WO2012146417A1 - Sensor apparatus for detecting a parameter of a flowing fluid medium - Google Patents

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WO2012146417A1
WO2012146417A1 PCT/EP2012/053397 EP2012053397W WO2012146417A1 WO 2012146417 A1 WO2012146417 A1 WO 2012146417A1 EP 2012053397 W EP2012053397 W EP 2012053397W WO 2012146417 A1 WO2012146417 A1 WO 2012146417A1
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housing
flow
sensor
flow tube
sensor device
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PCT/EP2012/053397
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French (fr)
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Alexander Martin
Martin Schilling
Richard Fix
Marc Brueck
Tobias WOERZ
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases

Definitions

  • the flowing fluid medium may be, for example, a gas or a liquid.
  • the invention will be described below in particular with reference to exhaust gases of internal combustion engines, for example in the exhaust system of a motor vehicle.
  • the at least one parameter to be detected may be, for example, a physical and / or chemical parameter.
  • it can be a flow parameter, for example a flow velocity, a mass flow or a volume flow of the fluid medium.
  • the at least one parameter to be detected at least one component, so for example a percentage and / or a partial pressure, of at least one component of the fluid medium, for example at least one
  • Gas component includes or is.
  • this at least one component which can be detected qualitatively and / or quantitatively, can be oxygen and / or nitrogen and / or nitrogen oxides and / or at least one
  • the at least one parameter that is detected can be, for example, a component of at least one gas component.
  • lambda probes ie generally sensor elements based on the use of at least one solid electrolyte material, preferably at least one ceramic solid electrolyte material, and such They are described for example in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165.
  • the present invention is applicable to a variety of other types of parameters to be detected and / or other types of sensor devices. Also in DE 10 2006 060 312 A1, in DE 10 2007 040 726 A1 and in DE 10 2008 041 038 A1 sensor devices are described which in the context of
  • Dissertation no. 931 pages 51 to 57, Linköping 2005 or in H. Wingbrant et al: Using a Misi ⁇ FET Sensor for Detecting NH 3 in the SCR system, IEEE sensor Journal, Vol 5, No.. October 5, 2005, pages 1099-1105.
  • a sensor element which may for example be electrically heated and which may be configured, for example, ceramic. This can, for example, by one or more metallic protective tubes from direct contact with the
  • Exhaust gas flow are at least partially shielded, as described for example in the above-mentioned prior art.
  • the main tasks of the protective tubes are to limit the exhaust gas mass flow over the sensor element, to prevent condensation in the exhaust system from the sensor element, i.
  • thermowells Probe dynamics (rapid gas exchange in the vicinity of the sensor element) and in a protection of the sensor element against mechanical stress, for example in a shoring.
  • Sensor element makes more likely and also increases the cooling by cold exhaust gas.
  • a part of the sensor element which is usually of elongated design, is located spatially within the exhaust pipe in the case of current sensors.
  • Sensor devices accordingly become a sensor device for detecting at least one parameter of a fluid flowing through a flow tube Medium proposed.
  • the fluid medium can in particular with a main flow direction through the
  • Main direction of a mass transport of the fluid medium understood in the flow tube may possibly be negligible, such as local turbulence or the like.
  • the main flow direction can also be reversible during operation.
  • the flowing fluid medium may in particular comprise a gaseous medium, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the sensor device comprises at least one housing and at least one sensor element at least partially accommodated in the housing for detecting the at least one parameter.
  • a housing Under a housing is generally understood an element which has at least one interior, in this case at least one interior for receiving the at least one sensor element, and which is preferably adapted to a protective effect against at least
  • the housing may be at least partially made of a rigid material which
  • the housing may for example be wholly or partly made of a metallic material and / or a plastic material.
  • a sensor element is understood to mean an element which is set up to qualitatively and / or quantitatively detect the at least one parameter and to generate a corresponding signal.
  • the at least one sensor element may comprise at least one sensor chip.
  • the sensor element may in particular comprise at least one ChemFET, for example according to the above-described prior art.
  • the sensor element may generally comprise, for example, at least one sensor surface, wherein the sensor element may be accommodated in the housing such that the sensor surface is in contact with the fluid medium
  • the sensor element may in particular be a miniature component in a very small installation space, for example with a construction space of less than 2 cm 3 , in particular less than 1 cm 3 and more preferably less than 0.5 cm 3 .
  • the miniature component may be a miniature component in cubic form.
  • the housing has at least one outer housing and at least one of the
  • Outer housing at least partially enclosed inner housing.
  • At least one gap in particular at least one annular gap, is formed between the outer housing and the inner housing.
  • Embodiments will hereinafter be particularly referred to a configuration as at least one annular gap reference.
  • the housing is designed such that at least a partial flow of the fluid medium can flow through at least one inlet opening into the gap, ie from the flow tube into the gap and thus into the housing in order to reach the sensor element.
  • the housing is further designed such that the partial flow then through the inner housing via at least one
  • Outlet opening can flow back into the flow tube.
  • the housing further has at least one retaining element.
  • the housing can be connected to the flow tube by means of the retaining element, wherein a part of the housing projects into the flow tube.
  • the inlet opening is from an inner wall of the
  • Flow tube arranged spaced, wherein the sensor element is arranged outside of the flow tube.
  • the housing is thus connected by means of the retaining element with the flow tube.
  • the flow tube may, for example, have at least one opening, wherein the housing projects completely or partially through this opening into the flow tube.
  • Flow tube be fixable, for example by the housing by means of
  • Retaining element in a position and / or orientation relative to the flow tube is fixable, wherein a fixation in one, two or three dimensions is possible.
  • a holding element is generally an element to understand, which can establish a connection between the housing and the flow tube.
  • This connection can be for example a non-positive and / or positive and / or material connection.
  • the holding element may comprise at least one thread.
  • the at least one retaining element of the housing cooperate with at least one element of the flow tube, for example with a mating thread.
  • both the housing and the flow tube each have at least one thread, so that the housing is preferably fixable in the flow tube.
  • the holding element for example, comprise a simple stop surface, by means of which the housing can be applied to the flow tube.
  • the housing may comprise a collar, for example, a circumferential projecting edge on the housing, which rests on the flow tube when the housing is inserted or inserted into the flow tube, so that a depth limitation of the insertion or insertion takes place.
  • the holding element can be designed such that it positions the housing in at least one dimension relative to the flow tube, for example in a direction perpendicular to the main flow direction and / or perpendicular to a tube axis of the flow tube.
  • the housing can be positioned relative to the flow tube in such a way that it always projects into the flow tube at the same depth.
  • the holding element can cooperate with at least one flow tube-side holding element.
  • the housing has, as described above, at least one outer housing and at least one of the outer housing at least partially enclosed
  • Inner housing on.
  • Outside housing is also spoken by an outer tube, and with reference to the inner housing of an inner tube.
  • the outer housing may, for example, enclose the inner housing in an annular manner.
  • the gap for example the annular gap, is formed, which preferably surrounds the entire inner casing or only around a part of the inner casing
  • Inner housing may extend, preferably at least 80% of the inner housing.
  • the annular gap may at least partially enclose the inner housing.
  • the housing is configured such that the fluid medium can flow into the gap to get to the sensor element and then to flow through the inner housing back into the flow tube.
  • the inner housing may have at least one inner space, for example a substantially cylindrically shaped inner space through which the fluid medium can flow back into the flow tube.
  • the fluid medium can flow in an axial direction into the annular gap, get to the sensor element, and
  • An axial direction is to be understood as meaning in general a direction parallel to an axis of the sensor device.
  • the sensor device may be designed substantially cylindrical, so that the axis may be, for example, a rotation axis of the housing and / or a part of the housing.
  • the housing may be fixable in the flow tube, in particular by means of the holding element, that the axis is aligned substantially perpendicular to the main flow direction, wherein the main flow direction may be aligned, for example parallel to a tube axis of the flow tube.
  • the term "substantially perpendicular or substantially parallel” is generally understood to mean a deviation from a vertical orientation or a parallel orientation which is not more than 30 °, preferably not more than 15 ° and in particular not more than 5 ° and more preferably 0 °.
  • the flow tube may, for example, have a diameter of 30 mm to 150 mm, for example a diameter of 50 mm to 100 mm and particularly preferably a flow tube cross section of 70 mm.
  • Usual pipe diameters for passenger cars are between 30 mm and 100 mm. In commercial vehicles, the diameters are usually 100 mm to 150 mm. Others too
  • the fluid medium particularly the exhaust
  • the flow rate may in turn be dependent on, for example, a cross section of the exhaust system and / or a
  • the retaining element may in particular be arranged such that the inlet opening is spaced from the inner wall by at least 3 mm, in particular by at least 5 mm.
  • the inlet opening may be spaced from the inner wall by 3 mm to 20 mm, in particular by 5 mm to 15 mm and particularly preferably by 10 mm.
  • the holding element can continue to be set up in this way be that the outlet opening is further spaced from the inner wall than the
  • the outlet opening may be spaced from the inner wall by at least 5 mm, preferably by at least 10 mm.
  • the outlet opening may be spaced from the inner wall by 8 mm to 30 mm, for example by 10 mm to 20 mm and particularly preferably by 15 mm.
  • the holding element can thus be configured, for example, such that a part of the sensor device located inside the flow tube and a part of the sensor device located outside the flow tube are defined.
  • the sensor element can be arranged in the outer part, in particular for
  • a distance of the sensor element to the inner wall of the flow tube can be in particular at least 20 mm, preferably at least 30 mm and particularly preferably at least 40 mm.
  • the sensor device and in particular the housing may in particular comprise at least one heat sink arranged outside the flow tube, in particular a heat sink with at least one cooling fin.
  • at least one cooling rib may be provided, which simultaneously acts as a radiation protection sheet.
  • the sensor device may further comprise at least one tempering element.
  • this at least one tempering at least one
  • the sensor device may, for example, have at least one temperature control and / or at least one temperature control.
  • Temperature control or temperature control can be set up in particular to set a temperature of the sensor element, in particular to control or regulate.
  • the sensor device may further comprise at least one filter element, wherein, for example, at least one filter element may be provided, selected from the group consisting of: a chemical filter, a catalyst, a
  • fluidic measure such as a mist eliminator and / or a P
  • a sensor system In a further aspect of the present invention, a sensor system
  • the sensor device is a sensor device according to one or more of the above or below described embodiments as well as at least one Has flow tube, wherein the sensor device is connected by means of the holding member with the flow tube.
  • the sensor system may protrude into the interior of the flow tube through at least one opening in the flow tube.
  • the proposed sensor device and the sensor system in one or more embodiments described above or below have a number of advantages over known sensor devices and sensor systems.
  • this can be used in particular with new sensor elements as exhaust gas sensors, in which the sensor element is designed, for example, as a miniature component in a very small space in a cubic shape.
  • Such sensor elements are described for example in DE 10 2007 040 726 A1.
  • typical main requirements for the installation of such sensor elements can be fulfilled well. These main requirements are in particular that an operating temperature of the sensor element is below the temperature of current sensors and preferably below maximum occurring exhaust gas temperatures.
  • typical operating temperatures of the sensor element may be 300 ° C and typical
  • Exhaust gas temperatures depending on installation position, for example at 700 ° C to briefly 1000 ° C or even permanently up to 1000 ° C.
  • the sensor element can be heated electrically continuously, for example by means of the tempering element, and the temperature can be regulated in this case, for example.
  • the exhaust gas temperature may, for example, at each operating point of the engine below the maximum
  • a transport of the fluid medium, in particular a gas transport, to the sensor element at least
  • the arrangement of the sensor element spatially outside the flow tube and optionally a suitable geometry of the housing can ensure that the sensor element is supplied with a sufficient amount of fluid medium.
  • the fluid medium can also be cooled on its way to the sensor element, for example by the above-mentioned at least one heat sink, for example by cooling fins, which can be arranged on an outer side of the housing outside the flow tube, such that it has a flow path between the inlet opening and can cool the sensor element.
  • at least one heat sink for example by cooling fins, which can be arranged on an outer side of the housing outside the flow tube, such that it has a flow path between the inlet opening and can cool the sensor element.
  • the fluid medium for example, the exhaust gas
  • the supply of the removed fluid medium, for example of the exhaust gas can take place with such a high speed to the installation location of the sensor element in the housing, that sufficient dynamics for measuring changes in concentration can be ensured.
  • the inlet opening can be designed such that it encloses the inner housing and / or the outlet opening annularly completely or partially.
  • the sensor device can be constructed in such a way that a function of the sensor device is at least largely independent of a rotation of the sensor device about an axis of the sensor device
  • filtering and / or pretreatment of the removed fluid medium may also take place before the actual measurement.
  • filtering and / or pretreatment of the removed fluid medium may also take place before the actual measurement.
  • this at least one filter element can, for example, in the gap between the
  • a chemical filtering and / or catalysis can take place here.
  • fluidic measures for droplet separation and / or particle separation can be taken before such impurities strike the sensor element.
  • the sensor device can, as described above, comprise a housing with protective tubes, that is, for example, an outer tube and an inner tube, wherein the housing can be made geometrically such that an optimum flow of a sensor element, for example a semiconductor sensor, is made possible in view of the above-mentioned requirements ,
  • the sensor element may include at least one semiconductor sensor for measuring concentrations of one or more different gases in the exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the holding element described above may, for example, comprise at least one collar, which is provided for engagement with the flow tube.
  • Sensor device may include a flow guide, in which the branched partial flow is geometrically out of the flow tube, for example, the exhaust pipe and is deflected, for example, at a position in the greatest possible distance from the outer wall of the exhaust pipe, passed over the sensor element and then back into the flow tube to become.
  • a flow guide in which the branched partial flow is geometrically out of the flow tube, for example, the exhaust pipe and is deflected, for example, at a position in the greatest possible distance from the outer wall of the exhaust pipe, passed over the sensor element and then back into the flow tube to become.
  • the mode of operation of a partial flow take-off from a main flow through the flow tube can take place in particular according to a principle already known from a lambda probe.
  • the protective tubes of the probe housing may include inlet and outlet openings for the exhaust gas.
  • a delay of the flow with the consequence of an increase of the static pressure in the flow can be caused, for example, by a congestion zone, for example in the form of a part of the protective tubes oriented perpendicular to the main gas flow.
  • a congestion zone for example in the form of a part of the protective tubes oriented perpendicular to the main gas flow.
  • This pressure difference between the congestion zone and narrowest cross-section can be a driving force for the flow through the
  • Figure 1 shows an embodiment of a sensor device according to the invention
  • FIG 2 shows a flow tube with the sensor device according to the invention according to Figure 1 in the installed state.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a sensor device 110 according to the invention for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a flow tube (indicated by the reference numeral 112).
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of the sensor device 110 in a state installed in a flow tube 112, hereinafter also referred to as an exhaust tube. Both figures will be referred to collectively below.
  • the sensor device 110 and the flow tube 112 together form components of a sensor system 11 1.
  • the sensor device 110 comprises a housing 114, which projects into the flow tube 112 through an opening 116 substantially perpendicular to a main flow direction 118 of the fluid medium in the flow tube 112.
  • the housing 1 14 has an outer housing 120 and an inner housing 122.
  • the outer housing 120 surrounds the inner housing 122 in an annular manner, so that an annular gap 124 is formed between the outer housing 120 and the inner housing 122.
  • an inlet opening 126 is provided, which can surround, for example, the inner housing 122 annular. In the region of this inlet opening 126 forms, as described above, a Stowage zone 128 off. Furthermore, an outlet opening 130 is provided at the upper end of the inner housing 122, which protrudes furthest into the flow tube 112 and which may be designed, for example, tapered at its upper end. In this area forms, as also described above, a
  • the fluid medium or a partial flow of the fluid medium which of a
  • Main flow is branched off in the flow tube 112, at the inlet opening 126, as indicated in Figure 1 by arrows, enter the annular gap 124, flows through this in an axial direction of the sensor device 110, is deflected at the lower end and reaches a sensor element 134th
  • the partial flow can be cooled, for example, on its way from the inlet opening 126 to the sensor element 134, for example by one or more heat sinks not shown in detail in FIG. 1 on an outside outside of the flow tube 112.
  • the partial flow can overflow at least one measuring surface 136 of the sensor element 134, for example . Subsequently, the partial flow is deflected again and flows through the inner housing 122 in the opposite axial direction and exits the housing 114 again at the outlet opening 130. The flow of the partial flow is in total by the pressure difference between the storage zone 128 and the
  • Vacuum zone 132 driven.
  • the housing 1 14 comprises at least one retaining element 138.
  • a retaining element can generally be understood as meaning a connecting element which is set up to connect the housing 114 to the flow tube 112. In the illustrated
  • the retaining element 138 may include a collar 140, which may rest on an outer side 142 of the flow tube 112.
  • the collar 140 can be connected to the flow tube 112 in a non-positive and / or materially bonded and / or form-fitting manner, for example.
  • at least one thread can be provided.
  • a collar is generally to be understood as an arbitrary stop, which has a positioning
  • the sensor device 110 causes relative to the flow tube 112.
  • the holding element 138 is dimensioned such that the sensor element 134 outside the flow tube 112, in particular outside an inner region of the
  • Flow tube 112 is arranged.
  • a distance between an inner wall 1 4 of the flow tube 1 12 and the inlet opening 126, which is denoted di in FIG. 1 can be 3 mm to 20 mm, in particular 5 mm to 15 mm and particularly preferably 10 mm.
  • a distance d 2 between the inlet opening 126 and the outside 142 of the flow tube 112 may be, for example, 2 to 10 mm, in particular 3 to 7 mm and particularly preferably 10 mm greater than the distance di.
  • the distance d 2 may also be designed differently.
  • typical wall thicknesses (d 2 - di) of the flow pipe 112 may be 1 mm to 10 mm, in particular 2 mm to 3 mm.
  • two or more sheets may also be provided, for example each with a thickness of 1 mm to 5 mm, in particular 2 mm, and an air gap of, for example, 1 mm to 10 mm, in particular 2 mm to 5 mm.
  • a distance d 3 between the inner wall 144 and the sensor element 134, for example the measuring surface 136 may be for example at least 20 mm, preferably at least 30 mm and particularly preferably at least 40 mm. For example, this distance can be 20 to 60 mm.
  • the mode of operation of the partial flow takeoff from the main exhaust gas mass flow in the arrangement according to FIGS. 1 and 2 can take place, for example, according to the principle already known from a lambda probe, for example according to the prior art described above.
  • the storage zone 128 forms in the form of an overpressure zone on a side of the inlet opening 126 facing the main flow direction 118.
  • the vacuum zone 132 is formed due to a reduced free cross-section of the flow tube 112.
  • the flow tube 112 may have the cross sections described above, for example, an inner diameter D in Figure 2 of 30 mm to 150 mm, in particular from 50 mm to 100 mm.
  • the reduction of the free cross-section preferably significantly larger, and, consequently, results in a larger pressure difference between the storage zone 128 and the vacuum zone 132nd This leads to a higher branched partial mass flow, which has a faster response time of the sensor device 110 and thus increased dynamics result.
  • At least one tempering element 146 in particular at least one active tempering element 146 may be provided, which in Figure 1 only
  • this tempering element 146 may comprise at least one heating element and / or at least one cooling element.
  • a resistive heating and / or a resistive cooling can be provided.
  • a temperature control in particular a temperature control can be provided.
  • the gas on its way to the sensor position of the sensor element 138 should preferably be allowed to be in contact with cold surfaces as intensively as possible in order to allow heat exchange between the gas and the housing 14.
  • Case temperature can be increased by increasing the distance from the location of the
  • Sensor element 128 to the inner wall 144 and / or to the outside 142 can be realized.
  • the sensor device 110 and the sensor system 111 shown in FIGS. 1 and 2 can be used, in particular, in an exhaust gas tract of an internal combustion engine. Particularly preferred is the use in a motor vehicle.

Abstract

The invention proposes a sensor apparatus (110) for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a flow pipe (112), comprising at least one housing (114) and at least one sensor element (134), which is accommodated in the housing (114), for detecting the parameter, and a flow pipe. The housing (114) has at least one external housing (120) and at least one internal housing (122) which is at least partially surrounded by the external housing (120), wherein at least one gap, in particular at least one annular gap (124), is formed between the external housing (120) and the internal housing. The housing (114) is formed in such a way that at least a partial flow of the fluid medium can flow into the gap through at least one inlet opening (126) in order to arrive at the sensor element (134) and in order to then flow back into the flow pipe (112) through the internal housing (122) via at least one outlet opening (130). The housing (114) also has at least one retaining element (138). The housing (114) can be connected to the flow pipe (112) by means of the retaining element (138), wherein a portion of the housing (114) projects into the flow pipe (112). The inlet opening (126) is arranged at a distance from an internal wall (144) of the flow pipe (112). The sensor element (134) is arranged outside the flow pipe (112).

Description

Beschreibung Titel  Description title
Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Parameters eines strömenden fluiden Mediums Stand der Technik Sensor device for detecting a parameter of a flowing fluid medium prior art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen zur Erfassung eines oder mehrerer Parameter eines strömenden fluiden Mediums bekannt. Bei dem strömenden fluiden Medium kann es sich beispielsweise um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf Abgase von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, beispielsweise im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Auch andere Anwendungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Bei dem mindestens einen zu erfassenden Parameter kann es sich beispielsweise um einen physikalischen und/oder chemischen Parameter handeln. Beispielsweise kann es sich um einen Strömungsparameter handeln, beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Massenstrom oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der mindestens eine zu erfassende Parameter mindestens einen Anteil, also beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck, mindestens einer Komponente des fluiden Mediums, beispielsweise mindestens einer A variety of sensor devices for detecting one or more parameters of a flowing fluid medium are known in the prior art. The flowing fluid medium may be, for example, a gas or a liquid. The invention will be described below in particular with reference to exhaust gases of internal combustion engines, for example in the exhaust system of a motor vehicle. However, other applications are possible in principle. The at least one parameter to be detected may be, for example, a physical and / or chemical parameter. For example, it can be a flow parameter, for example a flow velocity, a mass flow or a volume flow of the fluid medium. However, it is particularly preferred if the at least one parameter to be detected at least one component, so for example a percentage and / or a partial pressure, of at least one component of the fluid medium, for example at least one
Gaskomponente, beinhaltet oder ist. Beispielsweise kann es sich bei dieser mindestens einen Komponente, welche qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, um Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Stickoxide und/oder mindestens einen Gas component, includes or is. For example, this at least one component, which can be detected qualitatively and / or quantitatively, can be oxygen and / or nitrogen and / or nitrogen oxides and / or at least one
Kohlenwasserstoff handeln. Allgemein kann der mindestens eine Parameter, welcher erfasst wird, beispielsweise ein Anteil mindestens einer Gaskomponente sein. Hydrocarbon act. In general, the at least one parameter that is detected can be, for example, a component of at least one gas component.
Beispiele derartiger Sensorvorrichtungen, mittels derer ein Anteil mindestens einer Gaskomponente in einem Gas erfasst werden kann, insbesondere einem Abgas, sind so genannte Lambda-Sonden, also allgemein Sensorelemente, welche auf der Verwendung mindestens eines Festelektrolytmaterials, vorzugsweise mindestens eines keramischen Festelektrolytmaterials, basieren und wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2010, Seiten 160-165 beschrieben werden. Examples of such sensor devices, by means of which a proportion of at least one gas component in a gas can be detected, in particular an exhaust gas, are so-called lambda probes, ie generally sensor elements based on the use of at least one solid electrolyte material, preferably at least one ceramic solid electrolyte material, and such They are described for example in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pages 160-165.
Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung jedoch auch auf eine Vielzahl anderer Arten von zu erfassenden Parametern und/oder anderen Arten von Sensorvorrichtungen einsetzbar. Auch in DE 10 2006 060 312 A1 , in DE 10 2007 040 726 A1 und in DE 10 2008 041 038 A1 sind Sensorvorrichtungen beschrieben, die im Rahmen der In addition, however, the present invention is applicable to a variety of other types of parameters to be detected and / or other types of sensor devices. Also in DE 10 2006 060 312 A1, in DE 10 2007 040 726 A1 and in DE 10 2008 041 038 A1 sensor devices are described which in the context of
vorliegenden Erfindung grundsätzlich abgewandelt eingesetzt werden können. Weiterhin sind auch so genannte chemische Feldeffekttransistoren als Sensorelemente in can be used in principle modified in the present invention. Furthermore, so-called chemical field effect transistors as sensor elements in
Sensorvorrichtungen einsetzbar. Beispiele derartiger chemischer Feldeffekttransistoren zum Einsatz in der Automobiltechnik sind in H. Wingbrant: Studies of MISiC-FET Sensors for Car Exhaust Gas Monitoring, Linköping Studies in Science and Technology, Sensor devices used. Examples of such chemical field-effect transistors for use in automotive engineering are in H. Wingbrant: Studies of MISiC-FET Sensors for Car Exhaust Gas Monitoring, Linkoping Studies in Science and Technology,
Dissertation No. 931 , Seiten 51 bis 57, Linköping 2005, oder in H. Wingbrant et al: Using a MISiC-FET Sensor for Detecting NH3 in SCR Systems, IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 5. October 2005, Seiten 1099 bis 1105 beschrieben. Dissertation no. 931, pages 51 to 57, Linköping 2005 or in H. Wingbrant et al: Using a Misić FET Sensor for Detecting NH 3 in the SCR system, IEEE sensor Journal, Vol 5, No.. October 5, 2005, pages 1099-1105.
Bei vielen aktuellen Sensorvorrichtungen, beispielsweise Abgassensoren, wird ein Sensorelement eingesetzt, welches beispielsweise elektrisch beheizt sein kann und welches beispielsweise keramisch ausgestaltet sein kann. Dieses kann beispielsweise durch ein oder mehrere metallische Schutzrohre vom direkten Kontakt mit der In many current sensor devices, such as exhaust gas sensors, a sensor element is used, which may for example be electrically heated and which may be configured, for example, ceramic. This can, for example, by one or more metallic protective tubes from direct contact with the
Abgasströmung zumindest teilweise abgeschirmt werden, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben. Die Hauptaufgaben der Schutzrohre bestehen in einer Begrenzung des Abgasmassenstroms über dem Sensorelement, in einem Abhalten von Kondenswasser in der Abgasanlage von dem Sensorelement, d.h. Exhaust gas flow are at least partially shielded, as described for example in the above-mentioned prior art. The main tasks of the protective tubes are to limit the exhaust gas mass flow over the sensor element, to prevent condensation in the exhaust system from the sensor element, i.
insbesondere in einem Schutz vor Wasserschlag auf die heiße Keramik, welcher zum Bruch des Sensorelements führen kann, in einem Sicherstellen einer ausreichendenespecially in a protection against water hammer on the hot ceramic, which can lead to breakage of the sensor element, in ensuring a sufficient
Sondendynamik (schneller Gasaustausch in der Nähe des Sensorelements) und in einem Schutz des Sensorelements vor einer mechanischen Beanspruchung, beispielsweise bei einem Verbau. Diese Anforderungen an die Schutzrohre sind zum Teil jedoch Probe dynamics (rapid gas exchange in the vicinity of the sensor element) and in a protection of the sensor element against mechanical stress, for example in a shoring. However, these requirements for the thermowells are partly
gegenläufig. So ist eine hohe Dynamik in der Regel nur durch ausreichende in opposite directions. So is a high dynamics usually only by sufficient
Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, die jedoch einen Wassertransport zum Flow rate to achieve, however, a water transport to
Sensorelement wahrscheinlicher macht und die ebenso die Auskühlung durch kaltes Abgas erhöht. Ein Teil des üblicherweise länglich ausgestalteten Sensorelements befindet sich in der Regel bei aktuellen Sensoren räumlich innerhalb des Abgasrohres.  Sensor element makes more likely and also increases the cooling by cold exhaust gas. As a rule, a part of the sensor element, which is usually of elongated design, is located spatially within the exhaust pipe in the case of current sensors.
Wünschenswert wäre daher eine Sensorvorrichtung, welche eine ausreichende Dynamik bei gleichzeitiger hoher Robustheit und Schutz vor Wasserschlag gewährleisten kann. It would therefore be desirable to have a sensor device which can ensure sufficient dynamics combined with high robustness and protection against water hammer.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Zur Überwindung der technischen Herausforderungen der bekannten To overcome the technical challenges of the known
Sensorvorrichtungen wird dementsprechend eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch ein Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen des fluiden Mediums und des mindestens einen zu erfassenden Parameters, welcher qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Das fluide Medium kann insbesondere mit einer Hauptströmungsrichtung durch das Sensor devices accordingly become a sensor device for detecting at least one parameter of a fluid flowing through a flow tube Medium proposed. With regard to the possible embodiments of the fluid medium and the at least one parameter to be detected, which can be detected qualitatively and / or quantitatively, reference may be made to the above description. The fluid medium can in particular with a main flow direction through the
Strömungsrohr strömen. Unter einer Hauptströmungsrichtung wird dabei eine Flow the flow tube. Under a main flow direction is doing a
Hauptrichtung eines Massentransports des fluiden Mediums in dem Strömungsrohr verstanden. Lokale Abweichungen von dieser Hauptströmungsrichtung können dabei eventuell vernachlässigbar sein, beispielsweise lokale Verwirbelungen oder Ähnliches. Die Hauptströmungsrichtung kann grundsätzlich auch im Betrieb umkehrbar sein. Das strömende fluide Medium kann insbesondere ein gasförmiges Medium umfassen, insbesondere ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine.  Main direction of a mass transport of the fluid medium understood in the flow tube. Local deviations from this main flow direction may possibly be negligible, such as local turbulence or the like. In principle, the main flow direction can also be reversible during operation. The flowing fluid medium may in particular comprise a gaseous medium, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine.
Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Gehäuse und mindestens ein in dem Gehäuse zumindest teilweise aufgenommenes Sensorelement zur Erfassung des mindestens einen Parameters. Unter einem Gehäuse wird dabei allgemein ein Element verstanden, welches mindestens einen Innenraum aufweist, in diesem Fall mindestens einen Innenraum zur Aufnahme des mindestens einen Sensorelements, und welches vorzugsweise eingerichtet ist, um eine Schutzwirkung zumindest gegenüber The sensor device comprises at least one housing and at least one sensor element at least partially accommodated in the housing for detecting the at least one parameter. Under a housing is generally understood an element which has at least one interior, in this case at least one interior for receiving the at least one sensor element, and which is preferably adapted to a protective effect against at least
mechanischen Belastungen zu gewährleisten. Beispielsweise kann das Gehäuse zumindest teilweise aus einem steifen Material hergestellt werden, welches to ensure mechanical loads. For example, the housing may be at least partially made of a rigid material which
beispielsweise bei einem Fixieren des Gehäuses in dem Strömungsrohr des fluiden Mediums bei üblichen Kräften, beispielsweise bei üblichen Verschraubungskräften, keine Verformung durchläuft. Das Gehäuse kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem metallischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein. for example, in a fixing of the housing in the flow tube of the fluid medium under normal forces, for example, at normal Verschraubungskräften, undergoes no deformation. The housing may for example be wholly or partly made of a metallic material and / or a plastic material.
Unter einem Sensorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um den mindestens einen Parameter qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen und ein entsprechendes Signal zu generieren. In the context of the present invention, a sensor element is understood to mean an element which is set up to qualitatively and / or quantitatively detect the at least one parameter and to generate a corresponding signal.
Beispielsweise kann das mindestens eine Sensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann das Sensorelement insbesondere mindestens einen ChemFET umfassen, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik. Das Sensorelement kann allgemein beispielsweise mindestens eine Sensoroberfläche umfassen, wobei das Sensorelement derart in dem Gehäuse aufgenommen sein kann, dass die Sensoroberfläche mit dem fluiden Medium For example, the at least one sensor element may comprise at least one sensor chip. As will be explained in more detail below, the sensor element may in particular comprise at least one ChemFET, for example according to the above-described prior art. The sensor element may generally comprise, for example, at least one sensor surface, wherein the sensor element may be accommodated in the housing such that the sensor surface is in contact with the fluid medium
beaufschlagbar ist. Das Sensorelement kann insbesondere ein Miniaturbauteil auf sehr kleinem Bauraum sein, beispielsweise mit einem Bauraum von weniger als 2 cm3, insbesondere von weniger als 1 cm3 und besonders bevorzugt von weniger als 0,5 cm3. Insbesondere kann das Miniaturbauteil ein Miniaturbauteil in kubischer Form sein. can be acted upon. The sensor element may in particular be a miniature component in a very small installation space, for example with a construction space of less than 2 cm 3 , in particular less than 1 cm 3 and more preferably less than 0.5 cm 3 . In particular, the miniature component may be a miniature component in cubic form.
Das Gehäuse weist mindestens ein Außengehäuse und mindestens ein von dem The housing has at least one outer housing and at least one of the
Außengehäuse zumindest teilweise umschlossenes Innengehäuse auf. Zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse ist mindestens ein Spalt, insbesondere mindestens ein Ringspalt ausgebildet. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Outer housing at least partially enclosed inner housing. At least one gap, in particular at least one annular gap, is formed between the outer housing and the inner housing. Without limitation of other possible
Ausgestaltungen wird nachfolgend insbesondere auf eine Ausgestaltung als mindestens einen Ringspalt Bezug genommen. Das Gehäuse ist derart ausgebildet, dass mindestens ein Teilstrom des fluiden Mediums durch mindestens eine Eintrittsöffnung in den Spalt einströmen kann, also aus dem Strömungsrohr in den Spalt und somit in das Gehäuse, um zu dem Sensorelement zu gelangen. Das Gehäuse ist weiterhin derart ausgebildet, dass der Teilstrom anschließend durch das Innengehäuse über mindestens eine Embodiments will hereinafter be particularly referred to a configuration as at least one annular gap reference. The housing is designed such that at least a partial flow of the fluid medium can flow through at least one inlet opening into the gap, ie from the flow tube into the gap and thus into the housing in order to reach the sensor element. The housing is further designed such that the partial flow then through the inner housing via at least one
Austrittsöffnung zurück in das Strömungsrohr strömen kann. Outlet opening can flow back into the flow tube.
Das Gehäuse weist weiterhin mindestens ein Halteelement auf. Das Gehäuse ist mittels des Halteelements mit dem Strömungsrohr verbindbar, wobei ein Teil des Gehäuses in das Strömungsrohr hineinragt. Die Eintrittsöffnung ist von einer Innenwand des The housing further has at least one retaining element. The housing can be connected to the flow tube by means of the retaining element, wherein a part of the housing projects into the flow tube. The inlet opening is from an inner wall of the
Strömungsrohrs beabstandet angeordnet, wobei das Sensorelement außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet ist. Flow tube arranged spaced, wherein the sensor element is arranged outside of the flow tube.
Das Gehäuse ist also mittels des Halteelements mit dem Strömungsrohr verbindbar. Zu diesem Zweck kann das Strömungsrohr beispielsweise mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei das Gehäuse vollständig oder teilweise durch diese Öffnung in das Strömungsrohr hineinragt. Mittels des Halteelements kann das Gehäuse in dem The housing is thus connected by means of the retaining element with the flow tube. For this purpose, the flow tube may, for example, have at least one opening, wherein the housing projects completely or partially through this opening into the flow tube. By means of the holding element, the housing in the
Strömungsrohr fixierbar sein, beispielsweise indem das Gehäuse mittels des Flow tube be fixable, for example by the housing by means of
Halteelements in einer Position und/oder Orientierung relativ zu dem Strömungsrohr fixierbar ist, wobei eine Fixierung in einer, zwei oder drei Dimensionen möglich ist. Unter einem Halteelement ist allgemein ein Element zu verstehen, welches eine Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Strömungsrohr herstellen kann. Diese Verbindung kann beispielsweise eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung sein. Beispielsweise kann das Halteelement mindestens ein Gewinde umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Halteelement des Gehäuses mit mindestens einem Element des Strömungsrohrs zusammenwirken, beispielsweise mit einem Gegengewinde. So können beispielsweise sowohl das Gehäuse als auch das Strömungsrohr jeweils mindestens ein Gewinde aufweisen, so dass das Gehäuse vorzugsweise in dem Strömungsrohr fixierbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Halteelement beispielsweise eine einfache Anschlagsfläche umfassen, mittels derer das Gehäuse an das Strömungsrohr angelegt werden kann. Beispielsweise kann das Gehäuse einen Bund umfassen, beispielsweise einen umlaufenden vorstehenden Rand an dem Gehäuse, welcher auf dem Strömungsrohr aufliegt, wenn das Gehäuse in das Strömungsrohr eingeschoben oder eingesteckt wird, so dass eine Tiefenbegrenzung des Einschiebens bzw. Einsteckens erfolgt. Allgemein kann das Halteelement derart ausgestaltet sein, dass dieses das Gehäuse in mindestens einer Dimension relativ zu dem Strömungsrohr positioniert, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung und/oder senkrecht zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs. So kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, das Gehäuse derart zu dem Strömungsrohr positioniert werden, dass dieses stets in gleicher Tiefe in das Strömungsrohr hineinragt. Das Halteelement kann mit mindestens einem strömungsrohrseitigen Halteelement zusammenwirken. Retaining element in a position and / or orientation relative to the flow tube is fixable, wherein a fixation in one, two or three dimensions is possible. Under a holding element is generally an element to understand, which can establish a connection between the housing and the flow tube. This connection can be for example a non-positive and / or positive and / or material connection. For example, the holding element may comprise at least one thread. For example, the at least one retaining element of the housing cooperate with at least one element of the flow tube, for example with a mating thread. Thus, for example, both the housing and the flow tube each have at least one thread, so that the housing is preferably fixable in the flow tube. Alternatively or additionally, the holding element, for example, comprise a simple stop surface, by means of which the housing can be applied to the flow tube. For example, the housing may comprise a collar, for example, a circumferential projecting edge on the housing, which rests on the flow tube when the housing is inserted or inserted into the flow tube, so that a depth limitation of the insertion or insertion takes place. In general, the holding element can be designed such that it positions the housing in at least one dimension relative to the flow tube, for example in a direction perpendicular to the main flow direction and / or perpendicular to a tube axis of the flow tube. For example, as stated above, the housing can be positioned relative to the flow tube in such a way that it always projects into the flow tube at the same depth. The holding element can cooperate with at least one flow tube-side holding element.
Das Gehäuse weist, wie oben beschrieben, mindestens ein Außengehäuse und mindestens ein von dem Außengehäuse zumindest teilweise umschlossenes The housing has, as described above, at least one outer housing and at least one of the outer housing at least partially enclosed
Innengehäuse auf. Beispielsweise können das Außengehäuse und/oder das Inner housing on. For example, the outer housing and / or the
Innengehäuse zumindest teilweise rohrförmig ausgestaltet sein, so dass im Folgenden, ohne Beschränkung möglicher weiterer Ausgestaltungen, bei Bezugnahme auf dasBe configured at least partially tubular, so that in the following, without limitation, other possible embodiments, with reference to the
Außengehäuse auch von einem Außenrohr gesprochen wird, und bei Bezugnahme auf das Innengehäuse auch von einem Innenrohr. Das Außengehäuse kann beispielsweise das Innengehäuse ringförmig umschließen. Zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse ist der Spalt, beispielsweise der Ringspalt, ausgebildet, welcher sich vorzugsweise um das gesamte Innengehäuse herum oder lediglich um einen Teil desOutside housing is also spoken by an outer tube, and with reference to the inner housing of an inner tube. The outer housing may, for example, enclose the inner housing in an annular manner. Between the outer casing and the inner casing, the gap, for example the annular gap, is formed, which preferably surrounds the entire inner casing or only around a part of the inner casing
Innengehäuses erstrecken kann, vorzugsweise um mindestens 80% des Innengehäuses. Der Ringspalt kann das Innengehäuse zumindest teilweise umschließen. Inner housing may extend, preferably at least 80% of the inner housing. The annular gap may at least partially enclose the inner housing.
Das Gehäuse ist derart ausgebildet, dass das fluide Medium in den Spalt einströmen kann, um zu dem Sensorelement zu gelangen und anschließend durch das Innengehäuse zurück in das Strömungsrohr zu strömen. Beispielsweise kann das Innengehäuse mindestens einen Innenraum aufweisen, beispielsweise einen im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Innenraum, durch welchen das fluide Medium zurück in das Strömungsrohr strömen kann. Beispielsweise kann das fluide Medium in einer axialen Richtung in den Ringspalt einströmen, zu dem Sensorelement gelangen, und The housing is configured such that the fluid medium can flow into the gap to get to the sensor element and then to flow through the inner housing back into the flow tube. For example, the inner housing may have at least one inner space, for example a substantially cylindrically shaped inner space through which the fluid medium can flow back into the flow tube. For example, the fluid medium can flow in an axial direction into the annular gap, get to the sensor element, and
anschließend in einer entgegengesetzten axialen Richtung wieder durch das Innengehäuse zurück in das Strömungsrohr strömen. Unter einer axialen Richtung ist dabei allgemein eine Richtung parallel zu einer Achse der Sensorvorrichtung zu verstehen. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sein, so dass die Achse beispielsweise eine Rotationsachse des Gehäuses und/oder eines Teils des Gehäuses sein kann. Beispielsweise kann das Gehäuse derart in dem Strömungsrohr fixierbar sein, insbesondere mittels des Halteelements, dass die Achse im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist, wobei die Hauptströmungsrichtung beispielsweise parallel zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs ausgerichtet sein kann. Unter im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Abweichung von einer senkrechten Ausrichtung, bzw. einer parallelen Ausrichtung zu verstehen, welche nicht mehr als 30° beträgt, vorzugsweise nicht mehr als 15° und insbesondere nicht mehr als 5° und besonders bevorzugt 0°. Das Strömungsrohr kann beispielsweise einen Durchmesser von 30 mm bis 150 mm aufweisen, beispielsweise einen Durchmesser von 50 mm bis 100 mm und besonders bevorzugt einen Strömungsrohrquerschnitt von 70 mm. So können beispielsweise je nach Hubraum eines Motors Querschnitte der Abgasanlagen unterschiedlich gestaltet sein. Übliche Rohrdurchmesser bei PKW liegen bei 30 mm bis 100 mm. Im NKW-Bereich liegen die Durchmesser üblicherweise bei 100 mm bis 150 mm. Auch andere then again in an opposite axial direction through the Flow the inner housing back into the flow tube. An axial direction is to be understood as meaning in general a direction parallel to an axis of the sensor device. For example, the sensor device may be designed substantially cylindrical, so that the axis may be, for example, a rotation axis of the housing and / or a part of the housing. For example, the housing may be fixable in the flow tube, in particular by means of the holding element, that the axis is aligned substantially perpendicular to the main flow direction, wherein the main flow direction may be aligned, for example parallel to a tube axis of the flow tube. In the context of the present invention, the term "substantially perpendicular or substantially parallel" is generally understood to mean a deviation from a vertical orientation or a parallel orientation which is not more than 30 °, preferably not more than 15 ° and in particular not more than 5 ° and more preferably 0 °. The flow tube may, for example, have a diameter of 30 mm to 150 mm, for example a diameter of 50 mm to 100 mm and particularly preferably a flow tube cross section of 70 mm. For example, depending on the displacement of an engine cross sections of the exhaust systems can be designed differently. Usual pipe diameters for passenger cars are between 30 mm and 100 mm. In commercial vehicles, the diameters are usually 100 mm to 150 mm. Others too
Durchmesser sind jedoch möglich. Das fluide Medium, insbesondere das Abgas, kann beispielsweise mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1 bis 300 Metern pro Sekunde oder sogar mit Strömungsgeschwindigkeiten von über 300 Metern pro Sekunde durch das Strömungsrohr strömen, beispielsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 bis 7 Metern pro Sekunde. Die Strömungsgeschwindigkeit kann wiederum abhängig sein beispielsweise von einem Querschnitt der Abgasanlage und/oder einem  Diameters are possible. For example, the fluid medium, particularly the exhaust, may flow through the flow tube at an average flow rate of from 1 to 300 meters per second, or even at flow rates in excess of 300 meters per second, for example at a flow rate of from 2 to 7 meters per second. The flow rate may in turn be dependent on, for example, a cross section of the exhaust system and / or a
Betriebspunkt des Motors. Operating point of the motor.
Zur Vermeidung der oben beschriebenen Problematik wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgeschlagen, das Gehäuse derart To avoid the problem described above, in the context of the present invention, in particular, the housing is thus proposed
auszugestalten, dass die Eintrittsöffnung von einer Innenwand des Strömungsrohrs beabstandet angeordnet ist. Das Halteelement kann insbesondere derart eingerichtet sein, dass die Eintrittsöffnung von der Innenwand um mindestens 3 mm beabstandet ist, insbesondere um mindestens 5 mm. Beispielsweise kann die Eintrittsöffnung von der Innenwand um 3 mm bis 20 mm beabstandet sein, insbesondere um 5 mm bis 15 mm und besonders bevorzugt um 10 mm. Das Halteelement kann weiterhin derart eingerichtet sein, dass die Austrittsöffnung weiter von der Innenwand beabstandet ist als die to design that the inlet opening is arranged at a distance from an inner wall of the flow tube. The retaining element may in particular be arranged such that the inlet opening is spaced from the inner wall by at least 3 mm, in particular by at least 5 mm. For example, the inlet opening may be spaced from the inner wall by 3 mm to 20 mm, in particular by 5 mm to 15 mm and particularly preferably by 10 mm. The holding element can continue to be set up in this way be that the outlet opening is further spaced from the inner wall than the
Eintrittsöffnung. Insbesondere kann die Austrittsöffnung von der Innenwand um mindestens 5 mm beabstandet sein, vorzugsweise um mindestens 10 mm. Insbesondere kann die Austrittsöffnung von der Innenwand um 8 mm bis 30 mm beabstandet sein, beispielsweise um 10 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt um 15 mm. Inlet opening. In particular, the outlet opening may be spaced from the inner wall by at least 5 mm, preferably by at least 10 mm. In particular, the outlet opening may be spaced from the inner wall by 8 mm to 30 mm, for example by 10 mm to 20 mm and particularly preferably by 15 mm.
Das Halteelement kann also beispielsweise derart eingerichtet sein, dass ein sich innerhalb des Strömungsrohrs befindlicher Teil der Sensorvorrichtung und ein sich außerhalb des Strömungsrohrs befindlicher Teil der Sensorvorrichtung definiert werden. Das Sensorelement kann in dem äußeren Teil angeordnet sein, insbesondere zurThe holding element can thus be configured, for example, such that a part of the sensor device located inside the flow tube and a part of the sensor device located outside the flow tube are defined. The sensor element can be arranged in the outer part, in particular for
Kühlung des Sensorelements. Ein Abstand des Sensorelements zu der Innenwand des Strömungsrohrs kann insbesondere mindestens 20 mm betragen, vorzugsweise mindestens 30 mm und besonders bevorzugt mindestens 40 mm. Die Sensorvorrichtung und insbesondere das Gehäuse kann insbesondere mindestens einen außerhalb des Strömungsrohrs angeordneten Kühlkörper umfassen, insbesondere einen Kühlkörper mit mindestens einer Kühlrippe. Beispielsweise kann auch mindestens eine Kühlrippe vorgesehen sein, welche gleichzeitig als Strahlungsschutzblech wirkt. Cooling of the sensor element. A distance of the sensor element to the inner wall of the flow tube can be in particular at least 20 mm, preferably at least 30 mm and particularly preferably at least 40 mm. The sensor device and in particular the housing may in particular comprise at least one heat sink arranged outside the flow tube, in particular a heat sink with at least one cooling fin. For example, at least one cooling rib may be provided, which simultaneously acts as a radiation protection sheet.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens ein Temperierelement umfassen. Beispielsweise kann dieses mindestens eine Temperierelement mindestens ein The sensor device may further comprise at least one tempering element. For example, this at least one tempering at least one
Heizelement umfassen. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung beispielsweise mindestens eine Temperatursteuerung und/oder mindestens eine Temperaturregelung aufweisen. Das mindestens eine Temperierelement und vorzugsweise die mindestens eine  Include heating element. Furthermore, the sensor device may, for example, have at least one temperature control and / or at least one temperature control. The at least one tempering element and preferably the at least one
Temperatursteuerung oder Temperaturregelung können insbesondere eingerichtet sein, um eine Temperatur des Sensorelements einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln. Temperature control or temperature control can be set up in particular to set a temperature of the sensor element, in particular to control or regulate.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens ein Filterelement umfassen, wobei beispielsweise mindestens ein Filterelement vorgesehen sein kann, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemischen Filter, einem Katalysator, einer The sensor device may further comprise at least one filter element, wherein, for example, at least one filter element may be provided, selected from the group consisting of: a chemical filter, a catalyst, a
strömungstechnischen Maßnahme, beispielsweise einem Tropfenabscheider und/oder einem Partikelabscheider. fluidic measure, such as a mist eliminator and / or a Partikelabscheider.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorsystem In a further aspect of the present invention, a sensor system
vorgeschlagen, welches eine Sensorvorrichtung gemäß einer oder mehreren der oben oder nachfolgend noch beschriebenen Ausgestaltungen sowie mindestens ein Strömungsrohr aufweist, wobei die Sensorvorrichtung mittels des Halteelements mit dem Strömungsrohr verbunden ist. Beispielsweise kann das Sensorsystem, wie oben beschrieben, durch mindestens eine Öffnung in dem Strömungsrohr in das Innere des Strömungsrohrs hineinragen. Für weitere mögliche Ausgestaltungen des Sensorsystems kann auf die obige Beschreibung der Sensorvorrichtung verwiesen werden. proposed, which is a sensor device according to one or more of the above or below described embodiments as well as at least one Has flow tube, wherein the sensor device is connected by means of the holding member with the flow tube. For example, as described above, the sensor system may protrude into the interior of the flow tube through at least one opening in the flow tube. For further possible embodiments of the sensor system, reference may be made to the above description of the sensor device.
Die vorgeschlagene Sensorvorrichtung und das Sensorsystem in einer oder mehreren der oben oder nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen weisen gegenüber bekannten Sensorvorrichtungen und Sensorsystemen eine Reihe von Vorteilen auf. So ist diese insbesondere mit neuen Sensorelementen als Abgassensoren einsetzbar, bei welchen das Sensorelement beispielsweise als Miniaturbauteil auf sehr kleinem Bauraum in kubischer Form ausgeführt ist. Derartige Sensorelemente sind beispielsweise in DE 10 2007 040 726 A1 beschrieben. Mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung sind typische Hauptforderungen an den Verbau derartiger Sensorelemente gut zu erfüllen. Diese Hauptforderungen bestehen insbesondere darin, dass eine Betriebstemperatur des Sensorelements unter der Temperatur aktueller Sensoren liegt und vorzugsweise unterhalb maximal auftretender Abgastemperaturen. Beispielsweise können typische Betriebstemperaturen des Sensorelements bei 300 °C liegen und typische The proposed sensor device and the sensor system in one or more embodiments described above or below have a number of advantages over known sensor devices and sensor systems. Thus, this can be used in particular with new sensor elements as exhaust gas sensors, in which the sensor element is designed, for example, as a miniature component in a very small space in a cubic shape. Such sensor elements are described for example in DE 10 2007 040 726 A1. By means of the proposed sensor device, typical main requirements for the installation of such sensor elements can be fulfilled well. These main requirements are in particular that an operating temperature of the sensor element is below the temperature of current sensors and preferably below maximum occurring exhaust gas temperatures. For example, typical operating temperatures of the sensor element may be 300 ° C and typical
Abgastemperaturen, je nach Einbauposition, beispielsweise bei 700 °C bis kurzzeitig 1000 °C oder sogar dauerhaft bis 1000 °C. Im Betrieb kann das Sensorelement kontinuierlich elektrisch beheizt werden, beispielsweise mittels des Temperierelements, und die Temperatur kann hierbei beispielsweise geregelt werden. Die Abgastemperatur kann beispielsweise an jedem Betriebspunkt des Motors unter der maximalen Exhaust gas temperatures, depending on installation position, for example at 700 ° C to briefly 1000 ° C or even permanently up to 1000 ° C. In operation, the sensor element can be heated electrically continuously, for example by means of the tempering element, and the temperature can be regulated in this case, for example. The exhaust gas temperature may, for example, at each operating point of the engine below the maximum
Betriebstemperatur des Sensorelements liegen. Bei bisherigen Sensorelementen muss in der Regel eine Mindest-Temperatur erreicht werden. Eine höhere Gastemperatur ist in vielen Fällen für das Sensorelement eher unkritisch und im Sinne eines geringeren Heizleistungsbedarfs eher erwünscht. Weiterhin lassen sich mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtungen auch die Anforderungen üblicher Sensorvorrichtungen an die Dynamik gut erfüllen. So lässt sich mittels der Sensorvorrichtung ein Transport des fluiden Mediums, insbesondere ein Gastransport, zum Sensorelement zumindest Operating temperature of the sensor element are. With previous sensor elements, a minimum temperature must generally be achieved. A higher gas temperature is rather uncritical for the sensor element in many cases and rather desirable in the sense of a lower heating power requirement. Furthermore, by means of the proposed sensor devices, the requirements of conventional sensor devices on the dynamics can also be met well. Thus, by means of the sensor device, a transport of the fluid medium, in particular a gas transport, to the sensor element at least
näherungsweise verzögerungsfrei realisieren. Besonders vorteilhaft ist die Realize approximately instantaneous. Particularly advantageous is the
vorgeschlagene Sensorvorrichtung jedoch hinsichtlich der Anforderungen bezüglich Schutz vor Tropfen- und Partikelschlag sowie hinsichtlich einer Resistenz gegenüber Verschmutzungen beispielsweise durch Ruß. Durch die Anordnung des Sensorelements räumlich außerhalb des Strömungsrohrs sowie optional eine geeignete Geometrie des Gehäuses kann sichergestellt werden, dass das Sensorelement mit einer ausreichenden Menge an fluidem Medium versorgt wird. proposed sensor device, however, in terms of requirements for protection against drops and particle impact and resistance to contamination, for example by soot. The arrangement of the sensor element spatially outside the flow tube and optionally a suitable geometry of the housing can ensure that the sensor element is supplied with a sufficient amount of fluid medium.
Weiterhin kann das fluide Medium auch auf seinem Weg zum Sensorelement gekühlt werden, beispielsweise durch den oben genannten mindestens einen Kühlkörper, beispielsweise durch Kühlrippen, welche auf einer Außenseite des Gehäuses außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein können, derart, dass diese einen Strömungsweg zwischen der Eintrittsöffnung und dem Sensorelement kühlen können. Auch eine Furthermore, the fluid medium can also be cooled on its way to the sensor element, for example by the above-mentioned at least one heat sink, for example by cooling fins, which can be arranged on an outer side of the housing outside the flow tube, such that it has a flow path between the inlet opening and can cool the sensor element. Also one
Ausgestaltung ohne derartige Kühlrippen ist jedoch grundsätzlich möglich. Design without such cooling fins, however, is possible in principle.
Mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung lassen sich also mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen, mit einem Konstruktionsprinzip, welches sich weitgehend an die Geometrie von bekannten Gehäusen für Abgassensoren anlehnen kann. Hierdurch ergibt sich eine Kostenersparnis sowie die Möglichkeit einer Nutzung bereits vorhandener Infrastrukturen. Zur Realisierung der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise nur vergleichsweise geringe mechanische Modifikationen bekannter Gehäusegeometrien nötig. Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine Teilstromentnahme von fluidem Medium, beispielsweise von Abgas, aus einem Hauptstrom in dem Strömungsrohr und By means of the proposed sensor device, therefore, several requirements can be met simultaneously, with a design principle which can largely be based on the geometry of known casings for exhaust gas sensors. This results in cost savings and the possibility of using existing infrastructures. For the realization of the present invention, for example, only comparatively small mechanical modifications of known housing geometries are necessary. The invention further enables partial flow sampling of fluid medium, for example exhaust gas, from a main flow in the flow tube and
vorzugsweise dessen Kühlung auf dem Weg zum Einbauort des Sensorelements. Somit wird das fluide Medium, beispielsweise das Abgas, vorzugsweise in jedem Betriebspunkt mit einer Temperatur zum Sensor gelangen, die unter der eigentlichen Betriebstemperatur des Sensors liegt. Weiterhin kann die Zuführung des entnommenen fluiden Mediums, beispielsweise des Abgases, mit einer derartig großen Geschwindigkeit zum Einbauort des Sensorelements in dem Gehäuse erfolgen, dass eine ausreichende Dynamik zur Messung von Konzentrationsänderungen sichergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung eine weitgehend von einem Verdrehwinkel des Sensors gegenüber der Anströmung unabhängige Funktion der Gasentnahme realisiert werden kann. Insbesondere kann die Eintrittsöffnung derart ausgestaltet werden, dass diese das Innengehäuse und/oder die Austrittsöffnung ringförmig vollständig oder teilweise umschließt. Die Sensorvorrichtung kann derart konstruiert werden, dass eine Funktion der Sensorvorrichtung zumindest weitgehend unabhängig ist von einer Verdrehung der Sensorvorrichtung um eine Achse der preferably its cooling on the way to the installation location of the sensor element. Thus, the fluid medium, for example, the exhaust gas, preferably at any operating point with a temperature reach the sensor, which is below the actual operating temperature of the sensor. Furthermore, the supply of the removed fluid medium, for example of the exhaust gas, can take place with such a high speed to the installation location of the sensor element in the housing, that sufficient dynamics for measuring changes in concentration can be ensured. Another advantage is that with the sensor device according to the invention, a largely independent of a rotation angle of the sensor relative to the flow independent function of the gas sampling can be realized. In particular, the inlet opening can be designed such that it encloses the inner housing and / or the outlet opening annularly completely or partially. The sensor device can be constructed in such a way that a function of the sensor device is at least largely independent of a rotation of the sensor device about an axis of the sensor device
Sensorvorrichtung. Weiterhin kann auch eine Filterung und/oder Vorbehandlung des entnommenen fluiden Mediums vor der eigentlichen Messung erfolgen. Zu diesem Zweck können, wie oben beschrieben, beispielsweise ein oder mehrere Filterelemente vorgesehen sein. Dieses mindestens eine Filterelement kann beispielsweise in dem Spalt zwischen der Sensor device. Furthermore, filtering and / or pretreatment of the removed fluid medium may also take place before the actual measurement. For this purpose, as above described, for example, be provided one or more filter elements. This at least one filter element can, for example, in the gap between the
Eintrittsöffnung und dem Sensorelement angeordnet sein. Beispielsweise kann hier eine chemische Filterung und/oder eine Katalyse erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können strömungstechnische Maßnahmen zur Tropfenabscheidung und/oder Partikelabscheidung ergriffen werden, bevor derartige Verunreinigungen auf das Sensorelement auftreffen. Be arranged inlet opening and the sensor element. For example, a chemical filtering and / or catalysis can take place here. Alternatively or additionally, fluidic measures for droplet separation and / or particle separation can be taken before such impurities strike the sensor element.
Die Sensorvorrichtung kann, wie oben beschrieben, ein Gehäuse mit Schutzrohren umfassen, also beispielsweise einem Außenrohr und einem Innenrohr, wobei das Gehäuse derart geometrisch ausgeführt werden kann, dass eine im Hinblick auf die oben genannten Anforderungen optimale Anströmung eines Sensorelements, beispielsweise eines Halbleitersensors ermöglicht wird. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens einen Halbleitersensor zur Messung von Konzentrationen eines oder mehrerer verschiedener Gase im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beinhalten. The sensor device can, as described above, comprise a housing with protective tubes, that is, for example, an outer tube and an inner tube, wherein the housing can be made geometrically such that an optimum flow of a sensor element, for example a semiconductor sensor, is made possible in view of the above-mentioned requirements , For example, the sensor element may include at least one semiconductor sensor for measuring concentrations of one or more different gases in the exhaust gas of an internal combustion engine.
Das oben beschriebene Halteelement kann beispielsweise mindestens einen Bund umfassen, welcher zur Anlage an dem Strömungsrohr vorgesehen ist. Die The holding element described above may, for example, comprise at least one collar, which is provided for engagement with the flow tube. The
Sensorvorrichtung kann eine Strömungsführung beinhalten, bei welcher der abgezweigte Teilstrom geometrisch aus dem Strömungsrohr, beispielsweise dem Abgasrohr, hinausgeführt wird und beispielsweise an einer Position in möglichst großem Abstand von der Außenwand des Abgasrohrs umgelenkt wird, um über das Sensorelement und anschließend zurück in das Strömungsrohr geführt zu werden. Sensor device may include a flow guide, in which the branched partial flow is geometrically out of the flow tube, for example, the exhaust pipe and is deflected, for example, at a position in the greatest possible distance from the outer wall of the exhaust pipe, passed over the sensor element and then back into the flow tube to become.
Die Funktionsweise einer Teilstromentnahme aus einer Hauptströmung durch das Strömungsrohr, beispielsweise aus einem Hauptabgasmassenstrom, kann insbesondere nach einem bereits von einer Lambda-Sonde bekannten Prinzip erfolgen. Die Schutzrohre des Sondengehäuses können Ein- und Austrittsöffnungen für das Abgas umfassen. In der Nähe der mindestens einen Eintrittsöffnung kann beispielsweise durch eine Stauzone, beispielsweise in Form eines senkrecht zum Hauptgasstrom ausgerichteten Teils der Schutzrohre, eine Verzögerung der Strömung mit der Folge eines Anstiegs des statischen Drucks in der Strömung hervorgerufen werden. Gleichzeitig kann durch eine Verringerung eines freien Querschnitts des Strömungsrohrs, insbesondere des Abgasrohrs, durch den Einbau der Sensorvorrichtung eine Beschleunigung der Strömung und damit The mode of operation of a partial flow take-off from a main flow through the flow tube, for example from a main exhaust gas mass flow, can take place in particular according to a principle already known from a lambda probe. The protective tubes of the probe housing may include inlet and outlet openings for the exhaust gas. In the vicinity of the at least one inlet opening, a delay of the flow with the consequence of an increase of the static pressure in the flow can be caused, for example, by a congestion zone, for example in the form of a part of the protective tubes oriented perpendicular to the main gas flow. At the same time by a reduction of a free cross section of the flow tube, in particular of the exhaust pipe, by the installation of the sensor device, an acceleration of the flow and thus
einhergehend ein Absinken des statischen Drucks in der Strömung im Bereich der Austrittsöffnung realisiert werden. Diese Druckdifferenz zwischen der Stauzone und engstem Querschnitt kann eine treibende Kraft für die Durchströmung der accompanied by a decrease in the static pressure in the flow in the region of the outlet opening can be realized. This pressure difference between the congestion zone and narrowest cross-section can be a driving force for the flow through the
Sensorvorrichtung bilden. Form sensor device.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt sind. Im Einzelnen zeigen: Further details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in Figures 1 and 2. In detail show:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und Figure 1 shows an embodiment of a sensor device according to the invention; and
Figur 2 ein Strömungsrohr mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gemäß Figur 1 im eingebauten Zustand. Figure 2 shows a flow tube with the sensor device according to the invention according to Figure 1 in the installed state.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch ein Strömungsrohr (angedeutet durch die Bezugsziffer 112) strömenden fluiden Mediums in einer Schnittdarstellung gezeigt. Figur 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Sensorvorrichtung 110 in einem in ein Strömungsrohr 112, im Folgenden auch als Abgasrohr bezeichnet, verbauten Zustand. Auf beide Figuren wird im Folgenden gemeinsam Bezug genommen. Die Sensorvorrichtung 110 und das Strömungsrohr 112 bilden gemeinsam Bestandteile eines Sensorsystems 11 1. FIG. 1 shows a sectional view of a sensor device 110 according to the invention for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a flow tube (indicated by the reference numeral 112). FIG. 2 shows a perspective illustration of the sensor device 110 in a state installed in a flow tube 112, hereinafter also referred to as an exhaust tube. Both figures will be referred to collectively below. The sensor device 110 and the flow tube 112 together form components of a sensor system 11 1.
Die Sensorvorrichtung 110 umfasst ein Gehäuse 114, welches durch eine Öffnung 116 im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 118 des fluiden Mediums in dem Strömungsrohr 112 in das Strömungsrohr 112 hineinragt. Das Gehäuse 1 14 weist ein Außengehäuse 120 und ein Innengehäuse 122 auf. Das Außengehäuse 120 umgibt das Innengehäuse 122 ringförmig, so dass zwischen dem Außengehäuse 120 und dem Innengehäuse 122 ein Ringspalt 124 ausgebildet ist. An einer Oberseite des The sensor device 110 comprises a housing 114, which projects into the flow tube 112 through an opening 116 substantially perpendicular to a main flow direction 118 of the fluid medium in the flow tube 112. The housing 1 14 has an outer housing 120 and an inner housing 122. The outer housing 120 surrounds the inner housing 122 in an annular manner, so that an annular gap 124 is formed between the outer housing 120 and the inner housing 122. At a top of the
Außengehäuses 120, also in einem Bereich, in welchem das Außengehäuse 120 vorzugsweise am weitesten in das Strömungsrohr 122 hineinragt, ist eine Eintrittsöffnung 126 vorgesehen, welche beispielsweise das Innengehäuse 122 ringförmig umschließen kann. Im Bereich dieser Eintrittsöffnung 126 bildet sich, wie oben beschrieben, eine Stauzone 128 aus. Weiterhin ist am oberen Ende des Innengehäuses 122, welches am weitesten in das Strömungsrohr 112 hineinragt und welches beispielsweise an seinem oberen Ende konisch zulaufend ausgestaltet sein kann, eine Austrittsöffnung 130 vorgesehen. In diesem Bereich bildet sich, wie oben ebenfalls beschrieben, eine Outer housing 120, that is, in a region in which the outer housing 120 preferably protrudes furthest into the flow tube 122, an inlet opening 126 is provided, which can surround, for example, the inner housing 122 annular. In the region of this inlet opening 126 forms, as described above, a Stowage zone 128 off. Furthermore, an outlet opening 130 is provided at the upper end of the inner housing 122, which protrudes furthest into the flow tube 112 and which may be designed, for example, tapered at its upper end. In this area forms, as also described above, a
Unterdruckzone 132 aus. Vacuum zone 132 off.
Das fluide Medium oder ein Teilstrom des fluiden Mediums, welches von einem The fluid medium or a partial flow of the fluid medium, which of a
Hauptstrom in dem Strömungsrohr 112 abgezweigt wird, kann an der Eintrittsöffnung 126, wie in Figur 1 durch Pfeile angedeutet, in den Ringspalt 124 eintreten, durchströmt diesen in einer axialen Richtung der Sensorvorrichtung 110, wird am unteren Ende umgelenkt und gelangt zu einem Sensorelement 134. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieses Sensorelements 134 kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Der Teilstrom kann beispielsweise auf seinem Weg von der Eintrittsöffnung 126 zu dem Sensorelement 134 gekühlt werden, beispielsweise durch einen oder mehrere in Figur 1 nicht näher dargestellte Kühlkörper auf einer Außenseite außerhalb des Strömungsrohrs 112. Der Teilstrom kann beispielsweise mindestens eine Messoberfläche 136 des Sensorelements 134 überströmen. Anschließend wird der Teilstrom wieder umgelenkt und durchströmt in gegenläufig axiale Richtung das Innengehäuse 122 und tritt an der Austrittsöffnung 130 wieder aus dem Gehäuse 114 aus. Die Strömung des Teilstroms wird insgesamt durch die Druckdifferenz zwischen der Stauzone 128 und der Main flow is branched off in the flow tube 112, at the inlet opening 126, as indicated in Figure 1 by arrows, enter the annular gap 124, flows through this in an axial direction of the sensor device 110, is deflected at the lower end and reaches a sensor element 134th With regard to possible embodiments of this sensor element 134, reference may be made, for example, to the above description. The partial flow can be cooled, for example, on its way from the inlet opening 126 to the sensor element 134, for example by one or more heat sinks not shown in detail in FIG. 1 on an outside outside of the flow tube 112. The partial flow can overflow at least one measuring surface 136 of the sensor element 134, for example , Subsequently, the partial flow is deflected again and flows through the inner housing 122 in the opposite axial direction and exits the housing 114 again at the outlet opening 130. The flow of the partial flow is in total by the pressure difference between the storage zone 128 and the
Unterdruckzone 132 angetrieben. Vacuum zone 132 driven.
Das Gehäuse 1 14 umfasst mindestens ein Halteelement 138. Unter einem Halteelement kann allgemein ein Verbindungselement verstanden werden, welches eingerichtet ist, um das Gehäuse 114 mit dem Strömungsrohr 112 zu verbinden. Im dargestellten The housing 1 14 comprises at least one retaining element 138. A retaining element can generally be understood as meaning a connecting element which is set up to connect the housing 114 to the flow tube 112. In the illustrated
Ausführungsbeispiel kann das Halteelement 138 beispielsweise einen Bund 140 umfassen, welcher auf einer Außenseite 142 des Strömungsrohrs 112 aufliegen kann. Der Bund 140 kann beispielsweise kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Strömungsrohr 112 verbunden werden. So kann beispielsweise mindestens ein Gewinde vorgesehen sein. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Unter einem Bund ist im Allgemeinen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Anschlag zu verstehen, welcher eine Positionierung, For example, the retaining element 138 may include a collar 140, which may rest on an outer side 142 of the flow tube 112. The collar 140 can be connected to the flow tube 112 in a non-positive and / or materially bonded and / or form-fitting manner, for example. For example, at least one thread can be provided. Other configurations are possible in principle. In the context of the present invention, a collar is generally to be understood as an arbitrary stop, which has a positioning,
insbesondere eine Begrenzung einer Einstecktiefe, der Sensorvorrichtung 110 relativ zu dem Strömungsrohr 112 bewirkt. Das Halteelement 138 ist derart dimensioniert, dass das Sensorelement 134 außerhalb des Strömungsrohrs 112, insbesondere außerhalb eines Innenbereichs des In particular, a limitation of an insertion depth, the sensor device 110 causes relative to the flow tube 112. The holding element 138 is dimensioned such that the sensor element 134 outside the flow tube 112, in particular outside an inner region of the
Strömungsrohrs 112, angeordnet ist. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen einer Innenwand 1 4 des Strömungsrohrs 1 12 und der Eintrittsöffnung 126, welche in Figur 1 mit di bezeichnet ist, 3 mm bis 20 mm betragen, insbesondere 5 mm bis 15 mm und besonders bevorzugt 10 mm. Ein Abstand d2 zwischen der Eintrittsöffnung 126 und der Außenseite 142 des Strömungsrohrs 112 kann beispielsweise um 2 bis 10 mm, insbesondere um 3 bis 7 mm und besonders bevorzugt um 10 mm größer sein als der Abstand di. Je nach Ausführung des Strömungsrohrs 112 kann der Abstand d2 auch unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können in diesem oder auch in anderen Ausführungsbeispielen typische Wandstärken (d2 - d-i) des Strömungsrohrs 112, beispielsweise eines einfachen Abgasrohrs, 1 mm bis 10 mm betragen, insbesondere 2 mm bis 3 mm. Insbesondere bei doppelwandigen, luftspaltisolierten Abgasanlagen können auch zwei oder mehr Bleche vorgesehen sein, beispielsweise jeweils mit einer Dicke von 1 mm bis 5 mm, insbesondere 2 mm, und einem Luftspalt von beispielsweise 1 mm bis 10 mm, insbesondere 2 mm bis 5 mm. Ein Abstand d3 zwischen der Innenwand 144 und dem Sensorelement 134 beispielsweise der Messoberfläche 136, kann beispielsweise mindestens 20 mm betragen, vorzugsweise mindestens 30 mm und besonders bevorzugt mindestens 40 mm. Beispielsweise kann dieser Abstand 20 bis 60 mm betragen. Flow tube 112, is arranged. For example, a distance between an inner wall 1 4 of the flow tube 1 12 and the inlet opening 126, which is denoted di in FIG. 1, can be 3 mm to 20 mm, in particular 5 mm to 15 mm and particularly preferably 10 mm. A distance d 2 between the inlet opening 126 and the outside 142 of the flow tube 112 may be, for example, 2 to 10 mm, in particular 3 to 7 mm and particularly preferably 10 mm greater than the distance di. Depending on the design of the flow tube 112, the distance d 2 may also be designed differently. For example, in this or in other exemplary embodiments, typical wall thicknesses (d 2 - di) of the flow pipe 112, for example a simple exhaust pipe, may be 1 mm to 10 mm, in particular 2 mm to 3 mm. In particular, in the case of double-walled, air-gap-insulated exhaust systems, two or more sheets may also be provided, for example each with a thickness of 1 mm to 5 mm, in particular 2 mm, and an air gap of, for example, 1 mm to 10 mm, in particular 2 mm to 5 mm. A distance d 3 between the inner wall 144 and the sensor element 134, for example the measuring surface 136, may be for example at least 20 mm, preferably at least 30 mm and particularly preferably at least 40 mm. For example, this distance can be 20 to 60 mm.
Die Funktionsweise der Teilstromentnahme aus dem Hauptabgasmassenstrom in der Anordnung gemäß den Figuren 1 und 2 kann beispielsweise nach dem bereits aus einer Lambda-Sonde bekannten Prinzip, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik, erfolgen. So bildet sich, wie oben beschrieben, die Stauzone 128 in Form einer Überdruckzone an einer der Hauptströmungsrichtung 118 entgegenweisenden Seite der Eintrittsöffnung 126 aus. Die Unterdruckzone 132 bildet sich aufgrund eines verringerten freien Querschnitts des Strömungsrohrs 112 aus. Beispielsweise kann das Strömungsrohr 112 die oben beschriebenen Querschnitte aufweisen, beispielsweise einen Innendurchmesser D in Figur 2 von 30 mm bis 150 mm, insbesondere von 50 mm bis 100 mm. The mode of operation of the partial flow takeoff from the main exhaust gas mass flow in the arrangement according to FIGS. 1 and 2 can take place, for example, according to the principle already known from a lambda probe, for example according to the prior art described above. Thus, as described above, the storage zone 128 forms in the form of an overpressure zone on a side of the inlet opening 126 facing the main flow direction 118. The vacuum zone 132 is formed due to a reduced free cross-section of the flow tube 112. For example, the flow tube 112 may have the cross sections described above, for example, an inner diameter D in Figure 2 of 30 mm to 150 mm, in particular from 50 mm to 100 mm.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stand der Technik ist bei der In contrast to the above-described prior art is in the
erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß den Figuren 1 und 2 die Verringerung des freien Querschnitts vorzugsweise deutlich größer, und damit einhergehend ergibt sich eine größere Druckdifferenz zwischen der Stauzone 128 und der Unterdruckzone 132. Dies führt auf einen höheren abgezweigten Teilmassenstrom, welcher eine schnellere Ansprechzeit der Sensorvorrichtung 110 und damit eine erhöhte Dynamik zur Folge hat. Durch die in den Innenbereich des Strömungsrohres 112 hinein hochgezogene According to the embodiment of the invention according to Figures 1 and 2, the reduction of the free cross-section preferably significantly larger, and, consequently, results in a larger pressure difference between the storage zone 128 and the vacuum zone 132nd This leads to a higher branched partial mass flow, which has a faster response time of the sensor device 110 and thus increased dynamics result. By pulled into the interior of the flow tube 112 in
Seitenwand des Außengehäuses 120 wird, im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik, ein Einschleppen von Verunreinigungen, beispielsweise Wasser, welches als Wandfilm an der Innenwand 144 des Strömungsrohrs 112, beispielsweise des Sidewall of the outer housing 120, in contrast to the described prior art, entrainment of impurities, such as water, which as a wall film on the inner wall 144 of the flow tube 112, for example
Abgasrohrs, entlang transportiert werden kann, verhindert. Somit ist diese geometrische Ausgestaltung robuster gegenüber einem Wasserschlag auf das Sensorelement 134. Eine Optimierung der Anforderungen bezüglich maximaler Gastemperaturen an einer Verbauposition des Sensorelements 134 und bezüglich eines dynamischen Exhaust pipe, can be transported along prevented. Thus, this geometric design is more robust against a water hammer on the sensor element 134. An optimization of the requirements for maximum gas temperatures at a mounting position of the sensor element 134 and with respect to a dynamic
Ansprechsverhaltens münden in der Praxis in einem gegenläufigen Verhalten, welche auch als Temperatur-Dynamik-Schere bezeichnet wird. Eine hohe Dynamik kann beispielsweise durch einen großen Teilmassenstrom erreicht werden, der für eine schnelle Spülung des Gehäusevolumens des Gehäuses 114 mit frischem Gas sorgt. Ein hoher Massenstrom sorgt bei hohen Gastemperaturen jedoch gleichzeitig für einen hohen konvektiven Enthalpieeintrag in das Gehäuse 1 14, und somit resultieren hohe Response behavior leads in practice to an opposite behavior, which is also known as temperature-dynamic shear. High dynamics can be achieved, for example, by a large partial mass flow, which ensures rapid flushing of the housing volume of the housing 114 with fresh gas. However, a high mass flow at high gas temperatures at the same time for a high convective Enthalpieeintrag in the housing 1 14, and thus result in high
Gastemperaturen am Sensorelement 134. Zur Temperierung des Sensorelements 134 kann beispielsweise mindestens ein Temperierelement 146, insbesondere mindestens ein aktives Temperierelement 146, vorgesehen sein, welches in Figur 1 lediglich Gas temperatures at the sensor element 134. For temperature control of the sensor element 134, for example, at least one tempering element 146, in particular at least one active tempering element 146 may be provided, which in Figure 1 only
andeutungsweise dargestellt ist. Beispielsweise kann dieses Temperierelement 146 mindestens ein Heizelement und/oder mindestens ein Kühlelement umfassen. is hinted at. For example, this tempering element 146 may comprise at least one heating element and / or at least one cooling element.
Beispielsweise kann eine resistive Heizung und /oder eine resistive Kühlung vorgesehen sein. Weiterhin kann eine Temperatursteuerung, insbesondere eine Temperaturregelung vorgesehen sein. Zur Reduzierung der Gastemperatur sollte dem Gas auf seinem Weg zur Sensorposition des Sensorelements 138 vorzugsweise ein möglichst intensiver Kontakt mit kalten Oberflächen ermöglicht werden, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Gehäuse 1 14 zu ermöglichen. Eine Vergrößerung der zum For example, a resistive heating and / or a resistive cooling can be provided. Furthermore, a temperature control, in particular a temperature control can be provided. To reduce the gas temperature, the gas on its way to the sensor position of the sensor element 138 should preferably be allowed to be in contact with cold surfaces as intensively as possible in order to allow heat exchange between the gas and the housing 14. An enlargement of the
Wärmeübertrag zur Verfügung stehenden Fläche und einer Reduktion der Heat transfer available area and a reduction of
Gehäusetemperatur kann über eine Vergrößerung des Abstands vom Einbauort desCase temperature can be increased by increasing the distance from the location of the
Sensorelements 128 zur Innenwand 144 und/oder zur Außenseite 142 realisiert werden. Sensor element 128 to the inner wall 144 and / or to the outside 142 can be realized.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Sensorvorrichtung 1 10 und das Sensorsystem 111 können insbesondere in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt ist der Einsatz in einem Kraftfahrzeug. The sensor device 110 and the sensor system 111 shown in FIGS. 1 and 2 can be used, in particular, in an exhaust gas tract of an internal combustion engine. Particularly preferred is the use in a motor vehicle.

Claims

Ansprüche 1. Sensorvorrichtung (1 10) zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch ein Strömungsrohr (112) strömenden fluiden Mediums, umfassend mindestens ein Gehäuse (114) und mindestens ein in dem Gehäuse (114) aufgenommenes  Claims 1. A sensor device (1 10) for detecting at least one parameter of a fluid medium flowing through a flow tube (112), comprising at least one housing (114) and at least one accommodated in the housing (114)
Sensorelement (134) zur Erfassung des Parameters, wobei das Gehäuse (1 14) mindestens ein Außengehäuse (120) und mindestens ein von dem Außengehäuse (120) zumindest teilweise umschlossenes Innengehäuse (122) aufweist, wobei zwischen dem Außengehäuse (120) und dem Innengehäuse (122) mindestens ein Spalt, insbesondere mindestens ein Ringspalt (124), ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (114) derart ausgebildet ist, dass mindestens ein Teilstrom des fluiden Mediums durch mindestens eine Eintrittsöffnung (126) in den Spalt einströmen kann, um zu dem Sensorelement (134) zu gelangen und um anschließend durch das Sensor element (134) for detecting the parameter, wherein the housing (1 14) at least one outer housing (120) and at least one of the outer housing (120) at least partially enclosed inner housing (122), wherein between the outer housing (120) and the inner housing (122) at least one gap, in particular at least one annular gap (124) is formed, wherein the housing (114) is formed such that at least a partial flow of the fluid medium through at least one inlet opening (126) can flow into the gap to the sensor element (134) to arrive and then by the
Innengehäuse (122) über mindestens eine Austrittsöffnung (130) zurück in das Strömungsrohr (112) zu strömen, wobei das Gehäuse (1 14) weiterhin mindestens ein Halteelement (138) aufweist, wobei das Gehäuse (114) mittels des Halteelements (138) mit dem Strömungsrohr (112) verbindbar ist, wobei ein Teil des Gehäuses (114) in das Strömungsrohr (112) hineinragt, wobei die Eintrittsöffnung (126) von einerInner housing (122) via at least one outlet opening (130) back into the flow tube (112) to flow, wherein the housing (1 14) further at least one holding element (138), wherein the housing (114) by means of the holding element (138) the flow tube (112) is connectable, wherein a part of the housing (114) projects into the flow tube (112), wherein the inlet opening (126) of a
Innenwand (144) des Strömungsrohrs (112) beabstandet angeordnet ist, wobei das Sensorelement (134) außerhalb des Strömungsrohrs (1 12) angeordnet ist. Inner wall (144) of the flow tube (112) is arranged spaced, wherein the sensor element (134) outside of the flow tube (1 12) is arranged.
2. Sensorvorrichtung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das 2. Sensor device (1 10) according to the preceding claim, wherein the
Halteelement (138) derart eingerichtet ist, dass die Eintrittsöffnung (126) von der Holding element (138) is arranged such that the inlet opening (126) of the
Innenwand (144) um mindestens 3 mm beabstandet ist, insbesondere um Inner wall (144) is spaced by at least 3 mm, in particular to
mindestens 5 mm.  at least 5 mm.
3. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (138) derart eingerichtet ist, dass die Eintrittsöffnung (126) von der3. Sensor device (1 10) according to any one of the preceding claims, wherein the holding element (138) is arranged such that the inlet opening (126) of the
Innenwand (144) um 3 mm bis 20 mm beabstandet ist, insbesondere um 5 mm bis 15 mm und besonders bevorzugt um 10 mm. Inner wall (144) is spaced by 3 mm to 20 mm, in particular by 5 mm to 15 mm and particularly preferably by 10 mm.
4. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (138) derart eingerichtet ist, dass die Austrittsöffnung (130) weiter von der Innenwand (144) beabstandet ist als die Eintrittsöffnung (126). 4. Sensor device (1 10) according to any one of the preceding claims, wherein the holding element (138) is arranged such that the outlet opening (130) further from the inner wall (144) is spaced apart than the inlet opening (126).
5. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (138) derart eingerichtet ist, dass die Austrittsöffnung (130) von der Innenwand (144) um mindestens 5 mm beabstandet ist, insbesondere um mindestens 10 mm. 5. Sensor device (1 10) according to any one of the preceding claims, wherein the holding element (138) is arranged such that the outlet opening (130) from the inner wall (144) is spaced by at least 5 mm, in particular by at least 10 mm.
6. Sensorvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halteelement (138) derart eingerichtet ist, dass die Austrittsöffnung (130) von der Innenwand (144) um 8 mm bis 30 mm beabstandet ist, insbesondere um 10 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt um 15 mm. 6. Sensor device (110) according to any one of the preceding claims, wherein the holding element (138) is arranged such that the outlet opening (130) from the inner wall (144) by 8 mm to 30 mm spaced, in particular by 10 mm to 20 mm and more preferably 15 mm.
7. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand des Sensorelements (134) zu der Innenwand (144) mindestens 20 mm beträgt, vorzugsweise mindestens 30 mm und besonders bevorzugt mindestens 40 mm. 7. Sensor device (1 10) according to any one of the preceding claims, wherein a distance of the sensor element (134) to the inner wall (144) is at least 20 mm, preferably at least 30 mm and more preferably at least 40 mm.
8. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1 10) mindestens einen außerhalb des Strömungsrohrs (112) angeordneten Kühlkörper mit mindestens einer Kühlrippe aufweist. 8. Sensor device (1 10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (1 10) has at least one outside of the flow tube (112) arranged cooling body with at least one cooling fin.
9. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1 10) mindestens ein Temperierelement (146) umfasst. 9. Sensor device (1 10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (1 10) comprises at least one tempering element (146).
10. Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1 10) mindestens ein Filterelement umfasst. 10. Sensor device (1 10) according to one of the preceding claims, wherein the sensor device (1 10) comprises at least one filter element.
11. Sensorsystem, umfassend mindestens eine Sensorvorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens ein Strömungsrohr (1 12), wobei die Sensorvorrichtung (1 10) mittels des Halteelements (138) mit dem Strömungsrohr (112) verbunden ist. 11. Sensor system, comprising at least one sensor device (1 10) according to one of the preceding claims and at least one flow tube (1 12), wherein the sensor device (1 10) by means of the holding element (138) with the flow tube (112) is connected.
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