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Die
Erfindung geht aus von einem Meßfühler zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines strömenden Meßgases,
insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration oder der
Temperatur im Abgas einer Brennkraftmaschine.
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Bei
solchen Meßfühlern zeigt
das Meßsignal eine
Abhängigkeit
von der Drehwinkellage des Meßelements,
d.h. von der Drehwinkelstellung des Meßelements relativ zum Meßgasstrom.
Insbesondere bei in planarer Schichttechnik aufgebauten Meßelementen,
deren gassensitiver Bereich auf einer Seite des Vorstehendes des
Meßelements
liegt und damit je nach Einbaulage unterschiedliche Ausrichtungen bezüglich der
Strömungsrichtung
des Meßgases
haben kann, treten bei falscher oder nicht optimierter Einbaulage
des Meßfühlers Mißmessungen
auf. Bei Einsatz des Meßfühlers als
Lambdasonde bei der Kraftstoffgemischregelung einer Brennkraftmaschine kommt
es aufgrund der durch eine nicht optimale Einbaulage bedingten ungenauen
Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas zu einer Fehleinstellung bei
der Kraftstoffgemischregelung und damit zu einer Abgaszusammensetzung,
die die zunehmend schärfer
werdenden Abgasvorschriften des Gesetzgebers nicht mehr erfüllt.
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Bei
einem bekannten Meßfühler dieser
Art (
DE 43 18 107 A1 )
sind zur Verbesserung der Genauigkeit der Meßwertsignale die darunter leidet,
daß im Abgas
enthaltenes Kondenswasser sich auf dem dem Abgasstrom ausgesetzten,
gassensitiven Teil des Meßelements
niederschlägt,
die Gasdurchtrittsöffnungen
im Schutzrohr einseitig im Schutzrohrmantel angeordnet, liegen also
nicht symmetrisch über den
Umfang verteilt, so daß das
Schutzrohr bezüglich
der Lochausbildung eine Asymmetrie zeigt. Bei der Montage in den
Abgasstutzen ist ein solcher Meßfühler dann
relativ zum Abgasstrom so auszurichten, daß die Gasdurchtrittöffnungen
auf der von der Abgasanströmung
abgekehrten Seite des Schutzrohrmantels liegen. Dadurch können im
Abgas mitgeführte
Wassertropfen nicht an das Vorstehende des Meßelements gelangen, sich dort
nicht als Kondenswasser niederschlagen und damit nicht die Meßgenauigkeit
des Meßfühlers beeinträchtigen.
Um unabhängig
von der Qualifizierung des Monteurs vor Ort stets die korrekte Ausrichtung
des Meßfühlers beim
Einbau in das Abgasrohr reproduzierbar sicherzustellen, ist eine
Montagehilfe in der Form vorgesehen, daß an einer mit dem Gehäuse fest
verbundene Metallhülse,
die das aus dem Fühlergehäuse herausragende,
anschlußseitige
Vorstehende des Meßelements überdeckt,
eine Markierung angebracht ist, die die Lage der Gasdurchtrittsöffnungen
am Schutzrohr kennzeichnet. Mit Hilfe dieser Markierung wird der Meßfühler in
die Aufnahme am Abgasstutzen so eingesetzt, daß die Gasdurchtrittsöffnungen
im Schutzrohr auf der vom Abgasstrom abgekehrten Seite liegen. Nachdem
der Messfühler
eine in Bezug auf die Strömungsrichtung
des Abgases abgestimmte Orientierung erhalten hat, wird das Fühlergehäuse mittels einer Überwurfmutter
in einer an dem Abgasstutzen befestigten Aufnahme für das Fühlergehäuse festgespannt.
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Ein
bekannter Sauerstoffsensor (
US
5 012 670 ) weist ein plattförmiges Sensorelement mit einer Messelektrode
auf, das in einem Gehäuse
befestigt und von einem metallischen Schutzrohr geschützt ist. Das
Schutzrohr besitzt eine Mehrzahl von Einlassöffnungen mit Führungselementen
für das
Messgas, die durch aus dem Schutzrohr ausgebogene Wandstücke gebildet
sind. Die Öffnungen
weisen unterschiedliche Abstände
und gleiche Querschnitt oder gleiche Abstände und unterschiedliche Querschnitte
auf, wobei das Schutzrohr in einer bestimmten Drehwinkellage relativ
zum Sensorelement ausgerichtet ist. Aufgrund dieser Ausbildung des
Schutzrohrs wird unabhängig
von der Strömungsrichtung,
mit welcher das Mess- oder Abgas den Sauerstoffsensor anströmt ein gleiches
Messergebnis bei der Bestimmung des λ-Wertes erzielt.
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Ein
bekannter Sauerstofffühler
(
DE 38 43 089 A1 )
weist ein ebenes Fühlerelement
mit einem an mindestens einer der äußeren Seitenflächen ausgebildeten,
ebenen Messabschnitt zum Erfassen des Messgases auf. Der Messgasabschnitt
ist von einem Schutzrohr geschützt,
in dem Gaseinströmöffnungen für das Einströmen des
Messgases in das Schutzrohrinnere ausgebildet sind. An den Gaseinströmöffnungen
sind Leitflächen
ausgebildet, die das Gas im Innern des Schutzrohrs in eine bestimmte
Richtung verwirbeln. Die Gaseinströmöffnungen sind dadurch gebildet,
dass die Leitflächen
in den Rohrmantel des Schutzrohrs eingeschnitten und nach Innen
aufgestellt sind. Die Gaseinströmöffnungen
sind dabei in einer Ebene angeordnet, die unterhalb des Endes des
Messabschnittes liegt.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Messfühler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die neuartige
Gestaltung des Schutzrohrs und durch die fest vorgegebene Drehwinkellage
des Schutzrohrs relativ zum Messelement das Messsignal des Messfühlers deutlich
unempfindlicher gegenüber
der Drehwinkellage des Messfühlers
relativ zum Messgasstrom ist. Damit kann der Messfühler ohne Einbauvorschriften
in beliebiger Drehwinkellage in das das Messgas führende Gasrohr
eingesetzt werden, wodurch die Montage vor Ort wesentlich erleichtert
wird und die Anforderungen an die Sorgfalt des Monteurs verringert
werden. Die erforderliche Drehwinkellage des Sensorelements hängt von
der Gestaltung und Anordnung der Führungsmittel am Schutzrohr
ab und wird empirisch ermittelt. Hierzu wird ein Messfühler mit
der festgelegten Schutzrohrkonfiguration einem Testgasstrom ausgesetzt
und das Sensorelement relativ zum Schutzrohr solange gedreht, bis
der Messfühler
einen ausreichend genauen Messwert liefert. Diese Drehwinkellage
des Sensorelements relativ zum Schutzrohr wird durch Markierungen
am Sensorelement bzw. an dem das Sensorelement aufnehmenden Gehäuse einerseits und
am Schutzrohr andererseits gekennzeichnet, so daß beim Serienmeßfühler immer
die gleiche Relativlage von Schutzrohr und Sensorelement eingehalten werden
kann.
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In
der Kraftfahrzeugtechnik ist der erfindungsgemäße Meßfühler in Ausbildung als Sonde
für die
Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff und/oder Stickstoffoxiden
geeignet, ausreichend genau die Abgaszusammensetzung in der gemeinsamen
Abgasleitung der Verbrennungszylinder einer Brennkraftmaschine zu
erkennen, so daß von
der fertigungstechnisch teuren Möglichkeit,
zur Einhaltung der Abgasnormen separate Sonden in den einzelnen Auslaßkanälen der
Verbrennungszylinder vorzusehen, Abstand genommen werden kann.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Meßfühlers möglich.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Meßfühlers, teilweise
geschnitten,
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2 eine
Draufsicht eines Schutzrohrs des Meßfühlers in 1,
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3 einen
Schnitt längs
der Linie III-III in 2,
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4 jeweils
in schematischer Darstellung einen und 5 Längsschnitt
eines modifizierten Schutzrohrs,
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6 einen
schematisierten Längsschnitt
eines Schutzrohrs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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7 einen
Schnitt längs
der Linie VII-VII in 6,
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8 einen
schematisierten Längsschnitt
eines Schutzrohrs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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9 einen
Schnitt längs
der Linie IX-IX in 8,
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10 einen
schematisierten Längsschnitt eines
Schutzrohrs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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11 eine
Draufsicht des Schutzrohrs in Richtung Pfeil XI in 10,
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12 einen
schematisierten Längsschnitt eines
Schutzrohrs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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13 eine
Draufsicht des Schutzrohrs in Richtung Pfeil XIII in 12,
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14 einen
schematisierten Längsschnitt eines
Schutzrohrs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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15 eine
Draufsicht des Schutzrohrs in Richtung Pfeil XV in 14,
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16 einen
schematisierten Längsschnitt eines
Schutzrohrs gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
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17 eine
Draufsicht des Schutzrohrs in Richtung Pfeil XVII in 16.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Der
in 1 in Seitenansicht teilweise geschnitten dargestellte
Meßfühler zur
Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines strömenden Meßgases wird
bevorzugt als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Der Meßfühler weist
ein Sensor- oder Meßelement 11 auf,
das in einem Gehäuse 12 aufgenommen
ist und aus diesem mit einem dem Meßgas ausgesetzten, meßgasseitigen
Vorstehende 111 und mit einem Kontaktflächen tragenden anschlußseitigen
Vorstehende 112 herausragt. Das Meßelement 11 wird dabei
von einem elektrisch isolierenden, im Gehäuse 12 axial verspannten
Keramikeinsatz 13 mit einer dazwischenliegenden Dichtung
umfaßt,
die sich ihrerseits an die Innenwand des Gehäuses 12 anpreßt. Das
Gehäuse 12 weist
ein Außengewinde 14 sowie
einen Sechskant 15 zum Eindrehen des Gehäuses 12 in
ein Innengewinde 16 einer Aufnahme 17 auf, die
auf der Außenwand
eines Abgasstutzens 18 befestigt ist und eine in dem Rohrmantel 181 des
Abgasstutzens 18 eingebrachte Einführöffnung 19 koaxial
umschließt.
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Der
Aufbau des Meßelements
11 ist
bekannt und beispielsweise in der
DE 199 41 051 A1 beschrieben. Im Endabschnitt
des meßgasseitigen
Vorstehendes
111 ist auf einer Seite des Meßelements
11 der
gassensitive Teile des Meßelements
11,
z.B. in Form einer Nernst- und einer Pumpzelle, angeordnet, deren
Elektroden über
im Innern des Meßelements
11 verlaufende
Leiterbahnen mit einem hier nicht gezeigten, am anschlußseitigen
Vorstehende
111 die Kontaktflächen kontaktierenden Klemmverbinder
verbunden, der eine elektrische Verbindung zu Anschlußlitzen
20 herstellt.
Der Klemmverbinder und das anschlußseitige Vorstehende
112 des
Meßelements
11 werden
von einer Metallhülse
21 überdeckt,
die auf das Gehäuse
12 aufgesetzt
und mit dieser z.B. durch Umbördelung
fest verbunden ist. Auf das von der Metallhülse
21 abgekehrte
Ende des Gehäuses
12 ist
ein Schutzrohr
22 aufgeschoben, das das meßgasseitige
Vorstehende
111 des Meßelements
11 umschließt. Wie
in
1 strichpunktiert angedeutet ist, kann das Schutzrohr
22 zusätzlich von
einem mit Gasdurchtrittslöchern
24 versehenen Außenrohr
23 umgeben
sein.
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Bei
der Montage wird der Meßfühler mit
dem Schutzrohr 22 bzw. Doppelschutzrohr 22, 23 durch die
Aufnahme 17 und die Einführöffnung 19 im Abgasstutzen 18 hindurchgeführt und
mit seinem Gehäuse 12 über das
Außengewinde 14 des
Gehäuses 12 und
das Innengewinde 16 der Aufnahme 17 in die Aufnahme 17 eingedreht,
bis der Sechskant 15 an der Stirnseite der Aufnahme 17 anliegt.
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Das
in 2 und 3 in Draufsicht und Längsschnitt
vergrößert dargestellte
Schutzrohr 22 ist topf- oder kappenförmig ausgebildet und weist
einen radial flanschartig vorspringenden Rohrrand 221,
mit dem das Schutzrohr 22 im Gehäuse 12 festgelegt
ist, einen sich daran fortsetzenden Rohrmantel 222 und
einen das Schutzrohr 22 an seinem freien Ende abschließenden Rohrboden 223 auf.
Der Rohrmantel 222 ist mit Öffnungen 25 zum Durchtritt
des Meßgases,
im folgenden kurz Gasöffnungen 25 genannt,
versehen, damit das im Abgasrohr 18 strömende Abgas an den gassensitiven
Teil des Meßelement 11 innerhalb
des Schutzrohrs 22 gelangen kann.
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Um
die eingangs beschriebene Abhängigkeit des
Meßsignals
des Meßfühlers von
der Drehwinkellage des Meßfühlers relativ
zum Abgasstrom weitgehend aufzuheben und damit immer genaue und
gleiche Meßwerte
zu erhalten, unabhängig
davon, in welcher Drehstellung das Gehäuse 12 des Meßfühlers relativ
zur Aufnahme 17 in letzterer festgesetzt wird, sind am
Schutzrohr 22 den Gasöffnungen 25 im Rohrmantel 222 zugeordnete
Mittel zur Führung
des Meßgases
im Innern des Schutzrohrs 22 hin zum gassensitiven Teil
des Meßelements 11 vorgesehen. Diese
Mittel weisen in dem in 1 – 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sog. Wirbelklappen 26 auf, die vom Öffnungsrand 251 der
Gasöffnungen 25 aus
ins Rohrinnere hineinragen. Zur Bildung der Öffnungen 25 mit den
Wirbelklappen 26 ist jeweils ein etwa rechteckiges Mantelstück im Rohrmantel 222 an
mindestens einer Stückkante 27 freigeschnitten und
ins Rohrinnere hinein aus dem Rohrmantel 222 ausgebogen.
Wird nur die Stückkante 27 freigeschnitten,
so entsteht ein taschenartiges Gebilde, dessen eine Taschenwand
die Wirbelklappe 26 bildet. Alternativ ist es auch möglich, das
rechteckförmige
Mantelstück
U-förmig
an drei Stückkanten
freizuschneiden und aus dem Rohrmantel 222 auszubiegen.
In diesem Fall ist die Wirbelklappe 26 eben oder leicht
gekrümmt.
Das zur Herstellung einer Gasöffnung 25 mit
Wirbelklappe 26 ausgebogene Mantelstück kann eine beliebige Form
aufweisen, z.B. quadratisch oder elliptisch sein.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1–3 sind
insgesamt drei Gasöffnungen 25 mit
drei Wirbelklappen 26 in einem Abschnitt des Rohrmantels 222 angeordnet,
der sich über
weniger als 180° Umfangswinkel
erstreckt. Sowohl die Gasöffnungen 25 als auch
die Wirbelklappen 26 sind gleich groß ausgebildet und im gleichen
Abstand voneinander angeordnet. Wie 2 zeigt,
sind zusätzlich
im Rohrboden 223 drei Löcher 28 angeordnet,
die mit gleichem Abstand voneinander auf einem zur Rohrachse konzentrischen
Teilerkreis liegen. Die Löcher 28 sind
in einem Bereich des Rohrbodens 223 angeordnet, der sich über den
Abschnitt des Rohrmantels 222 erstreckt, in dem die drei
Gasöffnungen 25 mit
den Wirbelklappen 26 angeordnet sind. Der Bodenbereich erstreckt
sich über
einen Umfangswinkel von 90° und ist
symmetrisch zu dem genannten Abschnitt des Rohrmantels 222 ausgerichtet.
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Bei
Ausbildung des Meßelements 11 als
planare Breitband-Lambdasonde
liegt – wie
bereits vorstehend erwähnt – der gassensitive
Bereich asymmetrisch auf einer Seite des Vorstehendes 111 des Meßelements 11.
In diesem Fall sind Meßelement 11 und
Schutzrohr 22 in einer bestimmten Drehwinkellage relativ
zueinander ausgerichtet. Diese Drehwinkellage wird empirisch mit
einem Meßfühler ermittelt und
festgelegt und dann für
die in der Serie hergestellten Meßfühler gleicher Konfiguration
beibehalten. Hierzu wird ein Meßfühler einem
Testgasstrom mit bekannter Zusammensetzung der Gaskomponenten ausgesetzt
und die relative Drehwinkellage zwischen Meßelement 11 und Schutzrohr 22 solange verändert, bis
der gewünschte
Meßwert
erhalten wird. Mittels einer entsprechenden Markierung an Schutzrohr 22 einerseits
und Meßelement 11 oder Gehäuse 12 andererseits
läßt sich
diese Ausrichtung bei weiteren Meßfühlern gleicher Bauart reproduzierbar
vornehmen.
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In 4–17 sind
Schutzrohrausführungen
schematisiert dargestellt, bei denen die den Gasöffnungen 25 zugeordneten
Mittel zur Führung
des Meßgases
im Innern des Schutzrohrs 22 hin zum gassensitiven Bereich
des Meßelements 11 in
verschiedener Weise modifiziert sind. So weist das Schutzrohr 22 in 4 die
beschriebenen Gasöffnungen 25 mit
davon abstehenden Wirbelklappen 26 auf, die jedoch in unterschiedlicher
Größe ausgeführt und über den
gesamten Umfang des Rohrmantels 222 verteilt angeordnet
sind. Wie bei dem Schutzrohr 22 in 2 und 3 liegen
auch hier die Achsen der Gasöffnungen 25 in
einer Ebene, die quer zur Rohrachse, also parallel zum Rohrboden 223,
ausgerichtet ist. Die Abstände
zwischen den unterschiedlich großen Gasöffnungen 25 sind gleich,
können
aber auch voneinander abweichen. Wie in 2 und 3 können auch
die Gasöffnungen 25 unterschiedlicher
Größe nur in
einem begrenzten Abschnitt des Rohrmantels 222 angeordnet
sein.
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In
den Ausführungsbeispielen
des Schutzrohrs 22 gemäß 5–9 umfassen
die den Gasöffnungen 25 zugeordneten
Mittel zur Führung
des Meßgases
im Innern des Schutzrohrs 22 hin zum gassensitiven Bereich
des Meßelements 11 eine
unterschiedliche Form, einen unterschiedlichen Querschnitt oder
einen unterschiedlichen Abstand der Gasöffnungen 25. In 5 sind
die Gasöffnungen 25 im
Wechsel kreisrund, oval oder dreieckförmig ausgebildet. Ihre Lochachse
liegen wiederum in einer zum Rohrboden 223 parallelen Ebene.
Die Gasöffnungen 25 sind
im gleichen Abstand voneinander über
den Umfang des Rohrmantels 222 verteilt angeordnet, können aber
auch unterschiedliche Abstände voneinander
aufweisen und nur in einem Teilbereich des Rohrmantels 222 angeordnet
sein. Auch die Reihenfolge der unterschiedlichen Formen der Gaslöcher 25 kann
symmetrisch oder asymmetrisch gewählt werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 6 und 7 weisen die Gasöffnungen 25 alle
einen kreisrunden Querschnitt auf, wobei die Querschnitte der Gasöffnungen 25 jedoch
von unterschiedlicher Größe sind.
Wie 7 zeigt, sind alle Gasöffnungen 25 mit unterschiedlichem
Abstand voneinander angeordnet.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 8 und 9 weisen die Gasöffnungen 25 Schlitzform
auf, wobei der lichte Schlitzquerschnitt von Gasöffnung 25 zu Gasöffnung 25 unterschiedlich
ist. Wie aus 9 hervorgeht, sind Schlitze
mit unterschiedlichem Querschnitt mit unterschiedlichem Abstand
voneinander über
den Umfang des Rohrmantels 222 angeordnet, können aber
auch äquidistant
angeordnet sein.
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In
den in 10–17 dargestellten
Ausführungsbeispielen
des Schutzrohrs 22 sind neben den bereits beschriebenen
Mitteln zur Führung
des Meßgases
im Innern des Schutzrohrs 22 hin zum sensitiven Bereich
des Meßelements 11 weitere
konstruktive Maßnahmen
getroffen, die die Meßgasführung unterstützen. In
den gezeigten Beispielen sind den Gasöffnungen 25 die beschriebenen
Wirbelklappen 26, die ins Rohrinnere hineinragen, zugeordnet. Im
Ausführungsbeispiel
der 10 und 11 sind zusätzlich in
den Rohrmantel 222 des Schutzrohrs 22 einseitig
eine Vertiefung 29 und eine Erhebung 30 angeprägt, die
auf diametralen Seiten des Schutzrohrmantels 222 liegen.
Alternativ kann nur eine Vertiefung 29 oder nur eine Erhebung 30 vorgesehen werden.
Die angeprägte
Vertiefung 29 und/oder Erhebung 30 erstreckt sich
dabei nur über
einen Abschnitt des Rohrmantels 222, der beispielsweise
etwas mehr als 90° Umfangswinkel
umfaßt,
und liegt im Bereich der Gasöffnungen 25.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 12 und 13 ist
zusätzlich
zu den Gasöffnungen 25 mit Wirbelklappe 26 eine
einseitige Abflachung 31 am Rohrmantel 222 vorgesehen,
die sich unterhalb der Gasöffnungen 25 bis
zum Rohrboden 223 erstreckt.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 14 und 15 ist
zusätzlich
zu den Gasöffnungen 25 mit Wirbelklappen 26 eine
einseitige, konkave Einwölbung 32 im
Rohrmantel 222 vorgesehen, die sich unterhalb der Gasöffnungen 25 bis
zum Ende des Schutzrohrs 22, also bis zum Rohrboden 223,
erstreckt.
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In
dem Ausführungsbeispiel
der 16 und 17 ist
zusätzlich
zu den Gasöffnungen 25 mit Wirbelklappe 26 ein
Drosselblech 33 vorgesehen, das an der Innenwand des Rohrmantels 222 befestigt ist,
von diesem radial absteht und sich von der Ebene der Gasöffnung 25 bis
zum Rohrende des Schutzrohrs 22 erstreckt.
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Bei
den Ausführungsformen
gemäß 10–17 können anstelle
der Gasöffnungen 25 mit
Wirbelklappen 26 auch Gasöffnungen 25 unterschiedlicher
Form, unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen
Abstands, wie sie in 4–9 dargestellt
sind, vorgesehen werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebene Verwendung des Meßfühlers zur
Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
beschränkt.
Er läßt sich
vielmehr in allen Fällen
einsetzen, in denen eine Abhängigkeit
des Meßsignals
von der Einbaulage des Meßfühlers in
das strömende
Meßgas
besteht, so z.B. auch beim Messen der Temperatur oder der Konzentration
von Stickstoffoxiden im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine.