DE8202767U1 - Sauerstoffsensor, insbesondere fuer autoabgase - Google Patents

Description

Sauerstoffsensor,insbesondere für Autoabgase

Die Erfindung betrifft einen zellenartigen Sauerstoffsensor für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen,sobald sich das chemische Gleichgewicht im Abgas eingestellt hat.

Ein bekannter Sauerstoffsensor für Abgase weist ein Rohr auf,welches aus einem festen Elektrolyt besteht, an einem Ende durch einen Boden abgeschlossen ist; die Innenfläche des Rohres ist mit einem Überzug versehen, der als Innenelektrode wirkt, während sich an der Außenfläche des Rohres ein als Außenelektrode wirkender Überzug befindet. Die Innenelektroue steht mit Luft als Bezugsgas und die Außenelektrode mit dem Abgas in Verbindung. Das Elektrolyt-Rohr befindet sich in einem metallischen Gehäuse, welches den Zutritt von Abgas an den Boden des Elektrolytrohres gestattet, und eine Schutzkappe vorgesehen ist, deren koaxiales Rohr sich von einem Ende des Gehäuses um den Boden des Elektrolytrohres erstreckt. Ein Gasdurchgang in dem Schutzrohr

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verhindert ein direktes Auftreffen des Abgases auf die Außenfläche des Elektrolytrohres. Die Schutzkappe verhindert ein Auftreffen des heißen Abgasstromes und darin enthaltener Schwebstoffe mit der als poröse Membran ausgebildete Elektrode an der Außenfläche des Elektrodenrohres, wodurch eine vergleichsweise schnelle Zerstörung der Elektrode vermieden wird.

Eine Ausführungsform üblicher Schutzkappen stellt ein Paar von Metallrohren unterschiedlichen Durchmessers dar, wobei diese Metallrohre eine Vielzahl von öffnungen in den Seitenwänden aufweisen und koaxial zueinander angeordnet sind, so daß die Öffnungen in den beiden Rohren versetzt zueinander stehen (US-PS 40 65 372).

Ein derartiges Doppelrohr hat den Nachteil, daß es durch seine beträchtliche Masse eine vergleichsweise große thermische Trägheit besitzt, trotzdem eine große thermische Masse für geringe Aktivierungtemperatur für den Abgas-Sensor gefordert wird, d.h. eine geringe Starttemperatur. Darüber hinaus ist ein solches Schutzaggregat relativ aufwendig. Eine andere übliche Schutzvorrichtung besteht aus einem Metallrohr, dessen Wand entlang einer Längsrichtung in Axialrichtung getrennt ist und eine Vielzahl von langen jedoch schmalen Öffnungen in Abständen um den Umfang des Rohres gebildet werden, indem die Wand entlang einer Seite jeder dieser Längslinien nach innen gebogen wird, so daß im v/esentlichen in Diagonalrichtungen vorliegende Öffnungen gebildet werden. Dieses Ein-Rohr-Schutzaggregat hat den Nachteil, daß die sehr eng stehenden Öffnungen der Strömung einen zunehmend größeren Widerstand entgegensetzen, trotz der vergleichsweise großen Länge, was zu einer schlechten Wirksamkeit hinsichtlich des Gasaustausches führt , abgesehen von den Schwierigkeiten, diese schmalen Öffnungen breiter zu machen, da - wenn man versucht, die Seitenwar.de

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weiter nach innen zu biegen, um die öffnungen zu verbreitern - die achsial langen Seitenwandteile zwischen den benachbarten öffnungen sich verformen können, wodurch das Biegen weiter erschwert wird. 5

Aufgabe der Erfindung ist nun eine Vorrichtung, die die Nachteile der bekannten Sensoren vermeidet. Bei dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor für Abgase ist ein Schutzrohr so ausgestaltet, daß es die Einleitung des Abgases und die Ablenkung der Abgasströme in Umfangsrichtung ermöglicht, so daß es einen geringen Widerstand der ankommenden und austretenden Abgasströmung entgegensetzt und eine geringe Masse aufweist und dadurch die Aktivierungstemperatur des Sauerstoffsensors für Abgase

1,5 nieder liegt. Das Schutzrohr läßt sich leicht herstellen mit hoher Genauigkeit unter Beibehaltung einer hoher Festigkeit.

Der erfindungsgmäße Sauerstoffsensor für Abgase von Verbrennungskraftmaschinen weist ein Rohr aus festem Elektrolyt mit einem unteren Boden, einer inneren Elektrode an der Innenfläche des Elektrolytrohres mit Zugang zu Frischluft als Bezugsgas und einer Außenelektrode an der Außenfläche des Elektrolytrohres mit Zugang für das Abgas und ein metallisches Gehäuse, in dem sich das Elektrolytrohr befindet und, welches den Zugang von Abgas zu der Außenfläche des Bodens des Elektrolytrohres gestattet, aufi Schließlich ist ein metallisches Schutzrohr koaxial erstreckend von einem Ende des Metallgehäuses vorgesehen, welches die Außenfläche des Bodens des Elektrolytrohres umgibt und eine Vielzahl von öffnungen in seiner Seitenwand aufweist, die hergestellt worden sind durch Einschneiden spezieller Teile der Seitenwand und Einwärtsbiegen von Wandbereichen anliegend an den Schnitten,

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so daß sich ein Durchgang mit Umlenkung für den Abgasstrom ergibt, wobei diese öffnungen in zwei Mustern angeordnet sind. Jedes der beiden Muster besitzt zumindest zwei Reihen von öffnungen mit Abständen zwischen den Reihen in Längsrichtung des Schutzrohres und zumindest vier Kolonnen von Öffnungen mit Abständen zwischen den Reihen in Umfangsrichtung des Schutzrohres. Die Öffnungen des einen der beiden Muster sind zwischen den öffnungen des anderen der beiden Muster angeordnet, während sie in Längsrichtung und in Umfangsrichtung versetzt sind. Jede dieser öffnungen weist einen die Abgasströmung ablenkenden Ansatz auf, der sich von der Wand des Schutzrohres nach innen erstreckt und damit einen Rand im unteren Bereich des Ansatzes bildet. Jede öffnung bsitzt eine dem Rand zugekehrte gekrümmte Kante. Die gekrümmten Kanten aller Öffnungen erstrecken sich in einer gemeinsamen Umfangsrichtung von den entsprechenden Rändern. Die gekrümmte Kante jeder Öffnung in der Seitenwand des Schutzrohres kann im wesentlichen halbrund oder halbeil.·*"ptisch sein.

Bei einer bevorzugte* Ausführungsform cb*rErfindung sind die Öffnungen eines der beiden Muster von den Öffnungen des anderen der beiden Muster in Längsrichtung des Elektrolytrohres um die Hälfte des Reihen-Abstandes jedes Musters in Länglrichtung und um die Hälfte des Kolonnen-Abstandes jedes Musters in Umfangsrichtung versetzt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Sensors, Fig. 2A eine vergrößerte Seitenansicht des wesentlichen

Teiles des Schutzrohres aus dem Sensor der Fig. 1,

Fig. 2B einen schematischen Querschnitt entlang B-B von Fig. 2A.

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Fig. 3 ist die schematische Darstellung des Verfahrens zur Herstelltang des Schutzrohres für den erfindungsgemäßen Sensor.

Das Rohri aus dem festen Elektrolyten (Fig. 1) weist einen Flangeteil 1a, einen Boden 1b, eine Bezugs-Innenelektrode 1c, eine äußere Abgas-Elektrode 1d, eine Schutzschicht 1e für die Elektrode, ein Metallrohr 2 mit Oberteil 2a und Gewindeteil 2b. ein Abgasrohr 3, eine obere Kappe 4 mit einem Abblasloch 4a, ein . metallisches Schutzrohr 5, mit Bodenteil 5a, Flangeteil 5b, Wandteil 5c, eine · Öffnung 6, welche halbrund 6a ist und einen Ansatz 6b aufweist (Fig. 2) sowie schließlich eine Form 10 mit Nut 10a und Dorn 11 auf (Fig. 3).

Das Elektrolytrohr 1 mit Flangeteil 1a und Bodenteil 1b besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyt, insbesondere einem Sinterkörper aus sogenannten teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid mit einem stabilisierenden Oxid wie Yttriumoxid. Die am Elektrolyt rohr innen anliegende Bezugselektrode 1c ist bei dieser Ausführungsform eine poröse Platinschicht, während die am Elektrolytrohr außen angebrachte Abgaselektrode 1d eine poröse Platinschicht ist, die sich vom Flangeteil 1a bis zum Bodenteil 1b erstreckt. Bevorzugt ist die Abgaselektrode 1d hergestellt worden durch chemisches Piatieren und anschließendem elektrischen Piatieren von Platin, worauf.eine große Anzahl von ziemlich großen Löchern durch Wärme erzeugt worden ist. Auf diese Weise erhält man eine feste Haftung der Elektrode auf der Außenfläche des Elektrolyxrohres 1. Zweckmäßigerweise werden an der Außenfläche des Elektrolytrohres in dem Bereich, wo die Abgaselektrode 1d aufgebracht werden soll, krä^ -'ge Riefen gebildet. Die Schutzschicht 1e wird beispielsweise durch Heiß- oder Flammspritzen eines Keramik-

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ptilvers wie eines Spinellpulvers auf die Außenfläche der Abgaselektrode 1d oder dergleichen erzeugt, so daß man eine feste Abscheidung einer porösen keramischen Schicht auf der äußeren Fläche des Elektrolytrohres 1 erreicht.

Das Metallgehäuse 2 ist im allgemeinen rohrförmig und besitzt einen ringförmigen Oberteil 2a, der sich von der Innenfläche gegen die Mittelachse erstreckt. Dieser Oberteil 2a dient als Sitz für den Flangeteil 1a des Elektrolytrohres auf übliche Weise zum Beispiel durch direkten oder indirekten Sitz des Flangeteiles 1a auf dem Oberteil 2a. Das Metallrohr 2 läßt sich mit der Abgaselektrode 1d elektrisch verbinden, so daß das Metallrohr 2 als Stromanschluß für den erfindungsgemäßen Sensor wirken kann.

An der unteren Außenfläche des Metallrohres 2 befindet sich der Gewindeteil 2b, so daß sich das Metallrohr 2 in eine Abgasleitung 3 einschrauben und sichern läßt,während die Außenfläche des Elektrolytrohres 1 dem Abgas in der Leitung 3 ausgesetzt wird.

Die Bezugselektrode 1c an der Innenseite des Elektrolytrohres 1 ist vom Metallrohr 2 elektrisch isoliert und an einen äußeren Stromkreis (nicht gezeigt) über eine Leitung (nicht gezeigt) und eine Anschlußklemme (nicht gezeigt) verbunden. Auf dem Metallrohr 2 ist nach oben zu eine Kappe mit Abblasloch 4a angeschlossen, so daß die Bezugselektrode 1c mit der Frischluft innerhalb des Elektrolytrohres 1, welches mit der Atmosphäre über das Ab'olasloch 4a kommuniziert,in Verbindung steht.

Um ein direktes Auftreffen des Abgases auf die Außenfläche des Elektrolytrohres 1 zu vermeiden, ist das Schutzrohr koaxial vom -unteren Ende des Oberteils 2a des Metallrohres ^;.2 um das Elektrolytrohr 1 vorgesehen. Bei der in Figur 1

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gezeigten Ausführungsform ist das Schutzrohr 5 ein Rohr aus dünnem korrosionsbeständigem Stahlblech, hergestellt durch Tiefziehen unter Ausbildung eines Bodenbereiches i?a und eines Flangeteiles 5b am offanen Ende. Der Flangeteil 5b des Schutzrohres 5 wird zwischen dem Oberteil 2a und dem Flangeteil 1a gehalten, woctuniidas Schutzrohr 5 im Metallrohr 2 fixiert ist. Es ist auch möglich, das Schutzrohr 5 direkt mit einem Ende des Metallrohres2 ,zum Beispiel durch Schweißen,zu verbinden.

Durch den Wandteil 5c des Schutzrohres 5 ist eine große Anzahl von Öffnungen 6 eingebracht. Alle öffnungen 6 haben gekrümmte Teile, die konvex gegen eine gemeinsame Umfangsrichtung des Schutzrohres 5 sind. Aus Fig. 1, 2A unri 2B ergibt sich, daß der gekrümmte Teil jeder Begrenz'rag der Öffnung 6 bei der gezeigten Ausführungsform halbrund 6a ist ujid diese Kante durch Einschneiden eines Halbbogens in den Wanüteil 5c und Hineinbiegen der gekrümmten Kante in das Schutzrohr 5 in einem vergleichsweise großen Winkel hergestellt wird, so daß sich ein Ansatz 6b bildet. Die Bogenform der Kante 6a muß nicht halbrund sein, sondern kann auch halb· elliptisch sein oder eine andere schwach gekrümmte Form besitzen.

Aus den Fig. 2A und 2B entnimmt man, daß eine große Anzahl von Öffnungen 6 in zwei ineinandergreifende Matrizen oder Mustern angeordnet ist , nämlich jede der beiden Matrizen oder Muster hat zumindest zwei Reihen von Öffnungen 6 (bei der gezeigten Ausführungsform zwei Reihen) mit einem Abstand t in Längsrichtung des Schutzrohres 5 zwischen zwei benachbarten Reihen und zumindest vier Kolonnen an Öffnungen 6 (in der gezeigten Ausführungsform sechs Kolonnen) mit einem Abstand zwischen den Kolonnen (e+2f) in Umfangsrichtung des Schutzronres zwischen benachbarten Kolonnenj die Öffnungen 6 eines der beiden Muster befinden

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sich zwischen den öffnungen 6 des anderen Musters und sind in Längs- und Umfangsrichtung versetzt, und zwar vorzugsweise um jeweils die Hälfte der Abstände. Dadurch sind die öffnungen 6 zickzack-artig in dem Vandteil 5c angeordnet. Eine Ausführungsform des Schutzrohres 5 für einen erfindungsgemäßen Sensor hat einen Außendurchmesser D von 12 iam, eine Wandstärke von 0,5 mm, die Länge des Randes f der Öffnung 6 ist 4 mm, der Abstand e 2 mm, vom Rand bis zum Scheitel des Bogens, der Abstand in Längsrichtung zwischen den Reihen t ist 3 mm zwischen benachbarten Reihen und der Abstand f in Umfangsrichtung zwischen den nächsten zwei Öffnungen etwa 1 mm, während der Winkel ©etwa 60° zwischen dem Anratz 6b und einer tangentialen Ebene zu dem Schutzrohr 5 am Rand, der von der Wurzel des Ansatzes gebildet ist, beträgt. Bevorzugt besteht das Schutzrohr 5 aus korrosionsbeständigem Stahl. Das Verhältnis von Wandstärke zu Außendurchmesser ist vorzugsweise 0,02 bis 0,05, so daß beispielsweise für eine Wandstärke von etwa 0,3 bis 0,5 mm der Außendurchmesser D 10 bis 13 mm betragen soll.

Anhand der Fig. 3 wird nun ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Schutzrohres 5 für den erfindungsgemäßen Sensor erläutert. Eine zylindrische Form 10, deren Außendurchmesser etwas geringer ist als der Innendurchmesser des herzustellenden Schutzrohres 5, wird gleitbar eingesetzt i.n das rohf Rohr, dessen Viand noch keine Öffnungen besitzt. Die Form 10 hat eine vorbestimmte Anzahl an linearen Nuten 10a über ihren Umfang in Längsrichtung verteilt. Nach Einsetzen der Fon 10 in das rohe Rohr wird eine Dornanordnung mit einer bestimmten Anzahl an Dornen 11,ausgerichtet in Längsrichtung der Form 10,in bestimmten Abständen in die Nut 10a der Form 10 eingepreßt,

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so daß eine Reihe von Löchern 6 des einen Musters durch § einen Preßvorgang der Dornanordnung gebohrt werden kann. Dann wird das rohe Rohr zusammen mit der Form 10 gedreht, bis die nächste Nut 10a unter die Dornen 11 kommt und auf diese Weise durch den nächsten Preßvorgang wieder eine Kolonne von öffnungen 6 gebohrt. Ein Muster von Öffnungen 6 kann somit durch derartige Preßvorgänge hergestellt werden, wenn das rohe Rohr mit eingesetzter Form 10 einmal umgedreht ist. Dann wird das Rohr mit Form um das der Versetzung der beiden Muster entsprechende Ausmaß in Längs- und Umfangsrichtung verschoben, so daß das \ andere Muster oder die andere Matrix von Öffnungen durch wiederholtes Einpressen genauso wie das erste Muster hergestellt werden kann. Die Öffnungen 6 des Schutzrohres 5 lassen sich daher sehr einfach bohren, ohne daß es zu irgendeiner Verformung kommt, die sich nachteilig auf die Wirksamkeit des Sauerstoffsensors für Abgas auswirken könnte. Nach Beendigung des Bohrens der Öffnungen 6 läßt sich die Form 10 leicht aus dem Schutzrohr 5 entfernen.

Es wurden mehrere Sensoren mit Schutzrohren hergestellt, die verschiedene Anordnungen und Dimensionen der Öffnungen aufwiesen. Diese Schutzrohre wurden einer Reihe von Untersuchungen über ihre Wirksamkeit in den Sauerstoffsensoren für Abgase von Verbrennungskraftmaschinen geprüft. Diese Untersuchungen umfaßten die Anfangsaktivität und die Dauerhaftigkeit unter hoher Temperatur, um festzustellen, ob das metallische Schutzrohr 5 frei von Verformungen und Rissen bei erhöhten Temperatiiren war. Diese Untersuchungen wurden so ausgeführt, daß die Zeit von dem Moment, zu dem der Sensor plötzlich in die für ihn bestimmte Bohrung in der Abgasleitung eingesetzt wird, welche einen Abgasstrom mit hohem Brennstoff gehalt mit einer Temperatur von 35O°C leitete, bis zu dem Moment bestimmt wird, bei dem der Sensor-Ausgang auf > 700 mV angestiegen ist. Es wurde

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festgestellt, daß der bevorzugte Winkel<s> zwischen 6b der öffnung 6 und einer tangentialen Ebene zum Umfang des Schutzrohres 5 am Rand der Wurzel des Ansatzes 6b zwischen 40° und 70° liegt und der Anstz 6b nach innen in das Schutzrohr 5 gebogen werden soll. Es wurde festgestellt, daß folgende Bedingungen besonders geeignet sind zur Erreichung einer Ansprechzeit von < 3 min bei großer freier Fläche der öffnungen 6 ohne Verformung des Rohres 5;

nämlich:

e = (3/8 bis 1)s,
t = (1/2 bis 4/3)s und
f = (1/4 bis Λ/Z)B,
worin s die Länge des Randes der öffnung 6, e der Abstand vom Rand bis zum Scheitel der gekrümmten Kante ist, t den Abstand zwischen zwei Lochreihen eines Musters in Längsrichtung und f den Abstand in Umfangsrichtung zwischen den beiden nächsten Öffnungen 6 bedeutet. Bei einem dünnwandigen Schutzrohr 5 mit einem Außendurchmesser D von etwa 10 bis 13 mm beträgt die Kantenlänge s 3 bis 4 mm, der Umfangsabstand f 0,5 bis 2 mm.

Das Schutzrohr 5 für den erfindungsgemäßen Sensor zeichnet sich durch bessere Anfangsaktivität oder schnelleres Ansprechen, d.h. niederere Aktivierungstemperatur, aus im Vergleich zu üblichen Schutzrohren, deren Wand verstärkt . ist entlang Längslinien in Achsrichtung, so daß sich eine Vielzahl von länglichen Schlitzen, die in Umfangsrichtung im Abstand von einander angeordnet sind, bildet.

Das in der Fig. 1 und 2 gezeigte Schutzrohr 5 hat am Boden 5a keine Öffnung; es ist aber auch möglich,dort Öffnungen vorzusehen oder den Bodenteil 5a vollständig zu entfernen.

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¥ie oben ausgeführt,enthält der erfindungsgemäße Sauerstof.fsensor für Abgas ein Schutzrohr, dessen Wand eine Vielzahl von öffnungen in zickzack-förmiger Anordnung aufweist, wobei jede öffnung durch Einschneiden in einer gekrümmten Linie,vorzugsweise einem Halbkreis oder einer Halbellipse, gebildet wird und der Blechteil nach innen, und zwar in einem Winkel von etwa 40° bis 70° zu einer Tangentialebene zum Umfang des Rohres an der Wurzel des eingeschnittenen Ansatzes,gebogen ist. Die gekrümmten Linien aller dieser öffnungen sind konvex zu einer gemeinsamen Umfangsrichtung des Schutzrohres. Dieser Ansatz oder Blechteil wirkt wie ein Ablenkblech für das Abgas, so daß-verglichen mit den bekannten Konstruktionen-eine große Abgasmenge das Schutzrohr mit hoher Wirksamkeit durchströmen kann.

Darüber hinaus stellt der erfindungsgemäße Sensor eine kleine thermische Masse dar, so daß die Aktivierungstemperatur nieder gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors liegt in der Einfachheit der Herstellung des Schutzrohres, ohne daß es dabei zu einer Deformation kommt, während das Schutzrohr sich durch hohe mechanische Festigkeit auszeichnet.

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Claims (5)

1. Sauerstoff-Sensor für Abgase, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen₍bestehend aus einem Rohr(i) eines festen Elektrolyten, welches unten abgeschlossen ist und ar der Innenfläche einen als Bezugselektrode wirkenden mit Frischl-ift in Berührung stehenden Überzug (1c)und an der Außenseite ernen als Meßelektrode wirkenden mit dem Abgas in Berührung kommenden Überzug(1d)trägt,einem Metallrohr (2) zur Aufnahme des Elektrolytrohres und der Möglichkeit des Zutritts von Abgas zum Boden des Elektroljtrohres sowieeinem metallischen Schutzrohr(5),welches sich koaxial von einem ringartigen Oberteil(2a)des Rohres(2) bis um den Boden des Elektrolytrohres(1)erstreckt und eine Vielzahl von Öffnungen(6)aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnungen konvex ge- krümmte Kantan 6a in bezug auf eine gemeinsame Umfangsrichtung haben und die jeweiligen Ansätze(6b)derart nach innen in das Schutzrohr gebogen sind, daß sie an der Wurzel der umgebogenen Ansätze Ränder bilden, welche den gekrümmten Kanten gegenüberstehen, wobei die Öffnungen in zwei Mustern angeordnet sind und jedes Muster zumindest zwei Reihen von öffnungen hat mit Abständen in Längsrichtung des Schutzrohres und zumindest vier Kolonnen von öffnungen mit Abständen in der Umfangsrichtung des

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Schutzrohres und die Öffnungen des einen Musters sich zwischen den Öffnungen des anderen Musters in Längsund Umfangsrichtung versetzt befinden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die öffnungen einer der beiden Muster von denen des anderen Musters in Längsrichtung des Elektrolytrohres um die Hälfte des Abstandes in Längsrichtung zwischen den beiden Mustern land i* der Umfangsrichtimg um die Hälfte des Abstandes der Kolonnen der beiden Muster versetzt sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder· 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ansätze in das Schutzrohr in 15 einem Winkel von 40° bis 70° zu einer Tangentialebene j? des Umfangs des Schutzrohres gebogen sind.

4. Sensor nach Ansprach 2 oder 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Anordnung der Öffnungen fol-20 genden Bedingungen entspricht:

s = (1/5 bis 2/5)D,

e = (3/8 bis i)s,

t = (1/2 bis 4/3)s,
\ f = (1/4 bis 1/2)s

ί 25 wobei s die Länge des Randes, D der Außendurchmesser

) des Sclsutzrohres '5)> e der Abstand des Randes zum Scheitel

\ der gekrümmten Kante, t der Längs-Abstand zwischen benach-

\ barten Reihen der Öffnungen der Muster und f der Um-

' fangs-Abstand zwischen den nächsten beiden Öffnungen be-

deutet.

5. Sensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die gekrümmte Kante der Öffnungen ί halbrund oder halbelliptisch ist.

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