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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement sowie einen Gassensor
dieses enthaltend zur Bestimmung einer Gaskomponente oder von Partikeln
bzw. deren Konzentration in einem Messgas nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Der
effektive Einsatz von Abgasnachbehandlungssystemen setzt deren Kontrolle
hinsichtlich ihrer Funktionstüchtigkeit
im Dauereinsatz voraus. Dazu werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb
eine bspw. genaue Ermittlung der aktuell in einem Verbrennungsabgas
vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus
soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise
eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilter ermöglicht werden,
um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere
Filtermaterialien einsetzen zu können.
Für diese
Anwendung sind insbesondere resistive Russsensoren geeignet, die die
Widerstandsänderung
einer interdigitalen Elektrodenstruktur aufgrund von Rußanlagerung
zur Detektion des Rußes
heranziehen.
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So
ist aus der
DE 101
24 907 A1 ist ein Sensor zur Detektion von Ruß in einem
Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Substrats ausgeführt ist.
Er umfasst mehrere voneinander beabstandete Messelektroden, die
dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert
sich zwischen den Messelektroden Ruß ab, so kommt es zu einer
Reduzierung des Isolationswiderstandes des keramischen Materials.
Dies wird detektiert und einer Russkonzentration im Fluidstrom zugeordnet.
Ein Heizelement des Sensors ermöglicht es,
die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten
Rußpartikeln
zu befreien.
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Die
Anlagerung der Partikel erfolgt durch Elektrophorese, also durch
Einwirkung elektrischer Felder, und durch Diffusion von Partikeln
infolge der Brownschen Molekularbewegung in Abhängigkeit von der Absoluttemperatur
des Messgases. Daneben erfolgt die Anlagerung von Partikeln auf
Oberflächen
auch aufgrund von Temperaturgradienten durch sogenannte Thermophorese.
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Im
Abgasstrang eines Verbrennungsmotors treten bei Lastwechseln des
Motors innerhalb kürzester
Zeit starke Temperaturschwankungen auf, so dass sich die Temperaturdifferenz
zwischen Abgas und Sensor ständig ändert und
zu unterschiedlichen Anlagerungsraten führt. Im Gegensatz zur Anlagerung
durch Diffusion und Elektrophorese, bei der durch die Messung der
Abgasabsoluttemperatur bzw. auf Basis von Geometrievorgaben und
bei bekannten elektrischen Feldern und Strömungsverhältnissen die Anlagerungsraten
direkt kontrolliert und beeinflusst werden können, ist die Thermophorese nicht
kontrollierbar, sondern nur erfassbar. Für ein stabiles Messsignal müssen deshalb
die Temperaturverhältnisse
aktuell gemessen und auch Korrekturen bzw. in einem Kompensationsalgorithmus
berücksichtigt
werden. Das ist recht aufwändig
und verteuert das Messprinzip.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sensorelement für Sensoren
zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen bereitzustellen,
das die bestehenden Mängel
herkömmlicher
resistiver Gassensoren hinsichtlich der großen Beeinflussung der Partikelanlagerung
durch thermophoretische Effekte reduziert.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Sensorelement mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 in vorteilhafter Weise gelöst.
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Dies
beruht insbesondere auf dem einfachen Aufbau des Sensorelements
und darauf dass der auf Partikel sensitive Bereich des Sensorelementes
eine geringe thermische Masse aufweist und somit seine Temperatur
rasch der jeweiligen Umgebungstemperatur anpassen kann.
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Weiterhin
wird der sensitive Bereich des Sensorelementes vorzugsweise thermisch
von anderen Sensorbereichen entkoppelt, indem der Trägerkörper des
Sensorelementes mindestens eine Durchbrechung aufweist, durch die
Messgas von einer Seite des Sensorelementes zur anderen Seite gelangen
kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
des vorliegenden Sensorelements bzw. Verfahrens zum Betrieb desselben
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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So
ist es von Vorteil, wenn der sensitive Bereich des Sensorelementes
innerhalb der Durchbrechung angeordnet ist, sodass einerseits die
thermische Entkopplung desselben gewährleistet ist sowie ein weitgehend
ungehinderter Zutritt des Messgases zum sensitiven Bereich des Sensorelementes.
Dabei ist insbesondere von Vorteil, wenn der sensitive Bereich als
in der Durchbrechung fixiertes Plättchen ausgeführt ist,
auf dessen einer Großfläche Messelektroden
vorgesehen sind.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn auf der Rückseite
des als Plättchen
ausgeführten
sensitiven Bereiches ein Widerstandsheizelement und/oder ein Temperaturfühler vorgesehen
ist, da mittels des Widerstandsheizelementes angelagerter Ruß auf einfache
Weise von Zeit zu Zeit entfernt werden kann und der Temperaturfühler eine
zeitgenaue Temperaturkorrektur des Sensorsignals gestattet.
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Um
die thermische Anbindung des sensitiven Bereiches an restliche Bereiche
des Sensorelementes zu minimieren, ist es weiterhin von Vorteil, wenn
das den sensitiven Bereich aufweisende Plättchen durch Zuleitungen der
Messelektroden, des Temperaturfühlers
und/oder des Heizelementes in der Durchbrechung des Sensorelementes
fixiert ist. Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass das
Plättchen
brückenförmig zwischen
mindestens einer Begrenzungsfläche
der Durchbrechung und mindestens einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der
Durchbrechung ausgebildet ist.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn das Sensorelement in einen Sensor
integriert ist, der mit einem Schutzrohr versehen ist, der das Sensorelement
vor abrasiven Einflüssen
des Messgases schützt,
wobei mindestens eine Öffnung
des Schutzrohres so positioniert ist, dass sie im wesentlichen kongruent
zu der Durchbrechung des Sensorelementes angeordnet ist. Dabei ist
die Öffnung
des Schutzrohres vorzugsweise auf einer dem Messgasstrom abgewandten
Seite des Schutzrohres vorgesehen. Auf diese Weise kann das Messgas
weitgehend ungehindert zum sensitiven Bereich des Sensorelementes
gelangen, ohne dass ein Verlust der Schutzwirkung eintritt. Eine
Alternative besteht darin, das Schutzrohr doppelwandig auszuführen und
die Öffnung
für den
Zutritt des Messgases zum Sensorelement an der inneren Wandung des
Schutzrohres vorzusehen.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf
Bezug nehmenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1a die
schematische Darstellung eines Sensorelementes zur Bestimmung von
Partikeln gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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1b das
in 1a dargestellte Sensorelement in einer Explosionsdarstellung,
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1c eine
alternative Ausführungsform des
in 1a dargestellten Sensorelementes in einer Explosionsdarstellung,
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2a, 2b Aufsichten
auf die den sensitiven Bereich des Sensorelementes tragende keramische
Schicht gemäß zweier
verschiedener Ausführungsformen,
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2c die
Aufsicht auf die Unterseite der in den 2a, 2b dargestellten
keramischen Schicht und
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3a, 3b schematische
Darstellungen eines das Sensorelement enthaltenden Sensors
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In 1a und 1b ist
ein prinzipieller Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet,
das der Bestimmung einer Partikelkonzentration, wie beispielsweise
der Rußkonzentration,
in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst
beispielsweise eine Mehrzahl von keramischen Schichten 11a, 11b und 11c,
die einen planaren keramischen Körper
bilden. Sie bestehen vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden
Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, bariumhaltigem Aluminiumoxid
oder Cerdioxid. In einer alternativen Ausführungsform sind die keramischen
Schichten aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial,
wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder
teilstabilisiertem ZrO2 ausgeführt, wobei
in diesem Fall alle elektrisch leitfähigen Zuleitungen für Messelektroden,
Heizelement oder Temperaturfühler durch
nicht dargestellte Isolierschichten aus einem elektrisch isolierenden
keramischen Material gegenüber
dem umgebenden Festelektrolytmaterial isoliert sind. Eine weitere
Möglichkeit
besteht in der Verwendung sogenannten Low Temperature Cofired Ceramics
(LTCC) als Material der keramischen Schichten.
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Die
integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelements 10 wird
durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten bedruckten keramischen
Folien und anschließendem Sintern
der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
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Die
keramischen Schichten 11a, 11b, 11c des
Sensorelements 10 weisen vorzugsweise zueinander kongruent
angeordnete Durchbrechungen 13a, 13b, 13c auf,
die einen Durchtritt des zu bestimmenden Messgas durch den keramischen
Körper des
Sensorelements 10 gestatten. Dabei sind die Durchbrechungen 13a, 13b, 13c insbesondere
in einem der Halterung bzw. Kontaktierung des Sensorelements entfernten
Bereich des Sensorelementes 10 vorgesehen.
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Das
Sensorelement 10 umfasst einen sensitiven Bereich 12,
der vorzugsweise auf einem keramischen Plättchen 14 aufgebracht
ist. Das keramische Plättchen 14 ist
innerhalb der Durchbrechung 13b bspw. in Höhe der keramischen
Schicht 11b fixiert, wobei das keramische Plättchen 14 eine
möglichst
geringen Masse und Wärmekapazität aufweist. Weiterhin
ist von Vorteil, wenn das keramische Plättchen einer möglichst
geringen thermischen Anbindung an den übrigen keramischen Körper des
Sensorelements 10 unterliegt.
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Durch
Anordnung des Plättchens 14 innerhalb
der Durchbrechung 13b ist gewährleistet, dass der auf dem
Plättchen 14 vorgesehene
sensitive Bereich 12 des Sensorelements unmittelbar durch
das zu bestimmende Gasgemisch angeströmt ist. Auf diese Weise wird
erreicht, dass der sensitive Bereich 12 des Sensorelements
stets die gleiche Temperatur wie das zu bestimmende Gasgemisch aufweist
bzw. dass die Temperaturdifferenzen zwischen sensitivem Bereich 12 und
Gasgemisch gering sind. Dies verhindert wirkungsvoll die Anlagerung
von Partikeln bzw. eine Desorption von Partikeln bei negativer Temperaturdifferenz
allein infolge thermophoretischer Effekte. Demzufolge kann bei der
Signalauswertung eine mögliche
Thermophorese als nur sehr schwer erfassbarer Anlagerungsmechanismus
vernachlässigt
werden und es wird ein kontrollierbares und einfach auswertbares
Anlagerungsverhalten erzielt.
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Die
Fixierung des Plättchens 14 kann
beispielsweise in Form von metallischen Drähten erfolgen, die gleichzeitig
der elektrischen Kontaktierung von auf dem Plättchen 14 aufgebrachten
Messelektroden 15, 16 dienen. Als metallische
Materialien kommen hochtemperaturbeständige Metalle wie Edelstahl,
Nickel oder Platin in Frage, die gleichzeitig eine möglichst
kleine Wärmekapazität bzw. eine
kleine Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Die Fixierung kann jedoch auch mittels keramischer Brücken erfolgen, wobei
vorteilhafterweise das Plättchen 14 als
Stanzteil ausgelegt wird, wodurch die Aufhängung des Plättchens 14 aus
demselben Material besteht wie das Plättchen 14 bzw. die
keramische Schicht 11b. Bei Auswahl des keramischen Materials
für das
als Stanzteil ausgeführte
Plättchen 14 werden insbesondere
Keramiken auf Basis von Zirkondioxid oder LTTC-Keramiken berücksichtigt,
welche eine geringe Wärmeleitfähigkeit
und eine kleine Wärmekapazität aufweisen.
Dies führt
zu einem vorteilhaften Temperaturverhalten des Plättchens 14,
das auf diese Weise eine kleine thermische Masse und eine schlechte thermische
Anbindung zum keramischen Körper
des Sensorelements 10 aufweist.
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Wird
das Plättchen 14 als
Stanzteil ausgeführt,
so wird die gestanzte Struktur vorteilhafterweise so erzeugt, dass
keine scharfen Kanten auftreten, die zu thermomechanisch induzierten
Spannungsüberhöhungen bei
Temperaturwechseln und zum Versagen führen können. Vielmehr werden auftretende scharfen
Kanten gegebenenfalls im Rahmen einer mechanischen Nachbearbeitung
verrundet. Das Plättchen 14 bzw.
die keramische Schicht 11b weist vorzugsweise eine Schichtdicke
von 200 bis 280, insbesondere von 230 bis 250 μm auf. Das Plättchen 14 ist
vorzugsweise mit einer Fläche
von ca. 1 mm2 ausgeführt.
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Zur
Fixierung des Plättchens 14 sind
mindestes zwei Stege nötig,
die zusätzlich
jeweils eine Zuleitung für
Messelektroden, Heizelement oder Temperaturmessfühler aufweisen; aus Stabilitätsgründen ist jedoch
eine Fixierung mittels vier Stegen von Vorteil.
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Werden
die keramischen Schichten 11b, 11c ausreichend
stabil ausgeführt,
so kann auch ein in 1c dargestellter vereinfachter
Aufbau des Sensorelements 10 durch Weglassen der keramischen Schicht 11a realisiert
werden.
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Auf
einer Großfläche des
Plättchens 14 sind beispielsweise
zwei Messelektroden 15, 16 aufgebracht, die den
sensitiven Bereich 12 des Sensorelements 10 bilden
und die beispielsweise, wie in 2a dargestellt,
als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sein
können.
Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 15, 16 ermöglicht eine
besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der
elektrischen Leitfähigkeit
des sich zwischen den Messelektroden 15, 16 befindenden
Oberflächenmaterials. Vorteilhafterweise
weisen die Messelektroden 15, 16 bedingt durch
die direkte Anströmung
des sensitiven Bereichs 12 mit dem zu bestimmenden Gasgemisch generell
eine Radialsymmetrie auf.
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Eine
alternative Ausführungsform
des sensitiven Bereichs 12 des Sensorelements 10 ist
in 2b dargestellt. Dabei sind die Messelektroden 15,16 mit
ineinander verzahnten verbreiterten Elektrodenbereichen ausgeführt, wobei
die verbreiterten Elektrodenbereiche zu den jeweiligen Elektrodenbereichen
der jeweils anderen Messelektroden äquidistant ausgeführt sind.
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Zur
Kontaktierung der Messelektroden 15, 16 sind im
Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Ende des Sensorelements
Kontaktflächen 18, 20 vorgesehen,
die durch Zuleitungsbereiche 22, 24 mit den Messelektroden 15, 16 verbunden
sind.
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Während des
Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 15, 16 eine
Spannung angelegt. Da die Messelektroden 15, 16 auf
der Oberfläche
des elektrisch isolierenden Plättchens 14 aufgebracht
sind, kommt es zunächst
im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 15, 16.
Enthält
ein das Sensorelement 10 umströmendes Messgas elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere
Ruß, so
lagern sich diese auf der Oberfläche
des Plättchens 14 ab.
Da Ruß eine
bestimmte elektrische Leitfähigkeit
aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des
Plättchens 14 mit
Ruß zu
einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 15, 16,
der mit dem Ausmaß der
Beladung korreliert.
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Wird
nun an die Messelektroden 15, 16 eine vorzugsweise
konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen
den Messelektroden 15, 16 auftretende Stromfluss
ermittelt, so kann aus dem Integral des Stromflusses über der
Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom,
insbesondere Rußmassenstrom,
und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden.
Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel
in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit
des sich zwischen den Messelektroden 15, 16 befindenden
keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und
aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten
aus Stromfluss nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw.
auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom,
und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen. Eine
Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte
möglich,
sofern die Strömungsgeschwindigkeit
des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches
kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.
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Das
Aufbringen der Elektrodenstrukturen der Messelektroden 15, 16 auf
dem Plättchen 14 kann
direkt per Siebdruck in Cofiretechnik oder auch im Nachgang zur
Herstellung des keramischen Grundträgers durch anschließendes Einbrennen
der Struktur durch Postfiring erfolgen. Der Vorteil des Postfiring
liegt in der zusätzlichen
Verwendbarkeit weiterer Materialien, die eine Sinterung im Rahmen
des Cofiring bei ca. 1400°C
nicht überstehen
würden.
Zur Durchführung
der Erzeugung von Messelektroden 15, 16 mittels
Postfiring bieten sich Beschichtungsprozesse an, die berührungslos
arbeiten, wie z.B. Inkjet-Techniken.
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Das
Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf,
das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn auf einer den Messelektroden 15, 16 abgewandten
Seite des Plättchens 14 ausgeführt ist
und der Aufheizung des Plättchens 14 insbesondere
auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. zum Abbrand
der auf den Großflächen des
Plättchens 14 abgelagerten Rußpartikel
dient. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise
als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen
Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn
ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und ist über nicht
dargestellter Zuleitungen mit elektrischen Anschlüssen 46, 48 verbunden. Durch
Anlegen einer entsprechenden Heizspannung an die Anschlüsse 46, 48 der
Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend
reguliert werden. Die Anordnung des Heizelement 40 auf
der Rückseite
des Plättchens 14 ist
in 2c dargestellt.
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Darüber hinaus
kann das Sensorelement 10 einen Temperaturmessfühler umfassen,
der vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn
ausgeführt
ist. Der Temperaturmessfühler
ist vorzugsweise auf einer der Großflächen des Plättchens 14 aufgebracht.
Er kann alternativ aus einem Thermoelement, oder einem NTC- bzw.
PTC-Widerstand gebildet sein oder die Widerstandleiterbahn des Heizelementes 40 wird
zusätzlich
als Temperaturmessfühler
verwendet.
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Der
Temperaturmessfühler
dient der Messung der Temperatur des Gasgemischs und wird u.a. zur
Korrektur des temperaturabhängigen
gemessenen Widerstandes des sich zwischen den Messelektroden 15,16 befindenden
keramischen Materials bzw. zur Korrektur der Diffusionsanlagerung
verwendet.
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Wird
das Sensorelement in einem Sensor zur Bestimmung der Rußkonzentration
in einem Abgassystem eingesetzt und existiert in diesem System ein
separater Abgastemperatursensor, so kann auf einen in das Sensorelement
integrierten Temperaturmessfühler
verzichtet werden.
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In 3a ist
ein Sensor 200 zur Bestimmung einer Gaskomponente oder
von Partikeln bzw. deren Konzentration in einem Messgas dargestellt,
der ein Sensorelement gemäß den 1a bis 1c bzw. 2a bis 2c aufweist.
Um das Sensorelement 10 vor der Einwirkung abrasiver Messgase
zu schützen,
weist der Sensor 20 ein Schutzrohr 30 auf, das doppelwandig
ausgeführt
ist und eine erste Wandung 32 und eine zweite Wandung 34 aufweist.
Dabei sind Öffnungen 36, 38 vorgesehen,
durch die ein zu bestimmendes Gasgemisch in das Innere des Schutzrohr 30 gelangt.
Das doppelwandige Schutzrohr 30 ist dabei so ausgeführt, dass
die Öffnungen 36, 38 nicht übereinander
zu liegen kommen und somit der Zutritt eines zu bestimmenden Messgases
mit hoher Eigengeschwindigkeit verhindert wird. Weiterhin ist die Öffnung 38 in
der inneren Wandung 34 vorzugsweise so ausgerichtet, dass
sie direkt auf die Durchbrechungen 13a, 13b, 13c des
Sensorelementes 10 gerichtet ist. Auf diese Weise erfolgt
eine direkte unmittelbare Anströmung
des sensitiven Bereichs 12 mit dem zu bestimmenden Messgas.
Die Strömungsrichtung
des zu bestimmenden Messgases ist dabei in 3a wie
auch in 3b durch Pfeile verdeutlicht.
Das doppelwandige Schutzrohr 30 weist weiterhin einen Auslass 39 auf,
durch den das eingedrungene Messgas wieder entweichen kann.
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In 3b ist
eine Alternativeausführungsform
des Sensors 20 dargestellt. Der Sensor 200 weist
ein einwandiges Schutzrohr 30 auf, in dessen äußerer Wanderung 32 eine Öffnung 36 vorgesehen ist,
durch die das Messgas zum Sensorelement 10 gelangen kann.
Dabei ist die Öffnung 36 vorzugsweise
so ausgerichtet, dass sie auf einer der Strömung des Messgases abgewandten
Seite des Schutzrohrs 30 angeordnet ist und weiterhin so über dem
sensitiven Bereich 12 des Sensorelementes vorgesehen ist,
dass dieser durch das Messgas direkt angeströmt wird. Auf diese Weise wird
zwar eine Umströmung des
sensitiven Bereichs 12 des Sensorelementes 10 gewährleistet,
ein direkter Aufprall des strömenden Messgases
auf den sensitiven Bereich 12 wird jedoch vermieden.
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Eine
alternative Möglichkeit
besteht darin, die Öffnungen
in der äußeren Wandung
des Schutzrohres 30 in der Verlängerung der Längsachse
des Schutzrohres 30 vorzusehen, so dass die Einströmrichtung
des Messgases senkrecht zu dessen eigentlicher Anströmrichtung
ausgerichtet ist.