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Die
Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler nach dem Oberbegriff des
unabhängigen
Anspruchs.
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Ein
derartiger Gasmessfühler
ist beispielsweise aus der
DE
101 51 291 A1 bekannt. Der Gasmessfühler dient der Bestimmung der
Sauerstoffkonzentration eines Messgases, beispielsweise eines Abgases
in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine. Der Gasmessfühler weist
ein Gehäuse
auf, in dem ein Sensorelement festgelegt ist. Das Sensorelement
ist länglich
und in Planartechnik aufgebaut. In einem bezüglich seiner Längserstreckung
mittigen Abschnitt des Sensorelements ist ein Dichtelement vorgesehen,
durch das das Sensorelement im Gehäuse gasdicht abgedichtet und
gehaltert ist. Das Sensorelement enthält an einem messseitigen Endabschnitt
des Sensorelements ein Messelement. Der messseitige Endabschnitt
des Sensorelements ist dem Messgas ausgesetzt und innerhalb eines Schutzrohres
angeordnet, das am Gehäuse
festgelegt ist. Das Schutzrohr weist Öffnungen auf, durch die das
Messgas zum messseitigen Endabschnitt des Sensorelements gelangen
kann. Der messseitige Endabschnitt des Sensorelements ist beabstandet
vom Schutzrohr angeordnet, das Sensorelement wird also an seinem
messseitigen Ende an keiner Stelle gehaltert oder ist sonstwie innerhalb
des Schutzrohres festgelegt beziehungsweise gestützt.
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Derartige
Gasmessfühler
sind im Betrieb häufig
Vibrationen ausgesetzt, beispielsweise durch den Antriebsstrang
der Brennkraftmaschine. Da der messseitige Endabschnitt des Sensorelements
freisteht, kann er durch die Vibrationen des Antriebsstrangs zu Schwingungen
angeregt werden. Liegt die Frequenz der Vibrationen des Antriebsstrangs
im Bereich der Frequenz der Eigenschwingung des messseitigen Endabschnitts
des Sensorelements, so kann das Messergebnis beeinträchtigt werden.
Im Extremfall kann es zum Bruch des Sensorelements kommen.
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In
der
DE 34 10 122 A1 ist
ein Gasmessfühler
mit einem Gehäuse
beschrieben, in dem ein Sensorelement festgelegt ist. Das Sensorelement
ragt mit seinem messgasseitigen Endabschnitt in ein Schutzrohr,
das an dem Gehäuse
festgelegt ist. Der messgasseitige Endabschnitt ist durch Klammern und
einen in das Schutzrohr eingescherten Blechlappen im Schutzrohr
fixiert.
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Die
DE 195 00 147 zeigt eine
Fingersonde, die frei in das Schutzrohr hineinragt.
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Aus
der
DE 2 401 134 A ist
ein Festelektrolytkörper
bekannt, der eine Elektrode in Form eines Platingitters berührt. Das
Platingitter ist auf dem Boden des Schutzrohres angeordnet. Die
DE 28 37 680 A1 zeigt
ein zylindrisches Sensorelement, das in einem Gehäuse festgelegt
ist. In der
DE 36 21
652 C1 ist ein einseitig geschlossenes, rohrförmiges Sensorelement
beschrieben, das an seinem messgasseitigen Ende in einem Wärmeisolationskörper angeordnet
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den
kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil,
dass die Eigenfrequenz des Sensorelements wesentlich erhöht wird
und/oder Schwingungen gedämpft
oder eingeschränkt
werden. Damit wird die Belastung des Sensorelements durch die im
Betrieb durch den Antriebsstrang hervorgerufenen Schwingungen wesentlich
reduziert und ein Bruch des Sensorelements verhindert.
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Hierzu
ist ein Mittel vorgesehen, durch das der in das Schutzrohr ragende
messseitige Endabschnitt des Sensorelements im Schutzrohr gestützt wird.
Da das Sensorelement außerdem
innerhalb des Gehäuses
festgelegt ist, wird das Sensorelement in zwei Bereichen gestützt.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des in dem unabhängigen Anspruch
genannten Gasmessfühlers
möglich.
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Vorteilhaft
weist das Mittel, durch das der messseitige Endabschnitt des Sensorelements
im Schutzrohr gestützt
ist, eine gute Hitzebeständigkeit auf.
Geeignete Materialien sind beispielsweise hochtemperaturfeste Metalle
und Keramiken.
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Das
Mittel umfasst vorteilhaft ein elektrisch isolierendes Element,
durch das das Sensorelement und damit auf oder im Sensorelement
angeordnete elektrische Elemente elektrisch vom Schutzrohr isoliert
sind. Hierdurch wird eine Beeinträchtigung des Messsignals des
Sensorelements, beispielsweise durch vom Schutzrohr ausgehende Einkopplungen, vermieden.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird der messseitige Endabschnitt
des Sensorelements im Schutzrohr gestützt, indem das Mittel eine Kraft
auf das Sensorelement ausübt,
die parallel zur Längsachse
des Sensorelements in Richtung eines dem messseitigen Endabschnitt
abgewandten anschlussseitigen Endabschnitts des Sensorelement gerichtet
ist. Hierzu greift das Mittel an einer Stirnfläche des Sensorelements an seinem
messseitigen Endabschnitt an.
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In
einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird der messseitige Endabschnitt
des Sensorelements im Schutzrohr gestützt, indem das Mittel eine Kraft
auf das Sensorelement ausübt,
die senkrecht zur Längsachse
des Sensorelements gerichtet ist, oder indem eine Bewegung des Sensorelements senkrecht
zu seiner Längsachse
durch das Mittel verhindert, eingeschränkt oder gedämpft wird.
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Vorteilhaft
umfasst das Mittel mindestens ein elastisches Element, das beispielsweise
bei der beschriebenen ersten und zweiten Ausgestaltung der Erfindung
eine Kraft auf den messseitigen Endabschnitt des Sensorelements
ausübt.
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In
einer vorteilhaften und besonders kostengünstigen Ausgestaltung der Erfindung
ist das Mittel als Metallgewebe ausgeführt. Das Metallgewebe ist beispielsweise
durch Schweißen
oder Löten
mit dem Gehäuse
verbunden. Bei Sensorelementen, die empfindlich auf Einkopplungen
reagieren, ist das Metallgewebe beispielsweise durch eine Lage aus
keramischen Fasern vom Sensorelement elektrisch isoliert.
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Alternativ
ist das Mittel ein keramisches Fasermaterial, das an einem Endabschnitt
des Schutzrohres angeordnet ist, oder das Mittel ist ein keramisches
Granulat oder ein keramisches Pulver, dass beispielsweise durch
Verpressen zu einer Pulverpackung verdichtet wird und eine gewisse
Elastizität aufweist.
Zur Fixierung des keramischen Materials (Fasermaterial, Pulver oder
Granulat) ist zwischen dem keramischen Material und dem Sensorelement ein
Metallsieb vorgesehen. Alternativ ist am Schutzrohr eine Halterung
für das
keramische Material festgelegt, die eine Aussparung aufweist, in
der das Sensorelement angeordnet ist. Weist das Mittel ein gewickeltes
keramisches Fasermaterial auf, so ist die Elastizität des Mittels
verbessert.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
das Mittel ein keramisches Formteil und ein Federelement. Das keramische
Formteil ist zwischen dem messseitigen Endabschnitt des Sensorelements
und dem Federelement angeordnet. Das Federelement drückt das
keramische Formteil gegen die Stirnfläche des messseitigen Endabschnitts
des Sensorelement und stützt das
Sensorelement so innerhalb des Schutzrohres. Das keramische Formteil
weist an seiner dem Sensorelement zugewandten Seite eine Aussparung
auf, in der ein Teilabschnitt des messseitigen Endabschnitts des
Sensorelements angeordnet ist.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigt 1 als Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Teilabschnitt eines Gasmessfühlers in Schnittdarstellung und
die 2 bis 9 die Ausgestaltung von Schutzrohr und
messseitigem Endabschnitt des Sensorelements weiterer Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Schnittdarstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
als Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Gasmessfühler 10 mit
einem Gehäuse 22,
in dem ein längliches,
planar aufgebautes Sensorelement 21 mit einer Längsachse 24 angeordnet
ist. Das Sensorelement 21 weist einen messseitigen Endabschnitt 21a und
einen anschlussseitigen Endabschnitt 21c auf. Zwischen
dem messseitigen Endabschnitt 21a und dem anschlussseitigen
Endabschnitt 21c liegt ein mittiger Abschnitt 21b des Sensorelements 21.
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Der
mittige Abschnitt 21b des Sensorelements 21 ist
durch ein Dichtelement 28 innerhalb des Gehäuses gas-
und flüssigkeitsdicht
abgedichtet. Das Dichtelement 28 besteht aus einem unter
Ausübung
einer Presskraft verdichteten keramischen Pulver, beispielsweise
aus einer Steatit-Bornitrid-Steatit-Dichtpackung. Das Dichtelement
ist zwischen einem messseitigen und einem anschlussseitigen Keramikkörper 26, 27 angeordnet,
die ebenso wie das Dichtelement 28 eine Aussparung aufweisen,
durch die das Sensorelement 21 geführt ist. Der messseitige Keramikkörper 26 Liegt
auf einem Absatz des Gehäuses
auf. Der anschlussseitige Keramikkörper 27 übt mittels
einer am Gehäuse 22 angreifenden
Hülse 23 einen
Druck auf das Dichtelement 28 aus, so dass das Dichtelement 28 gegen
das Gehäuse 22 und
den mittigen Abschnitt 21b des Sensorelements 21 gepresst
wird und so dichtend wirkt.
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Am
anschlussseitigen Endabschnitt
21c des Sensorelements
21 sind
Kontaktflächen
(nicht dargestellt) vorgesehen, durch die das Sensorelement
21 mit
einer außerhalb
des Sensorelements
21 angeordneten Auswerteelektronik kontaktiert
wird. Die Kontaktierung des Sensorelements ist beispielsweise in
der
DE 101 51 291
A1 dargestellt und hier nicht im Detail erläutert.
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Der
aus dem Gehäuse 22 herausragende messseitige
Endabschnitt 21a des Sensorelements 21 ist von
einem Schutzrohr 31 umgeben, das am Gehäuse 22 festgelegt
ist. Das Schutzrohr 31 weist Öffnungen 32 auf, durch
die das Messgas zum messseitigen Endabschnitt 21a des Sensorelements 21 gelangen
kann.
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Der
messseitige Endabschnitt 21a des Sensorelements 21 ist
durch ein Mittel 41 im Schutzrohr 31 festgelegt.
Das Mittel 41 weist ein keramisches Formteil 142 sowie
ein Federelement 143 auf. Das Federelement 143 drückt das
Formteil 142 auf eine messseitige Stirnfläche 29 des
Sensorelements 21 an seinem messseitigen Endabschnitt 21a und
stützt so
den messseitigen Endabschnitt 21a des Sensorelements 21.
Das Formteil 142 weist eine Aussparung 144 auf,
in der ein Abschnitt des messseitigen Endabschnitts 21a des
Sensorelements 21 liegt, wodurch das Sensorelement 21 zusätzlich fixiert
wird. Das Federelement 143 ist als Tellerfeder ausgebildet.
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Bei
den 2 bis 9 wurden einander entsprechende
Elemente mit denselben Bezugszeichen wie bei 1 bezeichnet.
Die 2 bis 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die sich in der Ausgestaltung des Mittels 41 unterscheiden.
Die in den 2 bis 9 dargestellten Schutzrohre
weisen Öffnungen
(nicht dargestellt) auf, die den Zutritt des Messgases zum Sensorelement 21 erlauben.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 1, 3, 5, 7 und 9 übt das Mittel 41 auf
das Sensorelement 21 eine Kraft parallel zur Längsachse 24 des
Sensorelements 21 aus oder berührt das Sensorelement 21 zumindest
an seiner messseitigen Stirnfläche 29.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 2, 4, 6 und 8 wird
durch das Mittel 41 auf das Sensorelement 21 eine
Kraft senkrecht zur Längsachse 24 des
Sensorelements 21 ausübt, wodurch
ein Schwingen des Sensorelements 21 in eine Richtung senkrecht
zu seiner Längsachse 24 verhindert.
Das Mittel 41 kann das Sensorelement 21 auch derart
umfassen, dass ohne Krafteinwirkung ein Schwingen des Sensorelements 21 verhindert
oder gedämpft
oder die Schwingbewegung zumindest eingeschränkt wird.
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Selbstverständlich können diese
beiden Prinzipien zur Stützung
des messseitigen Endabschnitts 21a des Sensorelements 21 kombiniert werden.
So kann beispielsweise beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 die
Aussparung 144 so gestaltet sein, dass der messseitige
Endabschnitt 21a des Sensorelements 21 an seinen
Seitenflächen
formschlüssig
von dem keramischen Formteil 142 umgeben wird oder dass
zumindest der Abstand der Seitenflächen des messseitigen Endes
des Sensorelements 21 zu den Wänden der Aussparung 144 sehr gering
ist.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 2 und 3 ist
das Mittel 41 ein elastisches Metallgewebe 242, 342,
das mittels einer Schweißverbindung 243, 343 im
Schutzrohr 31 festgelegt ist. Das Metallgewebe 242, 342 weist
dünne Metalldrähte auf,
die geordnet oder ungeordnet ineinander verwoben sind (Metallwolle,
Metallgespinst). Zwischen dem Metallgewebe 242, 342 und
dem Sensorelement 21 ist zusätzlich eine isolierende Schicht
vorzusehen (nicht dargestellt), falls ansonsten das Messsignal des
Sensorelements 21 durch Einkopplungen beeinträchtigt werden
könnte.
Im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 wird
der messseitige Endabschnitt 21a des Sensorelements 21 in
einer Aussparung in dem Metallgewebe 242 eingeklemmt. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 3 drückt das
Metallgewebe 342 gegen die messseitige Stirnfläche 29 des
Sensorelements 21.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 4 und 5 ist
das Mittel 41 eine sogenannte Steatitpackung 442, 542,
die durch Verpressen aus Steatit oder Steatitpulver hergestellt
wird. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 4 wird
die Steatitpackung 442 durch ein Halteelement 443 im
Endabschnitt des Schutzrohres 31 festgelegt. Das Halteelement 443 ist am
Schutzrohr 31 angeschweißt 444. Die Steatitpackung 442 weist
eine Aussparung zur Aufnahme des messseitigen Endabschnitts 21a des
Sensorelements 21 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist
die Steatitpackung 542 zylinderförmig und durch ein Metallsieb 543 von
der Stirnfläche 29 des Sensorelements 21 getrennt.
Die Steatitpackung 542 drückt gegen die Stirnfläche 29 des
Sensorelements 21 und fixiert so den messseitigen Endabschnitt 21a des
Sensorelements 21. Das Metallsieb 543 erstreckt
sich bis zum Schutzrohr 31 und kann dort festgelegt sein.
Alternativ kann das Metallsieb 543 auch beabstandet vom
Schutzrohr 31 angeordnet sein, so dass kein elektrischer
Kontakt zwischen Schutzrohr 31 und Metallsieb 543 besteht.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 6 und 7 ist
das Mittel 41 ein keramisches Fasermaterial 642, 742 wie
beispielsweise ein Keramikpapier der Firma Kager oder ein ungewebtes
Gewebe der Firma Goodfellow. Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 entspricht
ansonsten dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4.
Das keramische Fasermaterial 642 ist ähnlich wie bei 4 durch
ein an das Schutzrohr 31 geschweißtes 644 Halteelement 643 im
Endabschnitt des Schutzrohres 31 festgelegt und weist eine
Aussparung zur Aufnahme des Sensorelements 21 auf. Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist
das zylindrisch geformte keramische Fasermaterial 742 in
den Endabschnitt des Schutzrohres 31 eingelegt und übt aufgrund
seiner Elastizität
auf die messseitige Stirnfläche 29 des Sensorelements 21 eine
Kraft in Längsrichtung
des Sensorelements 21 aus.
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Bei
den Ausführungsbeispielen
gemäß 8 und 9 wird
das Mittel 41 durch gewickeltes keramisches Fasermaterial 842, 942 gebildet.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 8 ist
der messseitige Endabschnitt 21a des Sensorelements 21 zwischen
zwei Rollen des gewickelten keramischen Fasermaterials 842 eingespannt.
Die beiden Rollen sind durch ein an das Schutzrohr 31 angeschweißtes 844 Halteelement 843 im
Endabschnitt des Schutzrohres 31 fixiert. Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 9 weist
das Schutzrohr 31 eine Ausstülpung 943 auf, in
der eine Rolle des gewickelten keramischen Fasermaterials 942 angeordnet
ist. Das keramische Fasermaterial 942 übt aufgrund seiner Elastizität auf die
Stirnfläche 29 des
Sensorelements 21 eine Kraft in Längsrichtung des Sensorelements 21 aus.
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Die
Erfindung lässt
sich ohne weiteres auf andere Schutzrohrgeometrien übertragen.
In den Ausführungsbeispielen
ist eine einwandige Schutzrohrgeometrie in den
2 bis
8 und
eine doppelwandige Schutzrohrgeometrie in
1 dargestellt.
Die Erfindung lässt
sich beispielsweise ebenso auf ein Schutzrohr übertragen, wie es in der
DE 101 51 291 A1 beschrieben
ist.