DE102016215921A1

DE102016215921A1 - Sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space

Info

Publication number: DE102016215921A1
Application number: DE102016215921.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Jaeger; Marc Rosenland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-03-01
Also published as: WO2018036768A1

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst ein Sensorgehäuse (12) und ein Sensorelement (32) zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases. Das Sensorgehäuse (12) weist eine Längsbohrung (16) auf. Das Sensorelement (32) ist in der Längsbohrung (16) angeordnet. Das Sensorelement (32) ist von mindestens einer Dichtung (42) umgeben. In der Längsbohrung (16) des Sensorgehäuses (12) sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil (46) und ein anschlussseitiges Formteil (48) angeordnet. Die Dichtung (42) ist zwischen dem messgasseitigen Formteil (46) und dem anschlussseitigen Formteil (48) angeordnet. Das messgasseitige Formteil (46) und das anschlussseitige Formteil (48) sind aus Edelstahl hergestellt.A sensor (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor (10) comprises a sensor housing (12) and a sensor element (32) for detecting the at least one property of the measurement gas. The sensor housing (12) has a longitudinal bore (16). The sensor element (32) is arranged in the longitudinal bore (16). The sensor element (32) is surrounded by at least one seal (42). In the longitudinal bore (16) of the sensor housing (12) spaced apart from each other a Meßgasseitiges mold part (46) and a connection-side molding (48) are arranged. The seal (42) is arranged between the measuring gas side molding (46) and the connection side molding (48). The measuring gas side molding (46) and the connection side molding (48) are made of stainless steel.

Description

Stand der Technik State of the art

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur. A large number of sensors and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas are detectable, such as the temperature.

Derartige Sensoren beruhen auf der Verwendung entsprechend ausgebildeter Sensorelemente. Beispiele für derartige Sensoren sind als so genannte Lambdasonden ausgestaltet, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 160–165 bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid, die geringe Zusätze an Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid enthalten können. Such sensors are based on the use of appropriately designed sensor elements. Examples of such sensors are designed as so-called lambda probes, as they for example Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition, 2010, pages 160-165 are known. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ describes this air-fuel ratio. In particular, ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, ie ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids can be ceramic solid electrolytes, such as zirconia, in particular yttrium-stabilized zirconia and scandium-doped zirconia, which may contain small amounts of alumina and / or silica.

Aus der DE 197 14 203 A1 und der DE 195 32 090 C2 sind Lambdasonden mit einem Dichtpackungssystem bekannt, welches aus einer Kombination mehrerer Dichtscheiben aus Steatit und Bornitrid besteht. Bei den Steatitdichtscheiben handelt es sich um ungesinterten Steatitrohstoff. Beim Bornitrid handelt es sich um hexagonales heißgepresstes Bornitrid. Bei der Montage wird das Dichtpackungssystem durch zwei angrenzende Stützkeramikbuchsen aus hartgesintertem Steatit oder Al₂O₃ im Sensorgehäuse gekammert und durch axiale Krafteinleitung pulverisiert und verdichtet. Dabei werden Fügespalte geschlossen und die Dichtheit gesteigert. Das Dichtsystem hat die Aufgabe, Abgas und Feuchtigkeit vom Referenzluftraum des Sensors zu trennen. From the DE 197 14 203 A1 and the DE 195 32 090 C2 Lambda probes are known with a sealing system, which consists of a combination of several sealing disks made of steatite and boron nitride. The steatite sealing discs are unsintered steatite raw material. The boron nitride is hexagonal hot-pressed boron nitride. During assembly, the sealing pack system is chambered in the sensor housing by two adjoining support ceramic bushes made of hard-sintered steatite or Al ₂ O ₃ and pulverized and compacted by axial application of force. Joining gaps are closed and the tightness increased. The sealing system has the task of separating exhaust gas and moisture from the reference air space of the sensor.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Zwar weist das oben beschriebene Dichtpackungssystem gute Dichteigenschaften gegenüber Gasen und Flüssigkeiten auf, jedoch sind die Stützkeramikbuchsen hinsichtlich ihrer Festigkeit grenzwertig ausgelegt, da diese aus hauptsächlich aus Steatit oder Aluminiumoxid hergestellt sind. Aufgrund von Materialschwankungen und Prozessschwankungen beim Herstellen, wie beispielsweise Werkzeugverschleiß, Werkzeugausrichtung usw., kommt es häufig zu Rissen oder Abplatzungen beim Verdichten der Dichtpackungen. Es besteht dadurch ein Risiko, dass Abplatzungen beim Kabelbaumfügen zwischen Sensorelement und Crimpkontakte eingeklemmt werden, was Signalfehler zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil der genannten Materialien der Stützkeramikbuchsen ist der Unterschied der Wärmeausdehungskoeffizienten zum Sensorgehäuse. Bei Betriebstemperatur von ungefähr 600 °C bis 700 °C entstehen so axiale und radiale Spalte, die die Vorspannung auf die Steatitpackung reduzieren. Dadurch kann es Zerrüttung der Dichtpackungen und Bruch des Sensorelements kommen. Despite the advantages of sensors known from the prior art, these still have room for improvement. Although the above-described packing system has good sealing properties against gases and liquids, however, the supporting ceramic bushings are borderline in strength because they are made of mainly steatite or alumina. Due to material variations and process variations in manufacturing, such as tool wear, tool alignment, etc., cracking or chipping often occurs when compacting the packing. As a result, there is a risk that chipping during harness joining between the sensor element and the crimp contacts will be trapped, resulting in signal errors. Another disadvantage of said materials of the support ceramic bushings is the difference in thermal expansion coefficients to the sensor housing. At operating temperatures of about 600 ° C to 700 ° C so arise axial and radial gaps, which reduce the bias on the steatite. This can cause disruption of the packing and breakage of the sensor element.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine verbesserte Dichtwirkung gegenüber Feuchtigkeit und Abgasen realisiert ist sowie die Sensorfunktion verbessert ist. Therefore, a sensor is proposed for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known sensors and in which, in particular, an improved sealing effect with respect to moisture and exhaust gases is realized and the sensor function is improved.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Sensorgehäuse und ein Sensorelement zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases. Das Sensorgehäuse weist eine Längsbohrung auf. Das Sensorelement ist in der Längsbohrung angeordnet. Das Sensorelement ist von mindestens einer Dichtung umgeben. In der Längsbohrung des Sensorgehäuses sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil und ein anschlussseitiges Formteil angeordnet. Die Dichtung ist zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet. Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil sind aus Edelstahl hergestellt. A sensor according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprises a sensor housing and a sensor element for detecting the at least one property of the measurement gas. The sensor housing has a longitudinal bore. The sensor element is arranged in the longitudinal bore. The sensor element is surrounded by at least one seal. In the longitudinal bore of the sensor housing spaced from each other a Meßgasseitiges molding and a connection-side molding are arranged. The seal is arranged between the measuring gas side molding and the connection side molding. The measuring gas side molding and the connection side molding are made of stainless steel.

Unter einem Formteil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das eine bestimmte Anpresskraft auf die Dichtung oder die Dichtungen ausübt. Am messgasseitigen Ende und am anschlussseitigen Ende der Dichtung oder der Dichtungen ist dabei jeweils ein Formteil angeordnet, so dass die Dichtung beidseitig von den Formteilen umgeben ist. Die Formteile können die Dichtung oder die Dichtungen einspannen. Die aus Edelstahl hergestellten Formteile können durch Stanzen oder Fließpressen hergestellt werden. In the context of the present invention, a molded part is to be understood as meaning a component which exerts a certain contact pressure on the seal or the seals. At the measuring gas side end and at the connection-side end of the seal or the seals in each case a molded part is arranged, so that the seal is surrounded on both sides by the molded parts. The molded parts can clamp the seal or the seals. The molded parts made of stainless steel can be produced by stamping or extrusion.

Unter dem Ausdruck „hergestellt aus einem bestimmten Material“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das jeweilige Bauteil zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen hergestellt ist. So beudeutet eine Herstellung der Dichtung aus Edelstahl beispielsweise, dass die Dichtung zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen aus Edelstahl hergestellt ist. For the purposes of the present invention, the term "produced from a specific material" is to be understood as meaning that the respective component is produced to at least 80% by volume and preferably at least 90% by volume and preferably completely to technically unavoidable impurities. For example, manufacture of the stainless steel gasket involves making the gasket of at least 80% by volume, and preferably at least 90% by volume, and preferably completely, except for technically unavoidable stainless steel contaminants.

Unter Edelstahl ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein legierter oder unlegierter Stahl mit besonderem Reinheitsgrad gemäß der Definition der EN 10020 zu verstehen. Bei Edelstahl kann es sich zum Beispiel um einen Stahl handeln, dessen Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet. Da der Sensor im kraftfahrzeugteschnischen Bereich einsetzbar ist, versteht es sich, dass der Edelstahl hitzebeständig sein muss, um bei Betriebstemperaturen von ungefähr 600 °C bis 700 °C beständig zu sein. Under stainless steel in the context of the present invention, an alloyed or unalloyed steel with a particular degree of purity according to the definition of EN 10020 to understand. For example, stainless steel may be a steel whose sulfur and phosphorus content (so-called iron companion) does not exceed 0.025%. As the sensor can be used in the automotive field, it is understood that the stainless steel must be heat resistant to withstand operating temperatures of about 600 ° C to 700 ° C.

Aufgrund der deutlich höheren Scherfestigkeit von Edelstahl im Vergleich zu den üblichen Materialien der Stützkeramikbuchsen, insbesondere Steatit, können die Formteile bei gleichbleibender Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung dünner als die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen ausgeführt werden. Alternativ könnten die Formteile in vergleichbaren Abmessungen wie die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gestaltet werden. Die Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung entprechend gesteigert werden was eine Verbesserung der Dichtwirkung der Dichtpackung zur Folge hat. Ein weiterer großer Vorteil bietet ein ultraschallunterstütztes Aufbringen der Montagekraft, was im Gegensatz zu sprödharten Keramiken bei Edelstahl aufgrund seiner duktilen Eigenschaft möglich ist. Hierdurch kann die Verdichtung der Dichtpackung und damit die Dichtwirkung nochmals signifikant gesteigert werden. Zudem können die negativen Auswirkungen des Unterschieds der Wärmeausdehungskoeffizienten zwischen Stützkeramikbuchsen und dem Sensorgehäuse durch den Einsatz der Edelstahlformteile deutlich verringert werden. Der Wärmeausdehungskoeffizient der Edelstahlformteile kann auf die jeweilige Gehäusetype angepasst werden. Due to the significantly higher shear strength of stainless steel in comparison to the usual materials of the support ceramic bushings, in particular steatite, the molded parts can be made thinner than the conventional support ceramic bushings with constant mounting force for compression of the sealing package. Alternatively, the moldings could be designed in comparable dimensions as the conventional support ceramic bushings. The assembly force for compaction of the sealing pack entprechend be increased resulting in an improvement of the sealing effect of the packing. Another great advantage is an ultrasound-assisted application of the assembly force, which, unlike brittle-hard ceramics, is possible with stainless steel due to its ductile nature. As a result, the compression of the sealing package and thus the sealing effect can be significantly increased again. In addition, the negative effects of the difference in thermal expansion coefficients between support ceramic bushes and the sensor housing can be significantly reduced by the use of stainless steel moldings. The thermal expansion coefficient of the stainless steel fittings can be adapted to the respective housing type.

Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können gegenüber dem Sensorgehäuse elektrisch isoliert sein. Die gleiche Isolationseigenschaft ist also wie bei den herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gegeben. The measuring gas side molding and the connection side molding can be electrically isolated from the sensor housing. The same insulation property is therefore given as in the conventional support ceramic sockets.

Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können zumindest auf einer dem Sensorgehäuse zugewandten Oberfläche mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Bevorzugt sind das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil vollständig mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Für die Isolationsbeschichtung gibt es ebenfalls mehrere mögliche Verfahren wie beispielsweise das nasschemische Sol-Gel-Verfahren (elektrisch isolierendes Material: Al₂O₃, SiO₂; Isolationsschichtdicke 1 μm), Atomlagenabscheidung ALD (elektrisch Isolierendes Material: Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, TiC, TiN; Isolationsschichtdicke 60–120 nm) oder Plasmaspritzen PCVD(elektrisch Isolierendes Material: Al₂O₃; Isolationsschichtdicke 100 μm). The measuring gas side molding and the connection side molding can be coated with at least one electrically insulating material at least on a surface facing the sensor housing. Preferably, the measuring gas side molding and the connection side molding are completely coated with at least one electrically insulating material. For the insulation coating, there are also several possible methods such as the wet-chemical sol-gel method (electrically insulating material: Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , insulation layer thickness 1 micron), atomic layer deposition ALD (electrically insulating material: Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , TiO ₂ , TiC, TiN, insulation layer thickness 60-120 nm) or plasma spraying PCVD (electrically insulating material: Al ₂ O ₃ , insulation layer thickness 100 μm).

Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können ringförmig ausgebildet sein und jeweils eine Dicke von 2 mm bis 6 mm aufweisen. Aufgrund der deutlich höheren Scherfestigkeit von Edelstahl im Vergleich zu den üblichen Materialien der Stützkeramikbuchsen, insbesondere Steatit, können die Formteile bei gleichbleibender Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung somit dünner als die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen ausgeführt werden, was mehrere technische Möglichkeiten bietet. So lässt sich die Dichtpackung mit mehr Volumen realisieren, was Verbesserungen der Dichtigkeit gegenüber Abgas und Feuchtigkeit bewirkt. So lässt sich zudem ein ein Zurückziehen des messgasseitigen Formteils oder eine Verkürzung des Sensorgehäuses realisieren, was eine bessere Anströmung des Sensorelements und eine Verbesserung der Dynamik bewirkt. Alternativ könnten die Formteile vergleichbar dick wie die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gestaltet werden, was die Möglichkeit bietet, die Steatitpackung mit einer größeren Montagekraft zu verdichten, um die Dichtigkeit zu steigern. The measuring gas side molding and the connection side molding can be annular and each have a thickness of 2 mm to 6 mm. Due to the significantly higher shear strength of stainless steel compared to the usual materials of the support ceramic bushings, in particular steatite, the molded parts can thus be made thinner than the conventional support ceramic bushings with constant assembly force for compression of the sealing packing, which offers several technical possibilities. Thus, the sealing pack can be realized with more volume, resulting in improvements in the seal against exhaust gas and moisture. Thus, it is also possible to realize a retraction of the measuring gas side molding or a shortening of the sensor housing, which causes a better flow of the sensor element and an improvement of the dynamics. Alternatively, the moldings could be made comparably thick as the conventional support ceramic bushings, which offers the opportunity to densify the steatite pack with a greater assembly force to increase the tightness.

Die mindestens eine Dichtung kann ringförmig ausgebildet sein und eine Dicke von 6 mm bis 15 mm aufweisen. Somit lässt sich die Dichtpackung dicker als herkömmlich realisieren, was die Dichtigkeit verbessert. The at least one seal may be annular and have a thickness of 6 mm to 15 mm. Thus, the packing can be made thicker than conventional, which improves the tightness.

Das messgasseitige Formteil, das anschlussseitige Formteil und die Dichtung können einteilig ausgebildet sein. Ein großer Kostenvorteil kann erzielt werden, wenn die beiden Formteile und die Dichtung einteilig ausgeführt werden. Die Formteile können hierzu an der Grenzfläche zur dichtung eine Strukturierung aufweisen, wie beispielsweise eine Rändelung, Laschen oder dergleiche, damit sich zwischen der Dichtung und den Formteilen eine Verbindung ergibt. The measuring gas side molding, the connection side molding and the seal may be integrally formed. A great cost advantage can be achieved if the two moldings and the seal are made in one piece. The moldings can do this at the interface to the seal have a structuring, such as a knurling, tabs or the like, so that there is a connection between the seal and the moldings.

Das messgasseitige Formteil, das anschlussseitige Formteil und die Dichtung sind beispielsweise formschlüssig miteinander verbunden sind. Eine Formschluss ergibt eine erhöhte Festigkeit bzw. Stabilität für Handling und Transport. The measuring gas side molding, the connection side molding and the seal are, for example, positively connected to each other. A positive connection results in increased strength and stability for handling and transport.

Es können mehrere Dichtungen zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet sein, wobei zumindest eine Dichtung der mehreren Dichtungen aus Steatit hergestellt ist. Bevorzugt sind alle Dichtungen aus Steatit hergestellt. Durch ein reines Steatit-Dichtsystem ergibt sich sich durch die beschriebene mögliche Erhöhung der Montagekraft und ggf. Ultraschallunterstützung bei der Montage eine deutliche Steigerung der Dichtheit. There may be arranged a plurality of seals between the measuring gas side molding and the connection side molding, wherein at least one seal of the plurality of seals is made of steatite. Preferably, all seals are made of steatite. By a pure steatite sealing system results from the described possible increase in the mounting force and, if necessary, ultrasound support during assembly a significant increase in the tightness.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die in dem oben beschriebenen Stand der Technik erwähnten Stützkeramikbuchsen durch aus Edelstahl hergestellte Scheiben zu ersetzen. A basic idea of the present invention is to replace the support ceramic bushings mentioned in the above-described prior art with disks made of stainless steel.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 a cross-sectional view of a sensor element according to the invention according to a first embodiment,

2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform und 2 a cross-sectional view of a sensor element according to the invention according to a second embodiment and

3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform. 3 a cross-sectional view of a sensor element according to the invention according to a third embodiment.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 10 kann insbesondere zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. 1 shows a cross-sectional view of a sensor 10 for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, according to a first embodiment of the invention. The sensor 10 can be used in particular for the detection of physical and / or chemical properties of the measurement gas, wherein one or more properties can be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas can also be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine and, in the case of the measuring gas, in particular an exhaust gas.

Der Sensor 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf. Das Sensorgehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Sensorgehäuse 12 weist ein Gewinde 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des Messgasraums (nicht näher gezeigt) auf. Das Sensorgehäuse 12 weist eine Längsbohrung 16 auf. Die Längsbohrung 16 erstreckt sich entlang einer Längsachse 18. Die Längsbohrung 16 weist eine schulterförmige Ringfläche 20 auf. Die Ringfläche 20 befindet sich angrenzend an einem dem Messgasraum zugewandten stirnseitigen Ende 22 des Sensorgehäuses 12. An dem stirnseitigen Ende 22 ist eine Schutzrohrbaugruppe 24 festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Die Schutzrohrbaugruppe 24 weist mindestens ein Schutzrohr auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr 26 und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr 28 auf. Sowohl das äußere Schutzrohr 26 als auch das innere Schutzrohr 28 weisen Ein- und Austrittsöffnungen 30 auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs 28 eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann. The sensor 10 has a sensor housing 12 on. The sensor housing 12 may be, for example, a metallic housing. The sensor housing 12 has a thread 14 as a fastening means for installation in a wall of the measuring gas chamber (not shown in detail) on. The sensor housing 12 has a longitudinal bore 16 on. The longitudinal bore 16 extends along a longitudinal axis 18 , The longitudinal bore 16 has a shoulder-shaped annular surface 20 on. The ring surface 20 is located adjacent to a measuring gas space facing the front end 22 of the sensor housing 12 , At the front end 22 is a thermowell assembly 24 fixed, for example, welded. The thermowell assembly 24 has at least one protective tube. For example, the protective tube assembly has an outer protective tube 26 and at least one inner protective tube disposed therein 28 on. Both the outer protection tube 26 as well as the inner protective tube 28 have inlet and outlet openings 30 on, through which the sample gas into an interior of the inner protective tube 28 can enter or emerge from this.

Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 32 zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 32 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 32 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 34. Das Sensorelement 32 weist ein anschlussseitiges Ende 36 und ein messgasseitiges Ende 38 auf. Das anschlussseitige Ende 36 ist ausgebildet, mit elektrischen Anschlüssen 40 des Sensors 10 elektrisch kontaktiert zu werden. Das messgasseitige Ende 38 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des inneren Schutzrohrs 28 ausgesetzt zu werden. The sensor 10 also has a sensor element 32 for detecting the at least one property of the measurement gas. The sensor element 32 is planar. The sensor element 32 extends in a longitudinal direction 34 , The sensor element 32 has a connection end 36 and a messgasseitiges end 38 on. The connection end 36 is designed with electrical connections 40 of the sensor 10 to be contacted electrically. The measuring gas end 38 is formed, the sample gas inside the inner protective tube 28 to be exposed.

Das Sensorelement 32 ist von mindestens einer Dichtung 42 umgeben, beispielsweise ringförmig, d.h. senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 34. Die Dichtung 42 ist aus Steatit hergestellt. Die mindestens eine Dichtung 42 weist eine Dicke 44 von 6 mm bis 15 mm auf. Das Sensorelement 32 kann von mehreren Dichtungen umgeben sein. Im Fall von mehreren Dichtungen können diese aus unterschiedlichen oder identischen Materialien hergestellt sein. Zumindest eine Dichtung davon ist aus Steatit hergestellt. Bevorzugt sind im Fall von mehreren Dichtungen alle Dichtungen aus Steatit hergestellt. Im Fall von mehreren Dichtungen weisen diese zusammen eine Dicke von 6 mm bis 15 mm auf. The sensor element 32 is from at least one seal 42 surrounded, for example, annular, that is perpendicular to the longitudinal direction 34 , The seal 42 is made of steatite. The at least one seal 42 has a thickness 44 from 6 mm to 15 mm. The sensor element 32 can be surrounded by several seals. In the case of multiple seals, these may be made of different or identical materials. At least one seal of it is made of steatite. Preferably, in the case of multiple seals, all seals are made of steatite. In the case of multiple seals, these together have a thickness of 6 mm to 15 mm.

In der Längsbohrung 16 des Sensorgehäuses sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil 46 und ein anschlussseitiges Formteil 48 angeordnet. Die Dichtung 42 ist zwischen dem messgasseitigen Formteil 46 und dem anschlussseitigen Formteil 48 angeordnet. Das messgasseitige Formteil 46 liegt eines an der Ringfläche 20 an. Die Dichtung 42 ist zwischen dem dem messgasseitigen Formteil 46 und dem anschlussseitigen Formteil 48 eingespannt. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind aus Edelstahl hergestellt. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind gegenüber dem Sensorgehäuse 12 elektrisch isoliert. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind zumindest auf einer dem Sensorgehäuse 12 zugewandten Oberfläche 50 mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material 52 beschichtet. Bevorzugt sind das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 vollständig, d.h. allseitig, mit dem elektrisch isolierenden Material 52 beschichtet. Das elektrisch isolierende Material ist Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, TiO₂, TiC, oder TiN. In the longitudinal bore 16 the sensor housing are spaced from each other a measuring gas side molding 46 and a connection-side molded part 48 arranged. The seal 42 is between the measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 arranged. The measured gas side molding 46 one lies on the ring surface 20 at. The seal 42 is between the measuring gas side molding 46 and the connection-side molding 48 clamped. The measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 are made of stainless steel. The measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 are opposite the sensor housing 12 electrically isolated. The measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 are at least on one of the sensor housing 12 facing surface 50 with at least one electrically insulating material 52 coated. Preference is given to the measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 completely, ie on all sides, with the electrically insulating material 52 coated. The electrically insulating material is Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , ZrO ₂ , TiO ₂ , TiC, or TiN.

Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind ringförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Dicke 54 von 2 mm bis 4 mm auf, beispielsweise 3 mm. Das messgasseitige Formteil 46, das anschlussseitige Formteil 48 und die Dichtung 42 können einteilig ausgebildet sein. Beispielsweise sind das messgasseitige Formteil 46, das anschlussseitige Formteil 48 und die Dichtung 42 formschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer Rändelung oder mittels Laschen. The measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 are annular and each have a thickness 54 from 2 mm to 4 mm, for example 3 mm. The measured gas side molding 46 , the connection-side molding 48 and the seal 42 can be formed in one piece. For example, the measured gas side molding 46 , the connection-side molding 48 and the seal 42 positively connected to each other, for example by means of knurling or by means of tabs.

Bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 im Vergleich zu dem Gehäuse aus dem oben genantnen Stand der Technik verkürzt ausgebildet. Dabei ist das Volumen der Dichtung 42 bzw. deren Dicke identisch mit dem Volumen bzw. der Dicke der Dichtpackung aus dem oben genannten Stand der Technik. Allerdings sind die Formteile 46, 48 dünner als die Stützkeramikbuchsen aus dem oben genannten Stand der Technik. Dadurch ragt das Sensorelement 32 weiter in die Schutzrohrer 26, 28 hinein, was die Dynamik und die Funktion des Sensorelements 32 verbessert. Ein weiteres Verkürzen des Sensorgehäuses 12 ist bei einer Änderung der anbindung der Schutzrohre 26, 28 an das Sensorgehäuse 12 möglich. At the sensor 10 The first embodiment is the sensor housing 12 formed shortened compared to the housing from the above-mentioned prior art. Here is the volume of the seal 42 or whose thickness is identical to the volume or the thickness of the sealing packing from the above-mentioned prior art. However, the moldings are 46 . 48 thinner than the support ceramic sockets of the above-mentioned prior art. As a result, the sensor element protrudes 32 continue into the protective tube 26 . 28 into what the dynamics and function of the sensor element 32 improved. Another shortening of the sensor housing 12 is when changing the connection of the thermowells 26 . 28 to the sensor housing 12 possible.

2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 nicht verkürzt ausgebildet. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist die Dichtung 42 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weist die Dichtung 42 bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform eine Dicke 44 von 10 mm bis 15 mm auf, beispielsweise 12 mm. Dadurch weist die Dichtpackung eine vergrößertes Volumen auf, was die Dichtheit erhöht. 2 shows a cross-sectional view of a sensor 10 according to a second embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described, and like components will be denoted by like reference numerals. At the sensor 10 The second embodiment is the sensor housing 12 not shortened. At the sensor 10 The second embodiment is the seal 42 thicker than the sensor 10 the first embodiment. This is how the seal points 42 at the sensor 10 of the second embodiment, a thickness 44 from 10 mm to 15 mm, for example 12 mm. As a result, the sealing pack has an increased volume, which increases the tightness.

3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 nicht verkürzt ausgebildet. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform ist die Dichtung 42 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weist die Dichtung 42 bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform eine Dicke 44 von 6 mm bis 11 mm auf, beispielsweise 10 mm auf. Zudem sind das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weisen das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 jeweils eine Dicke 54 von 4 mm bis 6 mm auf, beispielsweise 5 mm. Dadurch weist die Dichtpackung eine vergrößertes Volumen auf und es sind größere Montagekräfte zum Verpressen der Dichtung 42 möglich, was die Dichtheit im Vergleich zu dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform nochmals erhöht. Beim Einsetzen der oben beschriebenen Dichtungen 42 werden bei der Montage durch axiale Krafteinwirkung diese pulverisiert und verdichtet. Dabei werden Fügespalten geschlossen und die Dichtheit gesteigert. Das Einpressen erfolgt dabei bei mindestens 1000 bar. 3 shows a cross-sectional view of a sensor 10 according to a third embodiment of the invention. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described, and like components will be denoted by like reference numerals. At the sensor 10 The third embodiment is the sensor housing 12 not shortened. At the sensor 10 The third embodiment is the seal 42 thicker than the sensor 10 the first embodiment. This is how the seal points 42 at the sensor 10 the third embodiment, a thickness 44 from 6 mm to 11 mm, for example 10 mm up. In addition, the measuring gas side molding 46 and the connection-side molding 48 thicker than the sensor 10 the first embodiment. So have the measured gas side molding 46 and the connection-side molding 48 one thickness each 54 from 4 mm to 6 mm, for example 5 mm. As a result, the packing has an increased volume and there are larger mounting forces for pressing the seal 42 possible what the tightness compared to the sensor 10 the second embodiment again increased. When inserting the seals described above 42 During assembly, these are pulverized and compacted by axial force. This joint gaps are closed and the tightness increased. The pressing takes place at at least 1000 bar.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19714203 A1 [0003]
DE 19532090 C2 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition, 2010, pages 160-165 [0002]
EN 10020 [0009]

Claims

Sensor ( 10 ) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising a sensor housing ( 12 ) and a sensor element ( 32 ) for detecting the at least one property of the measurement gas, wherein the sensor housing ( 12 ) a longitudinal bore ( 16 ), wherein the sensor element ( 32 ) in the longitudinal bore ( 16 ), wherein the sensor element ( 32 ) of at least one seal ( 42 ) is surrounded, wherein in the longitudinal bore ( 16 ) of the sensor housing ( 12 ) spaced from each other a Meßgasseitiges molding ( 46 ) and a connection-side molded part ( 48 ) are arranged, wherein the seal ( 42 ) between the measured gas side molding ( 46 ) and the connection-side molded part ( 48 ) is arranged, wherein the measured gas side molding ( 46 ) and the connection-side molding ( 48 ) are made of stainless steel.

Sensor according to claim 1, wherein the measuring gas side molding ( 46 ) and the connection-side molding ( 48 ) relative to the sensor housing ( 12 ) are electrically isolated.

Sensor according to claim 1 or 2, wherein the measuring gas side molding ( 46 ) and the connection-side molding ( 48 ) at least on one of the sensor housing ( 12 ) facing surface ( 50 ) with at least one electrically insulating material ( 52 ) are coated.

Sensor according to one of claims 1 to 3, wherein the measured gas side molding ( 46 ) and the connection-side molding ( 48 ) completely with at least one electrically insulating material ( 52 ) are coated.

Sensor according to claim 3 or 4, wherein the electrically insulating material ( 52 ) Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , ZrO ₂ , TiO ₂ , TiC, or TiN.

Sensor according to one of claims 1 to 5, wherein the measured gas side molding ( 46 ) and the connection-side molding ( 48 ) are annular and each have a thickness ( 54 ) from 2 mm to 6 mm.

Sensor according to one of claims 1 to 6, wherein the at least one seal ( 42 ) is annular and has a thickness ( 44 ) of 6 mm to 15 mm.

Sensor according to one of claims 1 to 7, wherein the measured gas side molding ( 46 ), the connection-side molding ( 48 ) and the seal ( 42 ) are integrally formed.

Sensor according to one of claims 1 to 8, wherein the measured gas side molding ( 46 ), the connection-side molding ( 48 ) and the seal ( 42 ) are positively connected with each other.

Sensor according to one of claims 1 to 9, wherein a plurality of seals ( 42 ) are arranged between the measured gas side molding and the connection side molding, wherein at least one seal ( 42 ) of the multiple seals ( 42 ) is made of steatite.