DE102016215921A1 - Sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space - Google Patents
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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
Aus der
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
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:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Der Sensor
Der Sensor
Das Sensorelement
In der Längsbohrung
Das messgasseitige Formteil
Bei dem Sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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