DE102018118519A1

DE102018118519A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102018118519A1
Application number: DE102018118519.7A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Matsukura; Shoji Kitanoya; Masaya Watanabe; Daisuke Ichikawa; Masahiro Yamashita
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2019-02-07
Also published as: CN109387548B; US20190041347A1; CN109387548A; US11143614B2

Abstract

Es wird ein Gassensor (1) zum Feststellen eines Messzielgases in einer Messgasatmosphäre offenbart, der erste und zweite Sensorelemente (2, 3) umfasst, die jeweils in ersten und zweiten Innenräumen (4A, 5A) der ersten und zweiten Installationsteile (4, 5) installiert sind. Die ersten und zweiten Sensorelemente (2, 3) haben jeweilige Heizwiderstände (20, 30), die in Reihe geschaltet sind, und jeder hat einen Widerstandswert, der mit einer Änderung in der Temperatur desselben variiert, sodass die Konzentration des Messzielgases gemäß einem Potenzial zwischen den Heizwiderständen (20, 30) des ersten und zweiten Sensorelementes (2, 3) bei Anlegen einer konstanten Spannung (V) berechnet werden kann. Die ersten und zweiten Installationsteile (4, 5) befinden sich an solchen Positionen, die eine maximale Temperaturdifferenz von 0,4 °C oder weniger zwischen dem ersten und zweiten Innenraum (4A, 5A) während einer Änderung in der Atmosphärentemperatur von 0 °C auf 80 °C erlauben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
STAND DER TECHNIK
Es ist ein Gassensor bekannt, der in der Lage ist, ein spezifisches Messzielgas, wie zum Beispiel ein brennbares Gas, in einer Messgasatmosphäre festzustellen und zu messen, ohne durch Wasser beeinflusst zu werden (siehe zum Beispiel die Japanische offengelegte Patentpublikation Nr. 2001-124716). Dieser Gassensor hat ein paar von ersten und zweiten Sensorelementen, die in ersten und zweiten getrennten Innenräumen installiert sind. Der erste Innenraum, in dem das erste Sensorelement (als Referenzsensorelement) installiert ist, ist durch ein Membranelement bedeckt, während der zweite Innenraum, in dem das zweite Sensorelement (als Detektionssensorelement) installiert ist, offen zur Messgasatmosphäre hin ist. Das Membranelement ist von dem Typ, der eine Durchlässigkeit für Wasserdampf hat, aber keine Durchlässigkeit für das Messzielgas. In solch einer Konfiguration sind sowohl das erste als auch das zweite Sensorelement unter denselben Feuchtigkeitsbedingungen angeordnet, um so die Feststellung und die Messung des Messzielgases zu ermöglichen, ohne durch Feuchtigkeit beeinflusst zu werden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Wenn der erste und zweite Innenraum des Gassensors getrennt voneinander sind, kann eine große Differenz zwischen den Umgebungstemperaturen des ersten und zweiten Sensorelementes aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur auftreten. Solch eine große Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Sensorelement führt zu einem großen Fehler in der Ausgabe des Gassensors.
Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor mit einem Paar von Sensorelementen bereitzustellen, um so einen Anstieg des Sensorausgabefehlers zu unterbinden, der durch Temperaturänderungen verursacht wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor zum Feststellen eines Messzielgases in einer Messgasatmosphäre bereitgestellt, umfassend:

erste und zweite Sensorelemente, wobei jedes erste und zweite Sensorelement in der Form eines Sensorelementes mit thermischer Leitfähigkeit ist, das einen Heizwiderstand hat, dessen Widerstandswert mit einer Änderung der Temperatur desselben variiert, wobei die Heizwiderstände des ersten und zweiten Sensorelementes in Reihe geschaltet sind;
ein erstes Installationsteil, das einen ersten Innenraum definiert, in dem das erste Sensorelement installiert ist;
ein zweites Installationsteil, das einen zweiten Innenraum definiert, in dem das zweite Sensorelement installiert ist;
ein Gehäuse, das darin das erste und zweite Installationsteil aufnimmt; eine Schaltplatine, die dafür ausgelegt ist, eine Spannung an die Heizwiderstände des ersten und zweiten Sensorelementes anzulegen; und
eine Berechnungseinheit, die dafür ausgelegt ist, eine Konzentration des Messzielgases in der Messgasatmosphäre entsprechend einem Potenzial zwischen den Heizwiderständen des ersten und zweiten Sensorelementes bei Anlegen einer konstanten Spannung an die Heizwiderstände durch die Schaltplatine zu berechnen,
wobei das Gehäuse einen Gehäusekörper hat, der mit einer Öffnung zum Einleiten des Messzielgases in einen Innenraum des Gehäuses geformt ist,
wobei das erste Installationsteil hat: ein erstes Gaseinleitungsloch, das für die Kommunikation zwischen dem ersten Innenraum und der Innenseite des Gehäuses gebildet ist; und ein Membranelement, das dafür ausgelegt ist, das erste Gaseinleitungsloch abzudecken, und das eine Permeabilität für Wasserdampf hat und im Wesentlichen keine Permeabilität für das Messzielgas hat,
wobei das zweite Installationsteil ein zweites Gaseinleitungsloch hat, das gebildet ist, um die direkte Einleitung des Messzielgases aus dem Innern des Gehäuses in den zweiten Innenraum zu ermöglichen,
wobei das erste und zweite Installationsteil sich an solchen Positionen befinden, die eine maximale Temperaturdifferenz von 0,4 °C oder weniger zwischen dem ersten und zweiten Innenraum während einer Änderung in der Atmosphärentemperatur (Umgebungstemperatur) von 0 °C bis 80 °C erlauben, typischerweise während einer Änderung in der Atmosphärentemperatur (Umgebungstemperatur) von 0 °C bis 80 °C innerhalb von 30 Minuten oder sogar weniger.

In dieser Ausführungsform wird die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Innenraum, in dem das erste Sensorelement installiert ist, und dem zweiten Innenraum, in dem das zweite Sensorelement installiert ist, auf einem kleinen Pegel selbst bei Auftreten von Änderungen der Umgebungstemperatur gehalten. Mit anderen Worten, liegen die Messbedingungen des ersten und zweiten Sensorelementes dicht beieinander. Es ist folglich möglich, Variationen in der Ausgabe des Gassensors, die aufgrund von Temperaturänderungen verursacht wurden, zu unterbinden und dadurch einen Fehler in der Ausgabe des Gassensors zu reduzieren. Daher wird die Konzentration des Messzielgases exakt berechnet und durch den Gassensor (Berechnungseinheit) ausgegeben.
Gemäß einer zweiten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei das erste und zweite Installationsteil aus Folgendem besteht: einer keramischen Montagebasis, auf der das erste und zweite Sensorelement montiert sind; und eine keramische Schutzkappe, die die keramische Montagebasis abdeckt, um so den ersten und zweiten Innenraum dazwischen zu definieren.
In dieser Ausführungsform wird die Differenz im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der keramischen Montagebasis und der keramischen Schutzkappe so klein gemacht, dass die Haftung der keramischen Montagebasis und der keramischen Schutzkappe daran gehindert werden kann, durch einen Wärmeschock verschlechtert zu werden. Es ist daher möglich, die Abdichtung der Innenräume zu verbessern. Es ist ferner möglich, gleichzeitig und leicht die ersten und zweiten Installationsteile so zu bilden, dass die ersten und zweiten Innenräume sich dicht beieinander befinden, um die Temperaturdifferenz zwischen diesen ersten und zweiten Innenräumen zu verringern.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei das Gehäuse ein Filter umfasst, das in der Öffnung angeordnet ist und eine Durchlässigkeit für das Messzielgas hat und keine Durchlässigkeit für flüssiges Wasser hat.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, den Einfluss der Strömungsrate des Messzielgases zu unterbinden und die Ausgabegenauigkeit des Gassensors zu verbessern.
Gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei das erste Installationsteil einen Messzielgas-Oxidationskatalysator umfasst, der eine Oxidation des Messzielgases bewirkt, das in den ersten Innenraum strömt.
In dem Fall, wo die Konzentration des Messzielgases hoch ist, kann ein Phänomen auftreten, bei dem die Ausgabe des Gassensors sich mit der Zeit etwas verringert, auch wenn keine Änderungen in der Konzentration des Messzielgases auftreten (siehe 12). Im Ergebnis von umfangreichen Forschungsarbeiten hat der vorliegende Erfinder festgestellt, dass dieses Sensor-Ausgabeverringerungsphänomen bei Anstieg der Konzentration des Messzielgases im ersten Installationsteil aufgrund von leichter Durchdringung des Messzielgases durch das Membranelement stattfindet.
In dieser Ausführungsform jedoch ist der Messzielgas-Oxidationskatalysator dafür ausgelegt, das Messzielgas zu oxidieren. Das Messzielgas, wenn es durch das Membranelement in einer derartigen Situation geschickt wird, in der die Konzentration des Messzielgases hoch ist, wird durch den Messzielgas-Oxidationskatalysator oxidiert und dadurch aus dem ersten Innenraum entfernt. Es ist daher möglich, selbst in dem Fall, wo die Konzentration des Messzielgases hoch ist, eine Differenz in der Konzentration des Messzielgases zwischen dem ersten und zweitem Innenraum aufrechtzuerhalten und eine Verschlechterung in der Ausgabe des Gassensors zu unterbinden.
Gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator innerhalb des ersten Innenraums und/oder zwischen dem Membranelement und dem ersten Innenraum angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist es möglich, das Messzielgas, das in den ersten Innenraum einströmt, zuverlässiger zu entfernen.
Gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator innerhalb des ersten Gaseinleitungslochs angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform wird das Messzielgas, welches durch das Membranelement geschickt worden ist, effizient in Kontakt mit dem Messzielgas-Oxidationskatalysator gebracht. Es ist daher möglich, eine Verschlechterung in der Ausgabe des Gassensors zuverlässig zu unterbinden.
Gemäß einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator so angeordnet ist, dass das erste Gaseinleitungsloch abgedeckt wird.
In dieser Ausführungsform wird das Messzielgas, welches durch das Membranelement geschickt worden ist, unmittelbar und effizient in Kontakt mit dem Messzielgas-Oxidationskatalysator gebracht. Es ist daher zuverlässiger möglich, eine Verschlechterung in der Ausgabe des Gassensors zu unterbinden.
Gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator blattförmig ist und auf einer ersten innenraumseitigen Fläche des Membranelementes angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, das erste Gaseinleitungsloch durch den Messzielgas-Oxidationskatalysator leicht und zuverlässig abzudecken, da das Membranelement und der Messzielgas-Oxidationskatalysator integral zusammen laminiert werden.
Gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensor bereitgestellt, wie oben beschrieben, wobei das erste Installationsteil ein blattförmiges Stützelement umfasst, das mindestens ein Element aus dem Membranelement und dem Messzielgas-Oxidationskatalysator abstützt.
In dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Verwerfung des Membranelementes und des Messzielgas-Oxidationskatalysators zu unterbinden und die Abdichtung des ersten Gaseinleitungslochs zu verstärken. Es ist auch möglich, die Handhabung der integrierten Blattstruktur des Membranelementes und des Messzielgas-Oxidationskatalysators zu verbessern.
Die anderen Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden auch aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Gassensors in der Nähe des ersten und zweiten Installationsteils gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein schematische Draufsicht auf ein Sensorelement des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht des Sensorelementes, wenn es entlang der Linie VI-VI von 3 betrachtet wird.
5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm des Gassensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A ist ein Diagramm, das Änderungen in der Temperaturdifferenz zwischen ersten und zweiten Innenräumen eines Gassensors von Beispiel 1 während der Änderung in der Atmosphärentemperatur von 0 °C bis 80 °C zeigt.
6B ist ein Diagramm, das Änderungen in der Temperaturdifferenz zwischen ersten und zweiten Innenräumen des Gassensors von Beispiel 1 während der Änderung in der Atmosphärentemperatur von -40 °C bis 100 °C zeigt.
6C ist ein Diagramm, das Änderungen in der Temperaturdifferenz zwischen ersten und zweiten Innenräumen des Gassensors von Beispiel 1 während der Änderung in der Atmosphärentemperatur von 100 °C bis -40 °C zeigt.
6D ist ein Diagramm, das Änderungen in der Temperaturdifferenz zwischen ersten und zweiten Innenräumen des Gassensors von Beispiel 1 während der Änderung in der Atmosphärentemperatur von 80 °C bis 0 °C zeigt.
7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung einer Temperaturdifferenz zwischen ersten und zweiten Innenräumen das Gassensors zu einem Ausgabefehler des Gassensors zeigt.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des Gassensors in der Nähe des ersten und zweiten Installationsteils gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils eines Gassensors in der Nähe des ersten und zweiten Installationsteils gemäß einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils eines Gassensors in der Nähe des ersten und zweiten Installationsteils gemäß einer weiteren Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 11 und 12 sind Diagramme, die jeweils Änderungen in den Ausgaben der Gassensoren von Beispiel 3 und 2 zeigen.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unten mit Verweis auf die Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Ein Gassensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unten mit Bezug auf die 1 bis 5 erläutert. Der Gassensor 1 wird hierin konfiguriert, um ein spezifisches Messzielgas in einer Messgasatmosphäre festzustellen ()zu detektieren) und zu messen. Das Messzielgas, das durch den Gassensor 1 festgestellt und gemessen wird, ist ein brennbares Gas, wie zum Beispiel Wasserstoff, Ammoniak, Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) oder dergleichen.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Gassensor 1 ein erstes Sensorelement 2, ein zweites Sensorelement 3, ein erstes Installationsteil 4, ein zweites Installationsteil 5, ein Gehäuse 6, eine Schaltplatine 10 und eine Berechnungseinheit 12.
Erste und Zweite Sensorelemente
In der ersten Ausführungsform ist das erste Sensorelement 2 in der Form eines Sensorelementes mit thermischer Leitfähigkeit, das nicht mit dem Messzielgas reagiert. Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst das erste Sensorelement 2 einen Heizwiderstand 20, eine Isolierschicht 21, eine Verdrahtung 22, ein Paar von ersten Elektrodenpads 23A und 23B, einen Temperaturmesswiderstand 24, ein Paar von zweiten Elektrodenpads 25A und 25B und ein Substrat 26.
Der Heizwiderstand 20 ist mit einem Leiter in einem Spiralmuster versehen und ist in einen Mittelteil der rechteckigen Isolierschicht 21 eingebettet. Die Verdrahtung 22 ist in die Isolierschicht 21 eingebettet und ist elektrisch mit dem Heizwiderstand 20 verbunden. Ferner sind entgegengesetzte Enden der Verdrahtung 22 jeweils elektrisch mit den ersten Elektrodenpads 23A und 23B verbunden. Ferner ist der Heizwiderstand 20 elektrisch mit den ersten Elektrodenpads 23A und 23B über die Verdrahtung 22 verbunden.
Die ersten Elektrodenpads 23A und 23B sind auf einer Seite der Isolierschicht 21 angeordnet. Eine der ersten Elektrodenpads 23A und 23B ist mit einer Masse verbunden, während die andere der ersten Elektrodenpads 23 und 23B mit der Schaltplatine 10 verbunden ist.
Das Substrat 26 ist aus einem Silikonmaterial hergestellt und auf der anderen Seite der Isolierschicht 21 angeordnet. Wie in 4 gezeigt, ist eine Mulde (Ausnehmung, Kavität) 27 im Substrat 26 an einer Position gebildet, die dem Heizwiderstand 20 entspricht, um so eine Membranstruktur bereitzustellen, wobei die Isolierschicht 21 durch die Mulde 27 freigelegt ist.
Der Temperaturmesswiderstand 24 ist in die Isolierschicht 20 an einer Position eingebettet, die näher an der äußeren Peripherie als der Heizwiderstand 20 liegt (spezieller gesagt, eingebettet in einen Seitenteil der Isolierschicht 21), und ist elektrisch mit der zweiten Elektrodenpads 25A und 25B verbunden.
Die zweiten Elektrodenpads 25A und 25B sind auf derselben Seite der Isolierschicht 21 wie die ersten Elektrodenpads 23A und 23B angeordnet. Eine der zweiten Elektrodenpads 25A und 25B ist mit einer Masse verbunden, während die andere der ersten Elektrodenpads 23A und 23B mit der Schaltplatine 10 verbunden ist.
Der Heizwiderstand 20 ist aus einem leitfähigen Material hergestellt, das einen hohen Temperatur-Widerstandskoeffizienten hat, und hat daher einen Widerstandswert, der mit der Änderung der Temperatur desselben variiert. Zum Beispiel kann Platin (Pt) als Material für den Heizwiderstand 20 verwendet werden. Der Temperaturmesswiderstand 24 ist aus einem leitfähigen Material hergestellt, dessen Widerstandswert proportional zur Temperatur variiert. Es kann dasselbe Material wie das Material des Heizwiderstandes 20, wie zum Beispiel Platin (Pt), als Material des Temperaturmesswiderstandes 24 verwendet werden. Die Verdrahtung 22, die ersten Elektrodenpads 23A und 23B und die zweiten Elektrodenpads 25A und 25B können ebenfalls aus demselben Material wie das Material des Heizwiderstandes 20 hergestellt werden. Die Isolierschicht 21 kann aus einem einzelnen Isoliermaterial hergestellt werden oder kann aus verschiedenen Arten von Isoliermaterialien in einer Multischichtstruktur hergestellt werden. Als Isoliermaterial der Isolierschicht 21 kann Siliziumoxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder dergleichen verwendet werden.
Wie in dem Fall des ersten Sensorelementes 2, umfasst das zweite Sensorelement 3: einen Heizwiderstand 30, dessen Widerstandswert mit Änderung der Temperatur variiert; und einen Temperaturmesswiderstand 24. Da das zweite Sensorelement 3 denselben Aufbau wie der des ersten Sensorelementes 2 in der ersten Ausführungsform hat, wird eine ausführliche Erläuterung der Struktur des zweiten Sensorelement des 3 hier ausgelassen.
Es ist wünschenswert, dass der Widerstandswert des Heizwiderstandes 21 des ersten Sensorelementes 2 gleich dem des zweiten Sensorelementes 3 ist.
Erste und Zweite Installationsteile
Das erste Installationsteil 4 hat einen ersten Innenraum 4A, ein erstes Gaseinleitungsloch 4B und ein Membranelement 4C.
Der erste Innenraum 4A wird im ersten Installationsteil 4 derart definiert, dass das erste Sensorelement 2 im ersten Innenraum 4A installiert wird. Das erste Gaseinleitungsloch 4B ist im ersten Installationsteil 4 so gebildet, dass es für eine Kommunikation zwischen dem ersten Innenraum 4A und der Innenseite des Gehäuses 6 sorgt.
Das Membranelement 4C ist dafür ausgelegt, das ganze erste Gaseinleitungsloch 4B abzudecken. Hierbei zeigt das Membranelement 4C eine Durchlässigkeit für Wasserdampf, aber im Wesentlichen keine Durchlässigkeit für das Messzielgas. Der Ausdruck „im Wesentlichen keine Durchlässigkeit“ bedeutet, dass die Menge des Durchgangs des Messzielgases (auf das Volumen bezogen) kleiner oder gleich 1/50 der Menge des Durchgangs von Wasserdampf ist. Als Membranelement 4C kann geeigneterweise eine Ionenaustauschmembran auf der Basis von Fluorharz (engl. „fluororesin“, im Folgenden auch als Fluororesin bezeichnet) verwendet werden. Spezifische Beispiele für Ionenaustauschmembranen auf der Basis von Fluororesin, die als Membranelement 4C verwendbar sind, sind die unter den Handelsnamen Nafion, Flemion, Aciplex und dergleichen verfügbaren. Als Membranelement 4C kann alternativ eine Hohlfasermembran verwendet werden, die in der Lage ist, das Messzielgas und Wasserdampf voneinander zu trennen.
Dementsprechend wird das Messzielgas nicht in den ersten Innenraum 4A geleitet. Das erste Sensorelement 2, das im ersten Innenraum 4A installiert ist, dient als Referenz-Sensorelektrode, ohne dem Messzielgas ausgesetzt zu sein. Das erste Sensorelement 2 wird jedoch unter denselben Feuchtigkeitsbedingungen wie das zweite Sensorelement 3 platziert, weil Wasserdampf durch das Membranelement 4C passiert.
Das erste Installationsteil 4 hat keine andere Öffnung als das erste Gaseinleitungsloch 4B.
Andererseits hat das zweite Installationsteil 5 einen zweiten Innenraum 5A und ein zweites Gaseinleitungsloch 5B.
Der zweite Innenraum 5A wird im zweiten Installationsteil 5 derart definiert, dass das zweite Sensorelement 3 im zweiten Innenraum 5A installiert ist. Das zweite Gaseinleitungsloch 5B ist im zweiten Installationsteil 5 so gebildet, dass es für eine Kommunikation zwischen dem zweiten Innenraum 5A und der Innenseite des Gehäuses 6 sorgt.
Da das zweite Gaseinleitungsloch 5B nicht durch ein Membranelement abgedeckt ist und offen zur Messgasatmosphäre ist, wird das Messzielgas von der Innenseite des Gehäuses 6 in den zweiten Innenraum 5A durch das zweite Gaseinleitungsloch 5B geliefert. Mit anderen Worten, das zweite Gaseinleitungsloch 5B ermöglicht die direkte Einleitung des Messzielgases in den zweiten Innenraum 5A.
Das zweite Installationsteil 5 hat auch keine andere Öffnung als das zweite Gaseinleitungsloch 5B.
In der ersten Ausführungsform bestehen die ersten und zweiten Installationsteile 4 und 5 aus einer gemeinsamen Montagebasis 7 und einer gemeinsamen Schutzkappe (oder Abdeckung) 8, wie in den 1 und 2 gezeigt. Der erste und zweite Innenraum 4A und 5A werden nämlich getrennt und nebeneinander definiert, mit einer Trennwand, die dazwischen gebildet ist, durch Befestigen der Schutzkappe 8 auf der Montagebasis 7. Wie später erklärt wird, befinden sich das erste und zweite Installationsteil 4 und 5 an solchen Positionen, an denen sie eine maximale Temperaturdifferenz T1 von 0,4 °C oder weniger zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A während einer Änderung in der Atmosphärentemperatur von 0 °C bis 80 °C, typischerweise innerhalb von 30 Minuten, zulassen.
Die Montagebasis 7 ist auf einer Fläche der Schaltplatine 10 angeordnet und ist mit zwei Vertiefungsteilen gebildet, in denen das erste und zweite Sensorelement 2 bzw. 3 befestigt sind.
Die Schutzkappe 8 ist mit zwei Vertiefungsteilen derart geformt, dass die Vertiefungsteile der Schutzkappe 8 den Vertiefungsteilen der Montagebasis 7 gegenüberliegenden und denselben zugewandt sind, umso den ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A zu definieren. Das erste und zweite Gaseinleitungsloch 4B und 5B werden durch die entsprechenden Vertiefungsteilen der Schutzkappe 8 gebildet.
Die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 sind jeweils aus einem isolierenden Keramikmaterial hergestellt. Als Keramikmaterial für die Montagebasis 7 kann geeigneterweise Aluminiumoxid verwendet werden. Als Keramikmaterial für die Schutzkappe 8 kann geeigneterweise ebenfalls Aluminiumoxid verwendet werden. In der ersten Ausführungsform sind die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 aus demselben Isoliermaterial hergestellt.
Die Schutzkappe 8 ist an der Montagebasis 7 festgeklebt, sodass die Montagebasis 7 und das erste und zweite Sensorelement 2 und 3, die in den Vertiefungsteilen der Montagebasis 7 befestigt sind, durch die Schutzkappe 8 abgedeckt werden. In der ersten Ausführungsform sind die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 durch einen Klebstoff 9A miteinander verbunden. Als isolierender Klebstoff 9A kann jeder isolierende Klebstoff verwendet werden, der ein thermohärtendes Harz, thermoplastisches Harz oder dergleichen als Hauptkomponente enthält. Zur Verbesserung der Haftung zwischen der Montagebasis 7 und der Schutzkappe 8 ist es wünschenswert, einen Klebstoff zu verwenden, der ein thermohärtendes Harz als Hauptkomponente enthält. Spezifische Beispiele für das thermohärtende Harz, das als isolierender Klebstoff verwendet werden kann, sind Epoxidharz und Polyolefinharz. Hierbei bedeutet der Ausdruck „Hauptkomponente“ eine Komponente, die in einer Menge von 80 Masse-Prozent oder mehr enthalten ist.
In der ersten Ausführungsform wird das Membranelement 4C durch einen Klebstoff 9B an einer Innenfläche der Schutzkappe 8 festgeklebt, die dem ersten Sensorelement 2 zugewandt ist, und daher über einer Öffnung des ersten Gaseinleitungslochs 4B dicht beim ersten Innenraum 4A befestigt ist. Der isolierende Klebstoff 9B zum Festkleben des Membranelementes 4C an der Schutzkappe 8 kann derselbe wie der isolierende Klebstoff 9A zum Festkleben der Schutzkappe 8 an der Montagebasis 7 sein.
Temperaturdifferenz aufgrund einer Änderung der Atmosphärentemperatur
Wie oben erwähnt, ist der Gassensor 1 so aufgebaut, dass, wenn die Temperatur der Atmosphäre, in der der Gassensor 1 platziert ist (d. h. die Temperatur der Messgasatmosphäre), von 0 °C auf 80 °C, typischerweise innerhalb von 30 Minuten, geändert wird, die maximale Temperaturdifferenz T1 zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A 0,4 °C oder weniger beträgt in der ersten Ausführungsform. Es ist wünschenswert, dass wenn die Atmosphärentemperatur des Gassensors 1 von 80 °C auf 0 °C geändert wird, typischerweise innerhalb von 30 Minuten oder sogar weniger, die maximale Temperaturdifferenz T2 zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A 0,4 °C oder weniger beträgt. Es ist noch wünschenswerter, dass jeder der maximalen Temperaturdifferenzwerte T1 und T2 0,2 °C oder weniger ist.
Es ist auch wünschenswert, dass wenn die Atmosphärentemperatur das Gassensors 1 von -40 °C auf 100 °C oder von 100 °C auf -40 °C geändert wird, typischerweise innerhalb von 30 Minuten oder sogar weniger, die maximale Temperaturdifferenz T3, T4 zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A 0,4 °C oder weniger beträgt.
Jeder der maximalen Temperaturdifferenzwerte T1, T2, T3 und T4 wird durch die folgende Prozedur bestimmt. Der Gassensor 1 wird zuerst in einen Thermostaten gebracht, der auf eine Messstarttemperatur eingestellt worden ist. Dann wird der Thermostat erwärmt oder gekühlt, bis er eine Messendtemperatur erreicht. Während des Erwärmens oder Kühlens wird die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A gemessen. Auf der Basis dieser Messergebnisse wird der Maximalwert T1, T2, T3, T4 der Temperaturdifferenz bestimmt.
Es ist machbar, jeweils die Temperaturen des ersten und zweiten Innenraums 4A und 5A durch die Temperaturmesswiderstände 24 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 zu messen. Die Temperaturen des ersten und zweiten Innenraums 4A und 5A können alternativ durch andere Mittel gemessen werden als die Temperaturmesswiderstände 24 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3, zum Beispiel durch Thermometer, die in den ersten und zweiten Innenräumen 4A und 5A platziert werden.
Die maximalen Temperaturdifferenzwerte T1, T2, T3 und T4 können so gesteuert werden, dass sie kleiner oder gleich den obigen jeweiligen Werten sind durch Einstellen des Abstandes zwischen den ersten und zweiten Installationsteilen 4 und 5, die Materialien der Strukturelemente des ersten und zweiten Installationsteils 4 und 5, die Dicken der Wände, die die ersten und zweiten Innenräume 4A und 5A definieren, und dergleichen.
Gehäuse
Das Gehäuse 6 ist dafür ausgelegt, darin das erste und zweite Installationsteil 4 und 5 aufzunehmen. Das Gehäuse 6 hat: einen Gehäusekörper, der mit einer Öffnung 6A zum Einleiten des Messzielgases in das Innere des Gehäuses 6 gebildet ist; und ein Filter 6B, das in der Öffnung 6A angeordnet ist.
Genauer gesagt, enthält das Gehäuse 6 einen inneren Rahmenteil 6D, der nach innen von einer Innenfläche des Gehäusekörpers so vorragt, dass die Schaltplatine 10 am inneren Rahmenteil 6D des Gehäuses 6 über ein Dichtungselement 11 befestigt ist, um dazwischen einen Innenraum 6C zu definieren. Das erste und zweite Installationsteil 4 und 5 (d. h., die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8) werden in diesem Innenraum 6C aufgenommen.
Die Öffnung 6A ist im Gehäusekörper so geformt, dass sie für eine Kommunikation zwischen der Messgasatmosphäre und dem Innenraum 6C sorgt. Das Messzielgas, das von der Öffnung 6A in den Innenraum 6C eingeleitet ist, wird nur dem zweiten Innenraum 5A durch das zweite Gaseinleitungsloch 5B zugeführt. Andererseits wird Wasserdampf im Innenraum 6C sowohl in den ersten als auch in den zweiten Innenraum 4A und 5A verbreitet.
Das Filter 6B ist als wasserabweisendes Filter vorgesehen, dass einen Durchgang des Messzielgases erlaubt, aber keinen Durchgang von Wasser in flüssiger Form erlaubt. Durch die Anordnung eines solchen wasserabweisenden Filters 6B kann die Ausgabe des Gassensors 1 daran gehindert werden, durch Änderungen in der Strömungsrate des Messzielgases beeinflusst zu werden. In der ersten Ausführungsform ist das Filter 6B an der Innenfläche des Gehäuses 6 (Gehäusekörper) befestigt, um so die Öffnung 6A abzudecken.
Schaltplatine
Die Schaltplatine 10 ist plattenförmig und innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet, um so ein Schaltungssystem mit der Berechnungseinheit 12 zu bilden, wie in 5 gezeigt. Die Schaltplatine 10 hat: eine Gasdetektionsschaltung C1, die eine Spannung an die Heizwiderstände 20 und 30 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 legt und ein Gaskonzentrations-Detektionssignal Vd entsprechend einem Potenzial zwischen dem Heizwiderstand 20 des ersten Sensorelementes 2 und dem Heizwiderstand 30 des zweiten Sensorelementes 3 erzeugt; und eine Temperaturmessschaltung C2, die eine Spannung an den Temperaturmesswiderstand 24 des Sensorelementes 2, 3 legt und ein Temperatur-Detektionssignal Vt entsprechend einer Potenzialdifferenz des Temperaturmesswiderstandes 24 des Sensorelementes 2, 3 erzeugt.
Genauer gesagt, hat die Gasdetektionsschaltung C1 einen Differenzialverstärker und feste Widerstände R3 und R4. Die festen Widerstände R3 und R4 sind in Reihe geschaltet und jeweils parallel zu den Heizwiderständen 20 und 30 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 angeordnet; und die Heizwiderstände 20 und 30 der ersten und zweiten Sensorelemente 2 und 3 sind in Reihe zueinander geschaltet. Beim Anlegen einer konstanten Spannung Vcc zwischen den Heizwiderständen 20 und 30 entwickelt sich ein Potenzial zwischen den Heizwiderständen 20 und 30 und ein Potenzial zwischen den festen Widerständen R3 und R4. Eine Differenz zwischen diesen Potenzialen wird durch den Differenzialverstärker verstärkt und als Gaskonzentrations-Detektionssignal Vd von der Gasdetektionsschaltung C1 an die Berechnungseinheit 12 ausgegeben.
Ferner hat die Temperaturmessschaltung C2 einen Differenzialverstärker, der zwischen den Temperaturmesswiderständen 24 das ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 und der Berechnungseinheit 12 angeordnet ist. Wenn der Widerstandswert des Temperaturmesswiderstandes 24 mit der Änderung in der Temperatur der Messgasatmosphäre variiert, entwickelt sich eine Potenzialdifferenz über dem Temperaturmesswiderstand 24. Die Potenzialdifferenz der Temperaturmesswiderstände 24 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 werden jeweils durch den Differenzialverstärker verstärkt und als Temperaturdetektionssignale Vt von der Temperaturmessschaltung C2 an die Berechnungseinheit 12 ausgegeben.
Berechnungseinheit
Die Berechnungseinheit 12 ist dafür ausgelegt, die Konzentration D des Messzielgases in der Messgasatmosphäre auf der Basis des Gasdetektionssignals Vd zu berechnen und die Temperaturen T der Messgasatmosphäre ihrem ersten und zweiten Installationsteil 4 und 5 (d. h. die Temperaturen des ersten und zweiten Innenraums 4A und 5A) auf der Basis der jeweiligen Temperaturdetektionssignale Vt zu berechnen.
Die Kalkulationseinheit 12 und die Schaltplatine 10 werden hierin mit Strom von einer Gleichstrom-Stromversorgung 40 versorgt, wie in 5 gezeigt.
Effekte
Die folgenden Effekte werden in der ersten Ausführungsform erhalten.

(1a) Da T1 0,4 °C oder weniger ist, wird die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Innenraum 4A, in dem das erste Sensorelement 2 installiert ist, und dem zweiten Innenraum 5A, in dem das zweite Sensorelement 3 installiert ist, auf einem kleinen Niveau gehalten, selbst beim Auftreten von Änderungen der Umgebungstemperatur. Mit anderen Worten, liegen die Messbedingungen des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 dicht beieinander. Es ist folglich möglich, Variationen in der Ausgabe des Gassensors 1, die aufgrund von Temperaturänderungen verursacht wurden, zu unterbinden und dadurch einen Fehler in der Ausgabe des Gassensors 1 zu reduzieren.
(1b) Durch die Schaltplatine 10 und die Berechnungseinheit 12 wird die Konzentration des Messzielgases gemäß dem Potenzial zwischen dem Heizwiderstand 20 das ersten Sensorelementes 2 und dem Heizwiderstand 30 des zweiten Sensorelementes 3 berechnet. Es ist daher möglich, dass der Gassensor 1 die Konzentration des Messzielgases exakt ausgibt.
(1c) Ferner sind die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 aus keramischen Materialien hergestellt, sodass die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Montagebasis 7 und der Schutzkappe 8 klein ist. Da die Haftung der Montagebasis 7 und der Schutzkappe 8 daran gehindert werden kann, durch einen Wärmeschock verschlechtert zu werden, ist es möglich, die Abdichtung des ersten Innenraums 4A zu verbessern.
(1d) Das erste Gaseinleitungsloch 4B ist in der keramischen Schutzkappe 8 gebildet; und das Membranelement 4C ist an der keramischen Schutzkappe 8 befestigt, um so das erste Gaseinleitungsloch 4B abzudecken. Das Membranelement 4C ist daher nicht in Kontakt mit einem Metallmaterial und wird an der Kontamination durch Metallionen gehindert. Es ist daher möglich, eine Verschlechterung in der Wasserdampf-Permeabilität des Membranelementes 4C zu unterbinden.
(1e) Des Weiteren wird nicht nur das erste Installationsteil 4, sondern auch das zweite Installationsteil 5 durch die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 gebildet. Es ist daher möglich, gleichzeitig und leicht die ersten und zweite Installationsteile 4 und 5 so zu bilden, dass die ersten und zweiten Innenräume 4A und 5A sich dicht beieinander befinden können, um die Temperaturdifferenz zwischen diesem ersten und zweiten Innenräumen 4A und 5A zu verringern.
(1f) Da das Filter 6B in der Öffnung 6A des Gehäuses 6 angeordnet ist, um das Eindringen von flüssigem Wasser in den Innenraum des Gehäuses 6 zu verhindern, ist es möglich, den Einfluss der Strömungsrate des Messzielgases zu unterbinden und die Ausgabegenauigkeit des Gassensors 1 zu verbessern.

Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als nächstes unten mit Verweis auf die 8 und 9 erläutert. Wie in 8 gezeigt, ist der Gassensor 1 der zweiten Ausführungsform strukturell derselbe wie der der ersten Ausführungsform. Hierin werden dieselben Konfigurationen der zweiten Ausführungsform wie die der ersten Ausführungsform durch dieselben Bezugszahlen bezeichnet, um wiederholende Erläuterungen derselben vermeiden zu können. Die folgenden Erläuterungen konzentrieren sich auf Unterschiede zwischen der ersten und zweiten Ausführungsform.
In der zweiten Ausführungsform ist der Gassensor 1 dafür ausgelegt, Wasserstoffgas (brennbares Gas) als das Messzielgas festzustellen und zu messen.
Wie in 9 gezeigt, hat der Gassensor 1 einen Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D (als Messzielgas-Oxidationskatalysator), durch den Wasserstoffgas, das zum ersten Innenraum 4A fließt, zu Wasser oder Wasserdampf oxidiert wird. Als solch ein Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D kann Platin, Palladium, Ruthenium, Rhodium oder eine Legierung derselben verwendet werden. Unter anderem kann Platin oder einer Platin-Ruthenium-Legierung vorzugsweise verwendet werden.
Der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D ist zwischen dem Membranelement 4C und dem ersten Innenraum 4A angeordnet. Genauer gesagt, ist der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D innerhalb des ersten Gaseinleitungslochs 4B angeordnet, um so das erste Gaseinleitungsloch 4B abzudecken. Mit anderen Worten, ist der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D so angeordnet, dass er in Position das erste Gaseinleitungsloch 4B überlappt, wenn er in Richtung der Achse des ersten Gaseinleitungslochs 4B betrachtet wird.
Ferner hat der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D eine poröse Blattform, die auf einer Stütze in der zweiten Ausführungsform abgestützt wird. Als Stütze kann Aktivkohle, Fulleren, Kohlenstoff-Nanohorn, Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder dergleichen verwendet werden. Alternativ kann ein poröses Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder ein metallisches Material, wie zum Beispiel Titan, verwendet werden. Der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 5D ist auf einer Fläche des Membranelementes 4C angeordnet, die dem ersten Innenraum 4A zugewandt ist, und dann mit dem Membranelement 4C verbunden, zum Beispiel durch Thermokompressionsverkleben.
Da das Membranelement 4C und der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D so angeordnet sind, dass sie das erste Einleitungsloch 4B von der Außenseite des ersten Innenraums 4A in der zweiten Ausführungsform abdecken, ist es machbar, das Membranelement 4C und den Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D nach dem Definieren des ersten Innenraums 4A durch Aufschmelzen der Basis 7 und der Schutzkappe 8 anzuordnen. Das Membranelement 4C und der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D werden so daran gehindert, aufgrund von Expansion von Luft im ersten Innenraum 4A während des auf Schmerzens verformt zu werden. Alternativ können das Membranelement 4C und der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D so angeordnet werden, dass sie das erste Einleitungsloch 4B von der Seite des ersten Innenraums 4A aus abdecken.
Das Membranelement 4C und der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D werden in einen Vertiefungsteil der Schutzkappe 8 platziert und verklebt und an den Peripherien derselben gegenüber der Schutzkappe 8 durch einen isolierenden Klebstoff abgedichtet.
In der Umgebung von hoher Wasserstoffkonzentration wird das Wasserstoffgas, das durch das Membranelement 4C gelaufen ist, zu Wasser oder Wasserdampf durch Kontakt mit dem Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D oxidiert. Wenn die Feuchtigkeit auf der Innenseite (d.h. erste Innenraum 4A-Seite) des Membranelementes 4C groß wird, wird das Wasser oder der Wasserdampf aus dem Innenraum 4A über das Membranelement 4C abgeführt.
Effekte
In der zweiten Ausführungsform werden auch die folgenden Effekte erhalten.

(1g) In dem Fall, wo die Konzentration des Wasserstoffgases (als Messzielgas) hoch ist, wird das Wasserstoffgas, das durch das Membranelement 4C gelaufen ist, durch den Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D oxidiert und dadurch aus dem Innenraum 4A entfernt. Es ist daher möglich, selbst in dem Fall, wo die Konzentration des Wasserstoffgases in der Messgasatmosphäre hoch ist, einen Unterschied in der Konzentration des Wasserstoffgases zwischen dem ersten Innenraum 4A (in dem das erste Sensorelement 2 als Referenz-Sensorelement installiert ist) und dem zweiten Innenraum 5A (in dem das zweite Sensorelement 3 als Detektionssensorelement installiert ist) aufrechtzuerhalten und eine Verschlechterung in der Ausgabe des Gassensors 1 zu unterbinden.
(1h) Da der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D im Innern des ersten Gaseinleitungslochs 4B angeordnet ist, um so das erste Gaseinleitungsloch 4B abzudecken, wird Wasserstoffgas, das durch das Membranelement 4C gelaufen ist, effizient in Kontakt mit dem Wasserstoffgas-Oxidationskatalysator 4D gebracht. Es ist daher möglich, eine Verschlechterung in der Ausgabe des Gassensors 1 zuverlässig zu unterbinden.
(1i) Ferner ist der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D blattförmig und auf der ersten Innenraum 4A-seitigen Fläche des Membranelementes 4C angeordnet, sodass das Membranelement 4C und der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D zusammen integriert werden können. Es ist daher möglich, das erste Gaseinleitungsloch 4B durch den Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D leicht und zuverlässig abzudecken.

Modifizierungsbeispiele
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die obigen Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollen die obigen Ausführungsformen das Verständnis für die vorliegende Erfindung erleichtern und sind nicht dafür vorgesehen, die vorliegende Erfindung darauf zu beschränken. Verschiedene Änderungen und Modifikationen können an den obigen Ausführungsformen gemacht werden, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

(2a) Im Gassensor 1 sind die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 nicht notwendigerweise aus Keramikmaterialien hergestellt. Die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 können aneinander mit einem beliebigen anderen Mittel als dem Klebstoff 9A befestigt werden.
(2b) Obwohl das erste und zweite Installationsteil 4 und 5 integral durch die gemeinsame Montagebasis 7 und die gemeinsame Schutzkappe 8 in den obigen Ausführungsformen gebildet sind, können das erste und zweite Installationsteil 4 und 5 als separate Teile gebildet sein, indem die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 für das erste Installationsteil 4 getrennt von denen für das zweite Installationsteil 5 bereitgestellt werden. Das erste und zweite Installationsteil 4 und 5 können sich getrennt voneinander befinden.

Jedes Teil aus dem ersten und zweiten Installationsteil 4 und 5 sind nicht notwendigerweise durch die Montagebasis 7 und die Schutzkappe 8 gebildet und kann durch einzelnes hohles Strukturelement gebildet sein.

(2c) Das Membranelement 4C kann alternativ außerhalb der Schutzkappe 8 angeordnet sein, um so das erste Gaseinleitungsloch 4B abzudecken. Ferner kann das Membranelement 4C an der Schutzkappe 8 durch andere Mittel als den Klebstoff 9A befestigt werden.
(2d) Das Filter 6B ist nicht notwendigerweise im Gehäuse 6 vorgesehen. Die Form des Gehäuses 6, wie in den 1 und 2 gezeigt, ist ein bloßes Beispiel und kann nach Bedarf modifiziert werden.
(2e) Im Gassensor 1 braucht nicht jedes der ersten und zweiten Sensorelemente 2 und 4 mit dem Temperaturmesswiderstand 24 ausgerüstet zu sein.

Alternativ können die ersten und zweiten Installationsteile 4 und 5 jeweils mit anderen Temperaturmessmitteln als dem Temperaturmesswiderstand 24 versehen sein.

(2f) Der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D kann so angeordnet sein, dass er das erste Gaseinleitungsloch 4B abdeckt, ohne sich innerhalb des ersten Gaseinleitungslochs 4B zu befinden, wie in 10A gezeigt.
(2g) Wie in 10A gezeigt, kann das erste Installationsteil 4 ein blattförmiges Stützelement 4E haben, das das Membranelement 4C und den Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D stützt. In diesem Fall ist das Stützelement 4E ein poröser gasdurchlässiger Körper, der zum Beispiel aus einem Kohlenstoffmaterial, Keramikmaterial oder dergleichen hergestellt ist. Durch solch ein Stützelement 4E ist es möglich, die Verwerfung des Membranelementes 4C und des Wasserstoff-Oxidationskatalysators 4D zu unterbinden und die Abdichtung des ersten Gaseinleitungslochs 4B zu verbessern. Ferner können das Membranelement 4C und der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D zusammen durch das Stützelement 4E als eine Blattstruktur zur verbesserten Handhabung integriert werden. Obwohl das Stützelement 4E auf einer Oberfläche des Wasserstoff-Oxidationskatalysators 4D gegenüber dem Membranelement 4C in 10A laminiert ist, kann das Stützelement 4E alternativ auf einer Fläche des Membranelementes 4C gegenüber dem Membranelement 4C laminiert sein.
(2h) Der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D ist nicht notwendigerweise so angeordnet, dass er das erste Gaseinleitungsloch 4B abdeckt. Zum Beispiel kann der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D auf einer Innenwand des ersten Installationsteils 4 angeordnet sein, in der das erste Gaseinleitungsloch 4B definiert ist. Der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D ist auch nicht notwendigerweise innerhalb des ersten Gaseinleitungslochs 4B angeordnet. Zum Beispiel kann der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D innerhalb des ersten Innenraums 4A angeordnet sein, wie in 10B gezeigt. Des Weiteren ist der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D nicht notwendigerweise blattförmig.
(2i) Der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D ist nicht notwendigerweise zwischen dem Membranelement 4C und dem ersten Innenraum 4A oder innerhalb des ersten Innenraums 4A angeordnet. Zum Beispiel kann der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D zwischen zwei Membranelementen 4C laminiert sein oder kann dispergiert und im Membranelement 4C enthalten sein.
(2j) In der obigen Ausführungsform ist es möglich, die Funktion von einer Komponente unter den vielen Komponenten aufzuteilen oder die Funktionen einer Vielzahl von Komponenten in einer zu kombinieren. Alle technischen Merkmale der obigen Ausführungsformen können weggelassen, ersetzt oder nach Bedarf kombiniert werden. Alle Ausführungsformen und Modifikationen, die aus dem technischen Geltungsbereich der folgenden Ansprüche abgeleitet sind, sind in der vorliegenden Erfindung enthalten.

Beispiele
Um die Effekte der vorliegenden Erfindung zu überprüfen, wurden die Beispiele 1 bis 3 durch die folgenden Verfahren erhalten.
Beispiel 1
In Beispiel 1 wurde ein Muster des Gassensors 1, das in 1 gezeigt wird, erzeugt. Der so erzeugte Gassensor 1 wurde in einen Thermostaten gebracht, der auf eine Anfangstemperatur von 0 °C eingestellt war. Die Temperatur des Thermostaten wurde dann auf 80 °C eingestellt. Während eines Zeitraums, bis die Temperatur des Thermostaten 80 °C erreichte, wurde die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A des Gassensors 1 mittels der Temperatur-Heizwiderstände 24 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 gemessen. Hierbei wurde die Spannung V_CC auf 5 V eingestellt; und die Widerstandswerte der Heizwiderstände 20 und 30 des ersten und zweiten Sensorelementes 2 und 3 wurden auf 100 Ω eingestellt. Ähnlich wurde die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A des Gassensors 1 durch Ändern der Temperatur des Thermostaten von -40 °C auf 100 °C, von 100 °C auf -40 °C und von 80 °C auf 0 °C gemessen. Die Messergebnisse werden in den 6A bis 6D gezeigt.
Vergleichsbeispiel
Im Vergleichsbeispiel wurde ein Muster des Gassensors 1 in derselben Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, außer dass der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A im Vergleichsbeispiel doppelt so groß wie in Beispiel 1 war. Die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A wurde unter denselben Messbedingungen wie in Beispiel 1 gemessen. Die Messergebnisse werden in den 6A bis 6D gezeigt.
(Betrachtung der Messergebnisse)
In Beispiel 1 war die Variation der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A unter all den Messbedingungen, wie sie in den 6A bis 6D gezeigt werden, klein. Insbesondere betrug die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A 0,4 °C oder weniger bei jeder Messbedingung in Beispiel 1. Im Vergleichsbeispiel betrug im Gegensatz dazu die Variation der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A unter allen Messbedingungen groß; und die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A betrug 1 °Celsius oder mehr bei jeder Messbedingung, wie in den 6A bis 6D gezeigt.
Wie in 7 gezeigt, war die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A proportional zum Ausgabefehler das Gassensors 1.
Je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A, desto größer der Ausgabefehler des Gassensors 1.
Es versteht sich aus 7, dass in Beispiel 1 der Sensor-Ausgabefehler kleiner als 1000 ppm blieb, da die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A 0,4 °C oder weniger unter jeder Messbedingung betrug. Im Vergleichsbeispiel jedoch betrug die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A mehr als 2,0 °C unter der Messbedingung von -40 °C - 100 °C, wodurch der Sensor-Ausgabefehler 5000 ppm überstieg.
Durch die obigen Ergebnisse ist gezeigt worden, dass es möglich ist, den Ausgabefehler das Gassensors 1 signifikant zu reduzieren und die Ausgabegenauigkeit des Gassensors 1 durch Kontrollieren bzw. Steuern der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Innenraum 4A und 5A auf 0,4 °C oder weniger zu verbessern.
Beispiele 2 und 3
In Beispiel 3 wurde ein Muster des Gassensors 1 erzeugt, wie in 8 gezeigt. In Beispiel 2 wurde ein Muster des Gassensors 1 in derselben Weise wie in Beispiel 3 erzeugt, außer dass der Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D nicht verwendet wurde. In jedem der Beispiele 2 und 3 wurde der so erzeugte Gassensor 1 getestet durch Anordnen des Sensors in einer Umgebung mit einer relativen Feuchtigkeit von 95 % bei 25 °C, Zufuhr von 2 Vol-% Wasserstoffgas zum Sensor für 15 Minuten und Messen der Ausgabe des Sensors. Die Messergebnisse werden in den 11 und 12 gezeigt.
Betrachtung der Messergebnisse
In Beispiel 2 verschlechterte sich die Ausgabe des Gassensors 1 (ohne den Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D) mit der Zeit, wie in 12 gezeigt. In Beispiel 3 dagegen wurde die Ausgabe des Gassensors 1 (mit dem Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4A) konstant ohne Verschlechterung gehalten, wie in 11 gezeigt. Die Ausgabe des Gassensors 1 war in Beispiel 3 genauer, wo der Gassensor 1 mit dem Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D versehen war, als in Beispiel 2, wo der Gassensor 1 nicht mit dem Wasserstoff-Oxidationskatalysator 4D versehen war.
Der gesamte Inhalt der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-149987 (eingereicht am 2. August 2017) und Nr. 2018-054439 (eingereicht am 22. März 2018) ist hierin durch Verweis aufgenommen.
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

JP 2017149987 [0088]
JP 2018054439 [0088]

Claims

Gassensor (1) zum Detektieren eines Messzielgases in einer Messgasatmosphäre, umfassend: erste und zweite Sensorelemente (2, 3), wobei jedes der ersten und zweiten Sensorelemente (2, 3) in Form eines Sensorelementes mit thermischer Leitfähigkeit ist, das einen Heizwiderstand (20, 30) hat, dessen Widerstandswert mit einer Änderung in der Temperatur desselben variiert, wobei die Heizwiderstände (20, 30) des ersten und zweiten Sensorelementes (2, 3) in Reihe zueinander geschaltet sind; ein erstes Installationsteil (4), das einen ersten Innenraum (4A) definiert, in dem das erste Sensorelement (2) installiert ist; ein zweites Installationsteil (5), das einen zweiten Innenraum (5A) definiert, in dem das zweite Sensorelement (3) installiert ist; ein Gehäuse (6), das darin das erste und zweite Installationsteil (4, 5) aufnimmt; eine Schaltplatine (10), die eingerichtet ist, eine Spannung an die Heizwiderstände (20, 30) des ersten und zweiten Sensorelementes (2, 3) anzulegen; und eine Berechnungseinheit (12), die eingerichtet ist, eine Konzentration des Messzielgases in der Messgasatmosphäre entsprechend einem Potenzial zwischen den Heizwiderständen (20, 30) des ersten und zweiten Sensorelementes (2, 3) bei Anlegen einer konstanten Spannung (V_CC) an die Heizwiderstände (20, 30) durch die Schaltplatine (10) zu berechnen, wobei das Gehäuse (6) einen Gehäusekörper hat, der mit einer Öffnung (6A) zum Einleiten des Messzielgases in einen Innenraum des Gehäuses (6) geformt ist, wobei das erste Installationsteil (4) hat: ein erstes Gaseinleitungsloch (4B), das für die Kommunikation zwischen dem ersten Innenraum (4A) und der Innenseite des Gehäuses (6) gebildet ist; und ein Membranelement (4C), das das erste Gaseinleitungsloch (4B) abdeckt, und das eine Permeabilität für Wasserdampf hat und im Wesentlichen keine Permeabilität für das Messzielgas hat, wobei das zweite Installationsteil (5) ein zweites Gaseinleitungsloch (5B) hat, das gebildet ist, um die direkte Einleitung des Messzielgases vom Innern des Gehäuses (6) in den zweiten Innenraum (5A) zu ermöglichen, und wobei das erste und zweite Installationsteil (4, 5) sich an solchen Positionen befinden, die eine maximale Temperaturdifferenz von 0,4 °C oder weniger zwischen dem ersten und zweiten Innenraum (4A, 5A) während einer Änderung der Atmosphärentemperatur von 0 °C auf 80 °C ermöglichen.
Gassensor (1) nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Installationsteil (4, 5) gebildet werden durch: eine keramische Montagebasis (7), auf der das erste und zweite Sensorelement (2, 3) befestigt sind; und eine keramische Schutzkappe (8), die die keramische Montagebasis (7) abdeckt, um so dazwischen den ersten und zweiten Innenraum (4A, 5A) zu definieren.
Gassensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (6) ein Filter (6B) umfasst, das in der Öffnung (6A) angeordnet ist und eine Durchlässigkeit für das Messzielgas und keine Durchlässigkeit für flüssiges Wasser besitzt.
Gassensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Installationsteil (4) einen Messzielgas-Oxidationskatalysator (4D) umfasst, der die Oxidation des Messzielgases verursacht, das in den ersten Innenraum (4A) fließt.
Gassensor (1) nach Anspruch 4, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator (4D) innerhalb des ersten Innenraums (4A) und/oder zwischen dem Membranelement (4C) und dem ersten Innenraum (4A) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 5, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator (4D) innerhalb des ersten Gaseinleitungslochs (4B) angeordnet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator (4D) so angeordnet ist, dass er das erste Gaseinleitungsloch (4B) abdeckt.
Gassensor (1) nach Anspruch 7, wobei der Messzielgas-Oxidationskatalysator (4D) blattförmig ist und auf einer ersten innenraumseitigen Fläche des Membranelementes angeordnet ist.
Gassensor (1) nach Anspruch 8, wobei das erste Installationsteil (4) ein blattförmiges Stützelement (4E) umfasst, das das Membranelement (4C) und/oder den Messzielgas-Oxidationskatalysator (4D) abstützt.