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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Messen eines brennbaren Gases oder von Dampf in
Luft.
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Herkömmliche katalytische Oxidationsvorrichtungen
zum Messen brennbarer Gase oder Dämpfe enthalten eine elektrisch
beheizte Platinwendel, die in einer Detektorperle eingebettet ist.
Bei geeigneter Temperatur wird das Gas oder der Dampf, das bzw.
der gemessen werden soll, katalytisch an der Detektorperle oxidiert.
Bei diesem Prozeß wird Wärme entwickelt,
so daß die
Temperatur und dementsprechend der elektrische Widerstand der Platinwendel
in der Perle ansteigt. Diese Widerstandsänderung ist ein Maß für die Menge
des brennbaren Gases oder des Dampfes, das bzw. der in der untersuchten
Atmosphäre
enthalten ist. In einer vollständigen
Vorrichtung ist eine zweite, als Kompensator wirkende Perle zum
Ausgleichen von Änderungen
der Umgebungsbedingungen, z. B. der Temperatur, die Meßfehler
ergeben würden,
vorgesehen. Die Detektions- und Kompensationsperle sind aufeinander
abgestimmt und üblicherweise
in einer Wheatstone-Brückenmeßschaltung
angeordnet, die ein Signal erzeugt, das der Konzentration des brennbaren
Gases oder des Dampfes in der untersuchten Atmosphäre proportional
ist.
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Damit diese Anordnung zufriedenstellend
als Gassensor funktioniert, müssen
offensichtlich bestimmte Kriterien erfüllt sein. Da die jeweils als
Detektor und Kompensator wirkenden beiden Perlen bei Temperaturen
von etwa 500°C
betrieben werden, ist es wichtig, daß sie so abgestützt werden,
daß ein
unzulässig
hoher Wärmeverlust
der Perle verhindert wird. Bei herkömmlichen Vorrichtungen wird
dies normalerweise dadurch erreicht, daß die Perlen auf elektrisch
leitenden Armen abgestützt
werden, die sich vertikal über
einer Basis erstrecken, wobei die anderen Enden der Arme sich durch
die Basis hindurch erstrecken, um elektrische Leitungen zum Anschließen an die
Meßschaltung
zu bilden. Auf diese Weise werden die Perlen in einer Lage gehalten,
in der die Wärmeverluste
der Perlen minimiert werden, die jedoch weiterhin eine elektrische
Erwärmung
und den Zugang des Prüfgases
zu den Perlen zuläßt.
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Beispiele dieser bekannten Anordnung
sind in der DE-A-3046560 und der EP-A-0032844 offenbart.
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Diese herkömmliche Anordnung hat Nachteile,
von denen der größte darin
besteht, daß die
Vorrichtung eine minimale Länge
von etwa 8 mm hat, die sich dadurch ergibt, daß die Perlen in einem angemessenen
Abstand über
der Basis abgestützt
werden müssen.
Wenn die Vorrichtungen zum Anschluß auf gedruckten Schaltungsplatten
ausgebildet werden, wird darüber
hinaus die Höhe
infolge der Plattendicke vergrößert. Schließlich wird
die Gesamthöhe
des vollständigen
Gassensors noch durch regulatorische Anforderungen erhöht, die
so ausgelegt sind, daß ein
sicherer Betrieb des Sensors in potentiell explosiven Atmosphären sichergestellt
ist. Diese umfassen eine minimale Tiefe der Vergußkompoundmasse,
der zur Verhinderung einer Flammenausbreitung erforder lichen Sinterdicke
und Mittel zum Schützen
des Sinters vor Stößen.
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Eine andere Art von Gassensor ist
in der DE-A-4218883 offenbart, die einen Halbleiter-Gassensor offenbart,
bei dem der Halbleiter auf einer Tragplatte angeordnet und vom Sensor
wegführende Verbindungsdrähte jeweils
mit Kontakten auf der Tragplatte verbunden sind. Diese Kontakte
sind dann durch weitere dünne
Drähte
mit Lötpunkten
auf einer gedruckten Schaltungsplatte verbunden, wobei der Sensor
und die Tragplatte an dünnen
Drähten
in einer durch die gedruckte Schaltungsplatte begrenzten Öffnung aufgehängt sind.
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Die Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum
Messen von Gas mit einem Leiterbahnen aufweisenden Substrat, das
wenigstens eine Öffnung begrenzt,
und wenigstens einem gasempfindlichen Element, das mit elektrischen
Leitern verbunden ist, die mit Leiterbahnen des die Leiterbahnen
aufweisenden Substrats verbunden sind, wobei das gasempfindliche
Element in oder neben der Öffnung
angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gasempfindliche Element
ein katalytisches Perlenelement ist, daß die Leiter auf der Oberfläche der
Leiterbahnen angebracht sind und daß neben dem katalytischen Perlenelement
auf der einen Seite des Substrats und in der Öffnung eine Schicht aus inertem, wärmeisolierendem
Material angeordnet ist, wobei das wärmeisolierende Material die
Stoßfestigkeit
der Vorrichtung verbessert.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die
Herstellung einer Vorrichtung, bei der wenigstens ein gasempfindliches
Element so angebracht ist, daß die
Gesamthöhe
der Vorrichtung erheblich niedriger als die einer herkömmlichen
Vorrichtung ist. Trotz dieser Verringe rung der Höhe hat sich gezeigt, daß eine Zunahme
der Wärmeverluste durch
eine relativ geringe Erhöhung
(z. B. um 10%) der der Vorrichtung zugeführten Leistung ausgeglichen
werden kann.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung
eine Sinterschicht, die auf der dem wärmeisolierenden Material abgekehrten
Seite des Substrats aufgebracht ist; eine Schicht aus Vergußkompoundmasse
auf der gleichen Seite des Substrats wie das wärmeisolierende Material, von
dem sie durch ein Trennglied isoliert ist, und ein Mittel zum Schützen der
Sinterschicht auf.
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Die Dicke der Sinterschicht, des
Sinterschutzes und der Schicht aus Vergußkompoundmasse hängt von
den national geregelten Vorschriften ab. Im Vereinigten Königreich
von Großbritannien
und Nordirland ist die Sinterschicht typischerweise 3 mm dick, mit
einem Schutzrand von etwa 2 mm, während die Vergußkompoundmasse
typischerweise eine Mindestdicke von 3 mm hat.
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Vorzugsweise ist das Trennglied aus
Keramik oder thermoplastischem Kunststoff hergestellt oder als gedruckte
Schaltungsplatte ausgebildet, obwohl auch andere Materialien verwendet
werden könnten.
Zusätzlich
kann eine Schicht aus Glas oder Keramikwolle zum Schutz der Bauelemente
vorgesehen sein.
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Vorzugsweise hat die Vorrichtung
ein Gehäuse,
in dem das die Leiterbahnen tragende Substrat angebracht ist. Typischerweise
ist das Gehäuse aus
Metall hergestellt, z. B. aus rostfreiem Stahl, Bronze, Aluminium
usw., obwohl die Sinterschicht, wenn sie vorgesehen ist, verlängert werden
könnte, um
das Gehäuse
zu bilden.
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Vorzugsweise weist das Substrat einer
gedruckte Schaltungsplatte, Glas oder Keramik auf.
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Wenn das wenigstens eine gasempfindliche Element
unmittelbar auf der Oberfläche
des Substrats angebracht ist, kann ein Gassensor hergestellt werden,
der verschiedene Möglichkeiten
bietet, z. B. eine Signalverarbeitung ohne eine separate, zusätzliche
Elektronik. Beispielsweise könnte
eine elektronische Schaltung im Siebdruckverfahren auf dem Substrat
aufgebracht werden, das das oder die gasempfindliche(n) (Pellistor-)Element
(e) trägt,
die beispielsweise die Grundschaltung einer Wheatstone-Brücke, in
der die Elemente angeschlossen sind, einen verstärkten mA- oder mV-Signalausgang,
einen Temperaturfühler,
Datensammlungs- und Verarbeitungsfunktionen, die in einem Speicher
und/oder Mikroprozessor enthalten sind, usw. aufweisen könnte.
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Vorzugsweise ist das wenigstens eine
gasempfindliche Element als Ganzes in der jeweiligen Öffnung in
dem Substrat angeordnet. Dies verbessert den physischen Schutz des
Elements und minimiert die Gefahr eines Kontakts zwischen dem Element und
anderen Teilen der Vorrichtung, z. B. schützende Glaswolle.
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Vorzugsweise enthält die Vorrichtung ein zweites
katalytisches gasempfindliches Perlenelement, wobei das zweite Element
ein Kompensationselement und das erste ein Detektionselement ist.
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Das wenigstens eine gasempfindliche
Element kann in situ hergestellt werden, doch wird das oder jedes
Element vor der Anbringung auf dem die Leiterbahnen aufweisenden
Substrat vorgeformt.
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Nachstehend wird ein erfindungsgemäßer Gassensor
anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben und mit einem herkömmlichen
Sensor verglichen. In den Zeichnungen stellen dar:
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1 einen
herkömmlichen
Gassensor,
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2 die
Gasmeßvorrichtung
nach 1 ausführlicher,
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3 eine
katalytische Perle im einzelnen,
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4 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Gassensor,
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5 eine
Draufsicht auf das Substrat der in 4 dargestellten
Vorrichtung,
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6 einen
erfindungsgemäßen Gassensor mit
einer alternativen Gehäuseanordnung,
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7 ein
Schaltbild der an der Vorrichtung angebrachten Schaltungsanordnung,
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8 einen
Querschnitt durch das in 4 dargestellte
Substrat, wobei die Verbinder weggelassen sind, und
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9 eine
Unteransicht der rückseitigen Verschlußplatte,
die in 4 dargestellt
ist.
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Der in 1 dargestellte
Gassensor weist eine gedruckte Schaltungsplatte 1 auf,
auf der eine herkömmliche
Gasmeßvorrichtung 2 und
eine herkömmliche
Ausgleichsvorrichtung 3 angebracht sind. Der Aufbau der Vorrichtungen 2, 3 ist
in 2 ausführlicher
dargestellt. Nach 2 enthält jede
Vorrichtung ein gasempfindliches Element 4, das zwischen
zwei elektrisch leitenden Armen 5 aufgehängt ist,
die sich durch eine Bodenplatte 6 hindurch erstrecken,
so daß sie
Verlängerungen 7 bilden,
die elektrische Leitungen zum Anschließen an die gedruckte Schaltungsplatte
bilden. Über
dem Gasmeßelement 4 ist
ein Gehäuse 8 aus
beispielsweise rostfreiem Stahl durch Punktschweißung mit
der Bodenplatte 6 verbunden. Das nachzuweisende oder zu
messende Gas kann über
eine Öffnung 10 in
das Gehäuse 8 eindringen.
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Beide Vorrichtungen 2, 3 sind
so ausgebildet, wie es in 3 dargestellt
ist, wobei der einzige Unterschied in der Form des Gasmeßelements 4 besteht.
Nach 3 weist das einen
Teil der Vorrichtung 2 bildende Gasmeßelement 4 eine Wendel 11 aus
Platin auf (obwohl auch ein anderes ähnliches nicht reaktives Metall
verwendet werden könnte),
die in zwei Leitungen 12 endet, die jeweils mit einem der beiden
Arme 5 verbunden sind. Die Wendel 11 ist beispielsweise
mit keramischem Material 9 beschichtet, das eine Perle
bildet. Im Fall der Vorrichtung 2 ist das keramische Material
zusätzlich
mit einer Schicht 13 aus einem katalytischen Material überzogen,
das entsprechend dem Gas gewählt
werden kann, das detektiert werden soll. Bei einer (nicht dargestellten) alternativen
Anordnung kann das keramische Material mit dem katalytischen Material
imprägniert
sein.
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Die keramische Perle 9 des
gasempfindlichen Elements 4 der Vorrichtung 3 ist
nicht mit dem katalytischen Material versehen, so daß es als
Kompensator wirken kann.
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Jede Perle ist typischerweise kugelförmig mit einem
Durchmesser von etwa 0,25 bis 1,00 mm.
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Die Vorrichtungen 2, 3 sind
jeweils in einer Öffnung 14, 15 eines
Blocks 16 aus PTFE angeordnet. Der Block 16 liegt
an der gedruckten Schaltungsplatte 1 an und ist in einem
Gehäuse 17 angebracht, das
an dem einen Ende durch eine Schicht aus Vergußkompoundmasse 18 verschlossen
ist, die die Ausbreitung einer Flamme in dieser Richtung verhindert.
An den Verlängerungen 7 (die
auf die gewünschte
Größe zugeschnitten
sind) sind elektrische Leitungen 16 über die gedruckte Schaltungsplatte 1 angeschlossen
und mit einer Überwachungsschaltung
der in 7 dargestellten
Art verbunden.
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Das Gehäuse 17 hat einen nach
innen gekehrten Flansch 19, der eine Öffnung 20 begrenzt und
hinter dem eine Schicht 21 aus porösem Sintermaterial befestigt
ist, die als Flammenfalle für
die Vorrichtung wirkt und typischerweise bei einer Temperatur von
500°C arbeitet
und das überwachte
Gas entzünden
könnte.
Die Vergußkompoundmasse 18 ist
in dem Gehäuse 17 so
befestigt, daß die
gedruckte Schaltungsplatte 1, der PTFE-Einsatz 16 und
die poröse
Schicht 21 zusammengedrückt
werden.
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Bei der Benutzung dringt in den Sensor durch
die Öffnung 20 und
die Sinterschicht 21 und dann durch die jeweiligen Öffnungen 10 in
das Gehäuse 8 der
beiden Vorrichtungen 2, 3 Gas ein.
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Zwischen der Sinterschicht 21 und
dem größten Teil
des Einsatzes 16 ist ein kleiner Spalt 22 ausgebildet,
um eine gute Verteilung des in den Sensor eingedrungenen Gases zu
ermöglichen.
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Der Sensor arbeitet in herkömmlicher
Weise, z. B. so, wie es in "Solid
State Sensors",
herausgegeben von P. T. Moseley und B. C. Tofield, veröffentlicht von
Adam Hilger 1987, beschrieben ist.
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Das Hauptproblem bei diesem herkömmlichen
Sensor besteht darin, daß er
ein verhältnismäßig großes Volumen
beansprucht, das hauptsächlich durch
die Höhe
der Elemente 4 über
der Bodenplatte 6, die die Wärmeverluste durch Konvektion
verringert, und die Dicke der Bodenplatte 6 und der gedruckten
Schaltungsplatte 1 bestimmt ist.
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Ein Beispiel eines Gassensors, der
erfindungsgemäße Vorrichtungen
aufweist, ist in den 4 und 5 dargestellt. In einem Gehäuse 24,
das typischerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, ist ein
keramisches Substrat 23 oder ein anderes Substrat, z.B.
eine gedruckte Schaltungsplatte, angebracht. Das keramische Substrat 23 trägt zwei
gasempfindliche Elemente, ein Kompensationselement 25 und
ein Detektorelement 26. Die gasempfindlichen Elemente haben
einen ähnlichen
Aufbau wie die oben beschriebenen. Die Elemente sind in Öffnungen 27 des
Substrats 23 angebracht. Die Elemente 25, 26 sind
durch elektrische Leitungen 12 (die an der Oberfläche angebracht
sind) mit Leiterbahnen 28 auf einer Oberfläche des
Substrats 23 verbunden, wie es in 5 dargestellt ist, und zwar unter Verwendung
von leitendem Klebstoff oder durch Schweißen etc.
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Die Anordnung der Elemente 25, 26 ist
am deutlichsten in 8 zu
erkennen. Das Element 25 ist in der Öffnung 27 mittels
seiner Anschlußleitungen 12 aufgehängt, die
mittels Silberpaste 61 elektrisch mit den jeweiligen Leiterbahnen 28 verbunden
sind. In ähnlicher
Weise ist das Element 26 in seiner Öffnung 27 durch Anschlußleitungen 12 aufgehängt, die durch
die Silberpaste 61 mit den Leiterbahnen 28 elektrisch
verbunden sind. Bei einer typischen Ausbildung beträgt die Tiefe
jeder Öffnung 27 etwa
1,27 mm und ihr Durchmesser 2 mm. Wie aus 8 ersichtlich ist, liegen die Elemente 25, 26 vollständig innerhalb
der Öffnungen 27,
obwohl sie in einigen Fällen
teilweise oben aus den Öffnungen
herausragen oder sogar vollständig
oberhalb der Öffnungen
angeordnet sein können.
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Das Substrat 23 wird mittels
eines Kompressionsrings 50 gegen eine Sinterschicht 31
im Gehäuse 24 gedrückt. Der
Kompressionsring 50 dient auch zum Festhalten einer Schicht 51 aus
inertem, isolierendem Material, wie Glas- oder Keramikwolle, in
einer Lage oberhalb der Perlen 25, 26. Die Schicht 51 beseitigt
weitgehend den Einfluß von Änderungen der
Ausrichtung des Sensors durch weitgehende Verhinderung von Konvektionsströmen und
verbessert die Stoßfestigkeit
der Vorrichtung. Ein ähnliches Material
könnte
auch in den Öffnungen 27 auf
Seiten der Sinterschicht vorgesehen sein. Über den Elementen 25, 26 und
der Schicht 51 ist ein Trennelement 29 vorgesehen,
um sie von einer Schicht aus Vergußkompoundmasse 30 zu
trennen und gegenüber
dieser zu schützen.
Das Trennelement 29 kann eine gedruckte Schaltungsplatte
oder ein Keramik- oder Kunststoffdeckel sein. An der Innenseite
des Gehäuses 24 ist
eine umlaufende Nut 62 ausgebildet, so daß die Vergußkompoundmasse
mit einem Keil versehen werden kann.
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Drei Steckverbinder, von denen zwei
Verbinder 38, 39 in 4 sichtbar
sind, erstrecken sich von den Leiterbahnen 28 bei 35 bis
37 nach oben. Diese Verbinder stellen elektrische Verbindungen zu
der Meß-
oder Über wachungsschaltung
her, die nachstehend beschrieben wird.
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Die hintere Verschlußplatte 63 ist
am Gehäuse 24 auf
der anderen Seite der Vergußkompoundmasse 30 angebracht.
Die Unterseite der hinteren Verschlußplatte 63 ist ausführlicher
in 9 dargestellt. Die
Verschlußplatte 63 ist
eine gedruckte Schaltungsplatte mit drei Öffnungen 64–66,
durch die sich die Verbinder 38– 40 jeweils hindurch
erstrecken. Die Öffnungen 64–66 sind
jeweils von einem metallischen, leitenden Bereich 67, 68 und 69 umgeben,
an denen jeweils einer der Verbinder 38–40 angelötet ist.
Außerdem
sind die leitenden Bereiche 67 und 69 über Leiterbahnen 70 mit
einem ohmschen Abgleichwiderstand 71 verbunden. Ferner
ist die Verschlußplatte 63 mit
zwei Öffnungen 72 versehen, über die
Vergußkompoundmasse
zugeführt
werden kann.
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Durch eine Öffnung 32, die durch
einen Flansch 33 des Gehäuses 24 begrenzt ist,
kann das zu überwachende
Gas in die Vorrichtung gelangen. Dennoch ist die Sinterschicht 31 hinreichend
geschützt.
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Die Elemente 25, 26 können auf
herkömmliche
Weise hergestellt werden, so daß Konstruktionsprobleme
hinsichtlich der Freihaltung des Substrats von Keramik und katalytischem
Material nicht berücksichtigt
zu werden brauchen. Die Elemente werden dann auf der Oberfläche des
Substrats 23 mit angemessenem Spiel um die Perle herum
angebracht, wie es vorstehend beschrieben wurde.
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Alternativ können die Öffnungen 27 im Substrat 23 so
ausgebildet sein, daß hinreichend
Freiraum verbleibt, um die Perlen in situ über jeweils einer Wendel auszubilden.
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Eine alternative Anordnung ist in 6 dargestellt. Das Substrat 23 ist
in einem Gehäuse 34 angebracht,
so daß das
Trennelement 29 und die Glaswolleschicht 51 über den
Elementen 25, 26 liegen, um sie von der Vergußkompoundmasse 30 zu
trennen, die von einer hinteren Verschlußplatte 63 abgedeckt
ist. Hierbei ist jedoch keine separate Sinterschicht vorgesehen.
Statt dessen ist das Gehäuse 34 vollständig aus
Sintermaterial hergestellt. Dies ermöglicht eine weitere Verringerung
der Gesamtdicke.
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Das in 7 dargestellte
Schaltbild veranschaulicht die Verbindung der in den 4 bis 6 dargestellten Vorrichtungen mit einer
Wheatstone-Brücke.
Wie aus 7 ersichtlich
ist, erstrecken sich die Verbinder 38–40 von den Leiterbahnen
bei 35 bis 37 aus dem Gehäuse 24 nach
außen.
Der Verbinder 40 bildet direkt einen Ausgangspunkt 41,
während
die Verbinder 39, 38 bei 42 bzw. 43 jeweils
mit einem ohmschen Widerstand R1 und R2 verbunden sind. Die ohmschen Widerstände R1, R2 sind bei 44 zur
Einstellung des Nullpunkts mit einem veränderbaren ohmschen Widerstand 45 verbunden,
der zwischen 0 und 1 kΩ eingestellt
werden kann. Der Verbindungspunkt 44 bildet den anderen
Ausgangsanschluß.
Der Abgleichwiderstand 71 ist zwischen den Verbindern 38, 40 angeschlossen
und dient zum Ausgleichen von Unterschieden im Verhalten der Elemente 25, 26 bei
sich ändernder
Temperatur. Den Punkten 42, 43 wird aus einer
Quelle 46 eine Betriebsgleichspannung zugeführt. Die
Widerstände
R1, R2 haben üblicherweise
einen festen Widerstandswert von 27 Ω, doch kann der Widerstandswert
in einigen Fällen auch
anders bemessen sein. Die Wirkungsweise der Schaltung ist die gleiche
wie bei einer herkömmlichen Vorrichtung.
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Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
hängen
von nationalen Vorschriften ab. Aus kommerziellen Gründen ist
es erwünscht,
daß die
Gesamthöhe
der Vorrichtung 16 mm nicht überschreitet.
Dies läßt sich
bei einem herkömmlichen Gassensor
nicht ohne weiteres erreichen. Die europäischen Vorschriften verlangen
eine wenigstens 3 mm dicke Vergußkompoundmasse, eine wenigstens 2
mm und vorzugsweise 3 mm dicke Sinterschicht und Mittel zum Schutz
der Sinterschicht vor Stößen. Diesen
Stoßschutz
bietet generell der Flansch 33 des Gehäuses 24 mit einer
Dicke von etwa 2 mm über
der Sinterschicht 31. Die Dicke des erfindungsgemäßen Trennelements 29 liegt
typischerweise in der Größenordnung
von 1 mm. Die wirksame Dicke des Keramik-Substrats 23 liegt
im allgemeinen in der Größenordnung
von 1,5 mm, während
die hintere Verschlußplatte 63 mit
dem ohmschen Widerstand 71 eine Dicke von etwa 1,5 mm aufweist,
was eine Gesamtdicke von etwa 12 mm ergibt. Dies kann in einem Gehäuse 24 mit
einer Höhe
von 16 mm untergebracht werden. Im Vergleich dazu hat ein herkömmlicher
Gassensor mit der Vorrichtung nach 1 eine Höhe von etwa
20 mm, da es unwahrscheinlich ist, daß die gedruckte Schaltungsplatte,
auf der die Vorrichtung angebracht ist, selbst weniger als 11 mm hoch
ist. Das Trennelement ist bei dem herkömmlichen Gassensor nicht erforderlich.