensorelement bereitzustellen, ohne die gesamte Anordnung aus dem Messraum entfernen zu müssen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine multifunktionale Sensoranordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1 oder 10, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.
Es wird demnach von einer multifunktionalen Sensoranordnung, insbesondere zur Anwendung im Hochtemperaturbereich, umfassend ein stab- oder rohrförmiges Gebilde mit mindestens einem Sensorelement am zum Messraum gerichteten Ende des Gebildes ausgegangen. Die Sensoranordnung umfasst außerdem elektrische Anschlussleitungen, welche über das Gebilde vom Sensorelement zum messraumfernen Ende des Gebildes und zu einem dort befindlichen Anschlussmittel führen. Auch ist ein Befestigungsteil vorgesehen, welches außenumfangsseitig das messraumferne Ende des Gebildes gasdicht aufnimmt. Dieses Befestigungsteil kann z. B. als Drehteil mit Schraubgewinde ausgeführt werden, um die gesamte Sensoranordnung z. B. in einem Rohrstück einer Abgasleitung zu befestigen.
Erfindungsgemäß weist das Gebilde mehrere, über den Querschnitt verteilt angeordnete kapillarförmige Durchgänge auf, wobei eine erste Gruppe von Durchgängen elektrische Leiter aufnimmt und eine zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang eine unmittelbare druckseitige Verbindung des Messraums zu einem außerhalb befindlichen Druck- und/oder Analysesensor bereitstellt.
Durch die druckseitige Verbindung zwischen Messraum und der Umgebung besteht die Möglichkeit, z. B. die Druckverhältnisse im Messraum zu bestimmen oder aber auch eine bestimmte Gasmenge nach außen zu führen, um diese Gas- oder auch Flüssigkeitsmenge einer z. B. chemischen oder stofflichen Analyse zu unterziehen.
Ausgestaltend umfasst die erste Gruppe mindestens einen oder entsprechend der Art des Sensorelements n-Durchgänge. Bei einer Zweileiteranordnung sind bevorzugt zwei Durchgänge vorhanden. Die Durchgänge sind voneinander beabstandet. Bei einer isolierenden Ausführung des Gebildes, z. B. als Keramikrohr, kann eine gesonderte elektrische Isolation zwischen den betreffenden Anschlussleitungen entfallen.
Die zweite Gruppe umfasst mindestens einen zu einer Druckmembran gerichteten Durchgang. Die Druckmembran ist dabei bevorzugt Bestandteil des Drucksensors.
Ausgestaltend kann in mindestens einem Durchgang der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe ein faseroptisches Kabel befindlich sein. Da Faseroptiken in Verbindung mit der Einstrahlung von Laserlicht einer Raman-Streuung bei Druckveränderungen unterliegen, besteht hier die Möglichkeit, in sehr einfacher Weise Druckveränderungen zu bestimmen.
Am messraumseitigen Ende des Gebildes ist ein Verdrahtungsträger vorgesehen, welcher den Druck- und/oder Analysesensor aufnimmt.
Außerdem besteht die Möglichkeit, auf dem Verdrahtungsträger eine elektronische Signalvorverarbeitungs-Baugruppe anzuordnen. Kritische Messsignale oder Messsignalpegel können durch die Signalvorverarbeitungs- Baugruppe z. B. verstärkt werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis auch zu einer entfernt liegenden z. B. Reglereinheit zu verbessern.
Das Gebilde kann bevorzugt als Keramikstab oder Keramikrohr ausgeführt werden, wobei dann innerhalb des Keramikstabs oder Keramikrohrs entsprechend der Anzahl der Durchgänge die jeweiligen Kapillare vorhanden sind.
Das Gebilde und das Befestigungsteil werden bevorzugt durch eine Einglasung miteinander verbunden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere dazu dient, definierte Bedingungen für das Sensorelement bereitzustellen, ohne dass die gesamte Sensoranordnung aus dem Messraum entfernt werden muss, wird wiederum von einem Gebilde ausgegangen, das über den Querschnitt verteilt angeordnete n-kapillarförmige Durchgänge aufweist, wobei eine erste Gruppe von Durchgängen, insbesondere elektrische Leiter, für das mindestens eine Sensorelement aufnimmt.
Eine zweite Gruppe weist erfindungsgemäß mindestens einen, bevorzugt mehrere Durchgänge auf. Diese zweite Gruppe von Durchgängen dient der Aufnahme von Mitteln zum Aktivieren oder Reinigen des Sensorelements. Derartige Mittel können z. B. eine Gaszuführung umfassen oder aber auch als Heizelement ausgebildet sein, um z. B. einen Rußsensor auszuheizen, d. h. von Rußpartikeln zu befreien.
In diesem Sinne kann die zweite Gruppe von Durchgängen Anschlussleitungen zum Heizen, aber auch zum Kühlen des Sensorelements aufweisen.
Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß, verschiedene Möglichkeiten zur Befestigung des mindestens einen Sensorelements am Gebilde anzugeben.
Hierfür wird bevorzugt am zum Messraum gerichteten oder in den Messraum hineinreichenden Ende des Gebildes eine Abflachung als Montagefläche für das Sensorelement geschaffen. Insbesondere bei einem keramischen Material für das Gebilde ist dies bearbeitungstechnisch leicht möglich.
Die Abflachung ist mindestens über einen Teillängsabschnitt des Gebildes und/oder mindestens über einen Teilquerabschnitt des Gebildes ausgeführt.
Dabei reicht die Abflachung bis in den Bereich mindestens zu einer der Gruppen von kapillarförmigen Durchgängen hinein, um die Kontaktierung des Sensorelements bzw. die Zuführung der Mittel zum Aktivieren oder Reinigen des Sensorelements in einfacher Weise realisieren zu können, z. B. ohne dass Abwinklungen oder unerwünschte Biegeradien von Anschlusselementen gegeben sind.
Ausgestaltend kann die Abflachung unmittelbar am messraumseitigen Ende des Gebildes angeordnet sein.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, z. B. aus thermischen Gründen, die Abflachung beabstandet vom messraumseitigen Ende des Gebildes vorzusehen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Die 1 zeigt hierbei eine prinzipielle Darstellung der multifunktionalen Sensoranordnung im Längsschnitt sowie entlang der Linie A-A einen Querschnitt durch das Gebilde mit drei Kapillaren gemäß Ausführungsbeispiel.
Gemäß der 1 wird von einem Keramikstab oder Keramikrohr 1 als Gebilde ausgegangen, welches in seinem Inneren gemäß Schnitt A-A drei einzelne Kapillare besitzt.
Zwei Kapillare 2 dienen z. B. der Aufnahme einer elektrischen Verbindungsleitung zu einem PT-Element 3.
Eine dritte Kapillare 4 schafft eine druckseitige Verbindung zum Messraum M. Mit anderen Worten ist eine messraumbezogene eingangsseitige Öffnung 5 der Kapillare 4 vorhanden.
Das ausgangsseitige Ende der Kapillare 4 führt zu einem Verdrahtungsträger 6, der z. B. eine Druckmembran und eine Auswerteelektronik umfasst.
Zwischen dem Keramikrohrgebilde 1 und einem z. B. als Drehteil ausgebildeten Befestigungsteil 7 befindet sich eine gasdichte Einglasung 8, wie sie z. B. in der DE 10 2006 015 427 B3 , auf die unter diesem Aspekt inhaltlich Bezug genommen wird, gezeigt ist.
Die zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang kann Mittel zum Aktivieren oder Reinigen des Sensorelements bereitstellen oder aufnehmen. Hierfür besteht die Möglichkeit, an oder in der Nähe des Sensorelements, das z. B. als Rußsensor genutzt wird, ein Heizelement zu fixieren, wobei über die zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang die elektrischen Anschlussleitungen für das Heizelement zu führen sind.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, über diese zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang z. B. ein Kältemittel oder ein Reinigungsmittel auf den Sensor aufzubringen, ohne dass die gesamte Sensoranordnung ausgebaut bzw. demontiert werden muss.
Mit Hilfe der 2 und 3 soll die Möglichkeit der Ausbildung einer Montagefläche für das Sensorelement 3 beispielhaft vorgestellt werden.
Bei den Darstellungen gemäß 2, die eine Seitenansicht, eine Draufsicht sowie einen Schnitt längs der Linie A-A zeigen, ist beabstandet vom messraumseitigen Ende des Keramikstabs oder Keramikrohrs 1 eine Abflachung 10 ausgebildet.
Diese Abflachung 10, die sich über einen Teillängsabschnitt sowie einen Teilquerschnitt des Keramikstabs oder Keramikrohrs 1 erstreckt, reicht bis in den Bereich von Kapillaren 2; 4 hinein, so dass eine nahezu geradlinige Kontaktierung möglich ist.
Bei den Darstellungen nach 2, aber auch bei der weiteren Ausführungsform der Abflachung nach den 3 (Seitenansicht, Draufsicht, Vorderansicht) ist die Abflachung über die halbe Querschnittsfläche über den vorerwähnten Längsabschnitt des Keramikrohrs 1 realisiert.
Es besteht hier aber auch die Möglichkeit, lediglich einen querschnittsseitigen Quadranten oder einen Bruchteil hiervon abzuflachen, wodurch ergänzend ein zumindest einseitiger Schutz des Sensorelements 3 möglich ist.
Ergänzend ist bei einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass eine nutförmige Einfräsung umfangsseitig in Richtung Längsachse des Keramikrohrs 1 vorgenommen wird, wobei dann in diese Einfräsung das Sensorelement einsetzbar ist.
Bei der Darstellung nach 3 ist ebenfalls ein Keramikrohr 1 als Gebilde mit im Inneren angeordneten Kapillaren vorhanden, wobei die Montagefläche in Form der Abflachung 10 für das Sensorelement 3 unmittelbar bis zum messraumseitigen Ende des Keramikrohrs 1 reicht. Der Messraum ist hier mit dem Bezugszeichen M angedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006015427 B3 [0002, 0034]

Claims

Multifunktionale Sensoranordnung, insbesondere zur Anwendung im Hochtemperaturbereich, umfassend ein stab- oder rohrförmiges Gebilde mit mindestens einem Sensorelement am zum Messraum gerichteten Ende des Gebildes, elektrische Anschlussleitungen, welche über das Gebilde vom Sensorelement zum messraumfernen Ende des Gebildes und zu einem dort befindlichen Anschlussmittel führen, sowie ein Befestigungsteil, welches außenumfangsseitig das messraumferne Ende des Gebildes gasdicht aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde mehrere, über den Querschnitt verteilt angeordnete kapillarförmige Durchgänge aufweist, wobei eine erste Gruppe von Durchgängen insbesondere elektrische Leiter aufnimmt und eine zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang eine unmittelbare druckseitige Verbindung des Messraums zu einem außerhalb befindlichen Druck- und/oder Analysesensor bereitstellt.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe mindestens einen oder entsprechend der Art des Sensorkabels n-Duchgänge umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe mindestens einen zu einer Druckmembran gerichteten Durchgang aufweist.
Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Durchgang der ersten Gruppe ein faseroptisches Kabel befindlich ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am messraumfernen Ende das Gebilde auf einen Verdrahtungsträger führt, welcher den Druck- und/oder Analysesensor aufnimmt.
Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Verdrahtungsträger eine elektronische Signalvorverarbeitungs-Baugruppe befindlich ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysesensor zur Gas- oder Flüssigkeitsanalyse ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde als Keramikstab oder Keramikrohr ausgeführt ist.
Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde und das Befestigungsteil durch eine Einglasung miteinander verbunden sind.
Multifunktionale Sensoranordnung, insbesondere zur Anwendung im Hochtemperaturbereich, umfassend ein stab- oder rohrförmiges Gebilde mit mindestens einem Sensorelement am zum Messraum gerichteten Ende des Gebildes, elektrische Anschlussleitungen, welche über das Gebilde vom Sensorelement zum messraumfernen Ende des Gebildes und zu einem dort befindlichen Anschlussmittel führen, sowie ein Befestigungsteil, welches außenumfangsseitig das messraumferne Ende des Gebildes gasdicht aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde mehrere, über den Querschnitt verteilt angeordnete kapillarförmige Durchgänge aufweist, wobei eine erste Gruppe von Durchgängen insbesondere elektrische Leiter für das Sensorelement aufnimmt und eine zweite Gruppe von mindestens einem Durchgang Mittel zum Aktivieren oder Reinigen des Sensorelements bereitstellt oder aufnimmt.
Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe mindestens einen oder entsprechend der Art des Sensorkabels n-Durchgänge umfasst.
Sensoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe mindestens einen zu einer Druckmembran gerichteten Durchgang aufweist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Durchgang der ersten Gruppe ein faseroptisches Kabel befindlich ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde als Keramikstab oder Keramikrohr ausgeführt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebilde und das Befestigungsteil durch eine Einglasung miteinander verbunden sind.
Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zum Messraum gerichteten oder in den Messraum hineinreichenden Ende des Gebildes eine Abflachung, Einfräsung oder Nut als Montagefläche für das Sensorelement vorgesehen ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflachung, Einfräsung oder Nut mindestens über einen Teillängsabschnitt des Gebildes und/oder mindestens über einen Teilquerabschnitt des Gebildes ausgeführt ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflachung, Einfräsung oder Nut bis in den Bereich mindestens einer der Gruppen von kapillarförmigen Durchgängen hineinreichend ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflachung, Einfräsung oder Nut unmittelbar am messraumseitigen Ende des Gebildes angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflachung, Einfräsung oder Nut beabstandet vom messraumseitigen Ende des Gebildes befindlich ist.