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Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer Temperatur, insbesondere einer Temperatur von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs. Der Sensor umfasst ein Messelement, an welches wenigstens eine Leitung angeschlossen ist. Das Messelement ist über die wenigstens eine Leitung elektrisch leitend mit einem weiteren Leiter verbunden, über welchen das Messelement mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist.
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Die
DE 10 2010 050 952 A1 beschreibt einen thermisch beanspruchten Sensor, etwa einen Temperaturmessfühler im Abgaszweig von Motoren, an dessen zum Messort gerichteten Ende ein Messelement angeordnet ist. Dieses ist über zwei Leitungen mit den beiden Adern eines Kabels verbunden. Die Leitungen sind hierbei zumindest bereichsweise in einen Formkörper eingebettet, welcher aus einem isolierenden Material besteht und dem Verlängern von Kriechstrecken dient. So werden unerwünschte Kriechströme zwischen einer metallischen Hülse, in welcher sich das Messelement und die Leitungen befinden, und den Leitungen vermieden.
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Bei derartigen Sensoren ist beobachtet worden, dass es zu einem Versagen des Sensors kommen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn aufgrund von sehr hohen Temperaturen und sehr hohen Temperaturgradienten der Sensor hohen Belastungen ausgesetzt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher besonders robust ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sensor ist das Messelement mit dem weiteren Leiter in Anlage. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei den hohen Temperaturen des den Sensor umgebenden Mediums in dem Sensor zu temperaturbedingten mechanischen Spannungen kommen kann. Beispielsweise können bei Temperatursensoren zum Messen der Temperatur von Abgas, welche stromaufwärts eines Abgasturboladers im Abgaskrümmer verbaut sind, Temperaturen von 900°C auftreten und Gradienten von 500 K/s bis 700 K/s.
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Hierbei kann es dazu kommen, dass sich eine äußere Hülle des Sensors aufgrund der rasch absinkenden Temperatur vergleichsweise stark zusammenzieht, da sie rascher abkühlt als Komponenten im Inneren der Hülle. Dies bewirkt dann die Ausübung einer Kraft auf das Messelement. Wenn nun das Messelement nicht mit dem Leiter in Anlage ist, so wird über die Leitung, welche an das Messelement angeschlossen ist, die auftretende Kraft auf den weiteren Leiter übertragen. Diese Kraftübertragung kann bei starken Belastungen zu einem Bruch des weiteren Leiters führen.
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Dadurch, dass vorliegend das Messelement mit dem weiteren Leiter in Anlage ist, kann es zu keiner Relativbewegung des Messelements bezogen auf den weiteren Leiter kommen. Das Messelement ist also quasi auf Block an dem weiteren Leiter positioniert. Dadurch ist eine Kraftübertragung von der Leitung auf den weiteren Leiter auch bei hohen Temperaturgradienten verhindert.
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Mit anderen Worten liegt das Messelement direkt an dem weiteren Leiter an, und die Kraftübertragung vom Messelement auf den weiteren Leiter erfolgt nicht mehr über die an das Messelement angeschlossene Leitung, sondern direkt auf den weiteren Leiter. Dadurch ist besonders weitgehend verhindert, dass es zu einem Bruch des weiteren Leiters kommt. Dies führt zu einer besonders großen Robustheit des Sensors.
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Als vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Messelement mit einer in einem axialen Endbereich des weiteren Leiters ausgebildeten Stirnseite des Leiters zumindest bereichsweise in Anlage ist. Die von dem Messelement ausgeübte Kraft wirkt nämlich in die axiale Richtung des weiteren Leiters, so dass sie dann besonders gut von dem weiteren Leiter aufgenommen werden kann.
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Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, wenn der weitere Leiter zumindest in einem sich mit dem Messelement zumindest bereichsweise in Anlage befindenden Endbereich als Rohr ausgebildet ist, wobei die an das Messelement angeschlossene Leitung in das Rohr eingeführt ist. So kann verhindert werden, dass sich die Leitung relativ zu dem weiteren Leiter bewegt, und es kann besonders weitgehend ein Verkippen des Messelements relativ zu dem Rohr ausgeschlossen werden. Wenn sich die Leitung nicht relativ zu dem Rohr bewegen kann, so wird über diese auch keine mechanische Spannung auf das Rohr übertragen.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die an das Messelement angeschlossene Leitung in radialer Richtung spielfrei in dem Rohr aufgenommen ist. So ist ein besonders guter Sitz der Leitung in dem Rohr sichergestellt.
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Die an das Messelement angeschlossene Leitung kann in dem Rohr insbesondere mittels einer Schweißverbindung fixiert sein. Dann ist nämlich eine besonders sichere Fixierung der Leitung in dem Rohr gegeben.
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Das Rohr kann insbesondere eine Wandstärke von 0,2 mm bis 0,3 mm aufweisen. Dann ist durch das Rohr eine vergleichsweise große Anlagefläche für das Messelement bereitgestellt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Seitenansicht eine Messspitze eines Sensors gemäß dem Stand der Technik, bei welchem die Verbindung eines Messelements mit Verbindungsdrähten über Platindrähte erfolgt, wobei das Messelement von den Verbindungsdrähten beabstandet ist;
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2 den Sensor gemäß 2 in einer Draufsicht von oben;
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3 in einer schematischen Seitenansicht eine Messspitze eines weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Sensors und die hierbei vorliegende Art der elektrischen Verbindung der Verbindungsdrähte mit dem Messelement;
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4 in einer schematischen Seitenansicht eine Messspitze eines Sensors, bei welchem das Messelement mit dem als Röhrchen ausgebildeten Verbindungsdraht direkt in Anlage ist; und
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5 den Sensor gemäß 4 in einer Draufsicht von oben.
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Von einem Sensor 10, welcher als Abgassensor für ein Fahrzeug ausgebildet ist, ist in 1 eine Messspitze gezeigt. Der Sensor 10 umfasst ein Messelement 12, welches beispielsweise aus einem Keramiksubstrat gebildet ist und als PTC-Element oder als NTC-Element ausgebildet sein kann (PTC = Positive Temperature Coefficient, positiver Temperaturkoeffizient; NTC = Negative Temperature Coefficient, negativer Temperaturkoeffizient), also als Kaltleiter bzw. als Heißleiter.
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In dieses Messelement 12, welches bereichsweise mit einer Abdeckung 14 versehen ist, sind Enden von zwei Platindrähten 16 eingebettet. Diese an das Messelement 12 angeschlossenen beiden Leitungen sind mit einem weiteren Leiter, nämlich mit einem jeweiligen Verbindungsdraht 18 verbunden, beispielsweise durch Verschweißen. Die Verbindungsdrähte 18 sind steifer als die Platindrähte 16 und weisen einen größeren Durchmesser als letztere auf.
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Über die Verbindungsdrähte 18 kann das Messelement 12 zur Temperaturmessung mit elektrischem Strom beaufschlagt werden. Die Verbindungsdrähte 18 können aus einer korrosionsbeständigen Nickellegierung gebildet sein, die beispielsweise unter dem Markennamen INCONEL erhältlich ist. Das Messelement, die Platindrähte 16 und die Verbindungsdrähte 18 sind in einem endseitig geschlossenen Gehäuse 20 angeordnet, welches ebenfalls aus einer Nickellegierung wie INCONEL gebildet sein kann. Hierbei sind das Messelement 12, die Platindrähte 16 und die Verbindungsdrähte 18 in ein Füllmaterial 22 wie beispielsweise Magnesiumoxid eingebettet.
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Etwa wenn der Sensor 10 mit heißem Abgas beaufschlagt wird und anschließend das Fahrzeug im Schubbetrieb fährt, so kommt es zu einem sehr raschen Temperaturabfall. Dieser hohe Temperaturgradient bewirkt ein Sich-Zusammenziehen des Gehäuses 20.
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Das Gehäuse 20 kühlt hierbei schneller ab als die innerhalb desselben angeordneten Komponenten des Sensors 10. Bei diesem hohen Temperaturgradienten kommt es also zu mechanischen Spannungen in dem Sensor 10. Hierbei wirkt auf das Messelement 12 eine Kraft, deren Richtung in 1 durch einen Pfeil 23 veranschaulicht ist.
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Bei der in 1 gezeigten Ausbildung des Sensors 10 kann dies dazu führen, dass sich das Messelement 12 hin zu den Verbindungsdrähten 18 bewegt. Entsprechend wird die Kraft, welche infolge von temperaturbedingten mechanischen Spannungen entsteht, über die Platindrähte 16 auf die Verbindungsdrähte 18 übertragen. Aufgrund der lediglich begrenzten Festigkeit der Verbindungsdrähte 18 können diese dann brechen, so dass es zu einem Versagen des Sensors 10 kommt.
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Wie insbesondere aus 2 gut ersichtlich ist, ist bei dem Sensor 10 gemäß 1 ein vergleichsweise großer Abstand zwischen dem Messelement 12 und den Verbindungsdrähten 18 vorhanden.
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Bei dem in 3 gezeigten, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Sensor 10 sind die Platindrähte 16 auch mit einem Ende an das Messelement 12 angeschlossen und mit dem anderen Ende an die Verbindungsdrähte 18. Jedoch erstrecken sich hier die Platindrähte 16 nicht wie bei dem Sensor 10 gemäß 1 in dieselbe Richtung wie die Verbindungsdrähte 18, sondern die Platindrähte 16 weisen eine Wölbung auf.
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Auch bei dem in 3 gezeigten Sensor 10 kann sich das Messelement 12 jedoch hin zu den Verbindungsdrähten 18 bewegen, wenn es aufgrund des Temperaturgradienten zu mechanischen Spannungen in dem Sensor 10 kommt. Dies liegt daran, dass zwischen den Verbindungsdrähten 18 und dem Messelement 12 ein – wenn auch vergleichsweise geringer – Abstand vorliegt. In 3 ist des Weiteren ein Durchmesser D der Messpitze des Sensors 10 angegeben, welcher bei etwa 3 mm liegen kann.
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Bei einem in 4 gezeigten Sensor 24, welcher als Abgassensor in einem Fahrzeug zum Einsatz kommt, ist das Messelement 12 mit einer Stirnseite des jeweiligen Verbindungsdrahts 18 in Anlage. Die Verbindungsdrähte 18 sind hierbei als dünne Röhrchen ausgebildet, welche einen inneren Hohlraum 26 aufweisen. In diese Hohlräume 26 sind die freien, also nicht an das Messelement 12 angeschlossene Enden der Platindrähte 16 eingeführt.
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Auch die für den Sensor 24 verwendeten Verbindungsdrähte 18 können aus einer Nickel enthaltenden Legierung, insbesondere aus einer unter dem Markennamen INCONEL vertriebenen Legierung gebildet sein. Der in den Hohlraum 26 eingeführte Platindraht 16 ist mit dem als Röhrchen ausgebildeten Verbindungsdraht 18 durch wenigstens einen Schweißpunkt verbunden.
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Auch das Gehäuse 20 des in 4 gezeigten Sensors 14 ist mit dem Füllmaterial 22 gefüllt, beispielsweise mit Magnesiumoxid. Infolgedessen sind das Messelement 12 mit der Abdeckung 14, die Platindrähte 16 und die Verbindungsdrähte 18 in dieses Füllmaterial 22 eingebettet.
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Dadurch, dass die Verbindungsdrähte 18 direkt an dem Messelement 12 anliegen und die Platindrähte 16 in die als Röhrchen ausgebildeten Verbindungsdrähte 18 eingeführt sind, erfolgt die durch den Temperaturgradienten und/oder Vibrationen bedingte Kraftübertragung auf die Verbindungsdrähte 18 nicht über die Platindrähte 16. Vielmehr wird die Kraft von dem Messelement 12 direkt auf die vergleichsweise steifen und einen größeren Durchmesser als die Platindrähte 16 aufweisenden Verbindungsdrähte 18 übertragen.
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Die Verbindungsdrähte 18 können hierbei insbesondere oberseitig und unterseitig von den Platindrähten 18 an dem Messelement 12 anliegen. Die Wandstärke der als Röhrchen ausgebildeten Verbindungsdrähte 18 kann beispielsweise bei etwa 0,25 mm liegen.
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Durch die Positionierung des Messelements 12 auf Block mit den Verbindungsdrähten 18 wird eine Relativbewegung oder Wanderung des Messelements 12 relativ zu den Verbindungsdrähten 18 wirksam unterbunden. Dadurch werden bei infolge der Temperaturbelastung des Sensors 24 auftretenden Kraftbeaufschlagungen in die Richtung des in 1 gezeigten Pfeils 23 die Verbindungsdrähte 18 nicht über die Platindrähte 16 mit einer mechanischen Spannung beaufschlagt. Folglich kommt es nicht zu einem Brechen dieser Verbindungsdrähte 18.
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Aus der Ansicht in 5 auf den Sensor 24 geht besonders gut hervor, dass das Messelement 12 sich in Anlage mit den Stirnseiten der Verbindungsdrähte 18 befindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010050952 A1 [0002]
