DE102008043219A1

DE102008043219A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102008043219A1
Application number: DE200810043219
Authority: DE
Inventors: Andreas Opp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-29
Also published as: CN101726513A

Abstract

Es wird ein Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration eienr Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, angegeben, der ein Sensorelement (11) mit Sensorkörper (14), eine mindestens zwei auf Kontaktfllächen (17, 18) auf der Körperoberfläche des Sensorkörpers (14) kontaktierte Anschlussdrähte (132) und einem Metallmantel (131) aufweisende Metallmantelleitung (13), ein das Sensorelement (11) mindestens teilweise umgebendes Schutzrohr (12) und einen Montageflansch (22) zum Festlegen des Gassensors am Messort aufweist. Zur Erzielung eines sehr kurzbaueneden miniaturisierenden Gassensors und Reduzierung der Fertigungskosten ist das Sensorelement (11) vollständig in dem Schutzrohr (12) aufgenommen und der Montageflansch (22) unmittelbar auf der Metallmantelleitung (13) gasdicht festgelegt (Fig. 1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Gassensor oder Messfühler ( WO 95/18965 ) ist das Sensorelement in einem als Metallrohr ausgebildeten Gehäuse angeordnet, dessen eines stirnseitige Gehäuseende mit einer dem Messgas ausgesetzten und eine Eintrittsöffnung für das Messgas aufweisenden Schutzkappe abgeschlossen ist und in dessen anderes stirnseitige Ende eine Metallmantelleitung eingeführt ist. Die Metallmantelleitung ist mit einer aufgesetzten Buchse versehen, die mittels Laserschweißen einerseits mit dem Metallmantel der Metallmantelleitung und andererseits mit dem Gehäuse verbunden ist. Im Abstand von dem metallmantelleitungsseitigen Ende des Gehäuses ist ein Montageflansch durch Schweißen fest mit dem Gehäuse verbunden. Der Montageflansch dient zum Einbau des Gassensors in einen an einem messgasführenden Messrohr angeordneten Anschlussstutzen. Der Montageflansch wird nach Durchführen des rohrförmigen Gehäuses dichtend auf die Stirnöffnung des Anschlussstutzens aufgesetzt, um mittels einer auf einem Außengewinde des Anschlussstutzens verschraubten Überwurfmutter am Anschlussstutzen festgesetzt zu werden.
Das Sensorelement weist einen Sensorkörper mit einem gassensitive Elektroden tragenden messgasseitigen Endabschnitt, der in die Schutzkappe hineinragt, und einem anschlussseitigen Endabschnitt mit auf der Körperoberfläche angeordneten, elektrischen Kontaktpunkten auf. Auf jedem Kontaktpunkt ist ein Anschlussdrahtende der Metallmantelleitung direkt aufgeschweißt. Die Kontaktpunkt sind über auf dem Sensorkörper verlaufenden Leiterbahnen mit den Elektroden im messgasseitigen Endabschnitt leitend verbunden. Auf dem mittleren Abschnitt des Sensorkörpers ist ein Stützteil aus einem Drahtgestrick aufgeschoben, das sich am Gehäuse abstützt. Das Drahtgestrick dient einerseits zur mechanischen Abstützung des Sensorkörpers im Gehäuse und verhindert andererseits, dass im Messgas enthaltene Partikel in den anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorkörpers vordringen.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die vollständige Einbeziehung des Sensorelements in das Schutzrohr und die Verlegung der Messrohr-Einbaumittel des Gassensors ummittelbar auf die Metallmantelleitung auf das übliche Gehäuse des Gassensors verzichtet wird und dadurch der Gassensor miniaturisiert werden kann. Das Sensorelement liegt komplett im Messgas und kann eine Länge aufweisen, die nur 10 mm bis 15 mm beträgt. Neben der Reduktion der Bauteile wird durch die Miniaturisierung auch der erforderliche Bedarf an Keramik und Edelmetallen deutlich verringert, was sich insgesamt günstig auf die Reduzierung der Fertigungskosten auswirkt.
Durch die geringe Baugröße des erfindungsgemäßen Gassensors und dessen kostengünstigen Aufbau findet der Gassensor ein breites Einsatzgebiet bei Kleinmotoren für Motorräder, Boote, Rasenmäher und dgl., so dass auch diese motorgetriebenen Aggregate verschärfte Abgasbedingungen einhalten können.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gassensors möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Montageflansch einen kegelförmigen Dichtsitz auf und ist auf der Metallmantelleitung aufgeschweißt. Ein solcher Montageflansch bietet eine ausreichend hohe Gasdichtheit des Einbauorts am Messgasrohr und kann problemlos mit der bisherigen Befestigungstechnik, z. B. mittels einer Überwurfmutter, an einem üblicherweise am Messgasrohr angeordneten Anschlussstutzen montiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den einander zugekehrten Enden von Metallmantel der Metallmantelleitung und Schutzrohr ein Füllkörper aus einer hochtemperaturfesten Vergussmasse angeordnet, die den Endabschnitt des Metallmantels übergreift. Als Vergussmasse kann ein keramischer Kleber verwendet werden, jedoch wird eine Vergussmasse aus einer Glas-Keramik-Mischung bevorzugt, die eine aufschmelzende und auskristallisierende Glaskomponente aufweist. Ein solcher Füllkörper stabilisiert einerseits den Kontaktbereich zwischen Sensorelement und Metallmantelleitung und schützt diesen gegen Vibrationen und isoliert anderseits den Kontaktbereich gegen Ausbildung von Leitungspfaden, die aus Verschmutzungen durch Messgaspartikel resultieren. Gleichzeitig wird die Metallmantelleitung gegen Feuchtigkeit isoliert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einem zwischen Sensorelement und Schutzrohr vorhanden Hohlraum ein hochtemperaturfester, gasdurchlässiger Stützkörper eingeschoben. Der Stützkörper kann ein Gewebe, Gewirk, Gestrick oder Vlies aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, sein. Der Stützkörper stabilisiert das Sensorelement und verhindert Schwingungen relativ zum Schutzrohr und sorgt für einen verbesserten Schutz des Sensorkörpers des Sensorelements gegen Thermoschock, der z. B. durch im Messgas mitgeführten Wassertröpfchen ausgelöst wird, die auf den heißen keramischen Sensorkörper auftreffen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Anschlussdrahtenden der Metallmantelleitung und den Kontaktflächen des Sensorelements mittels eines Reaktivlots hergestellt. Ein solches Reaktivlot hat die Eigenschaft, dass es bei Anregung thermischer, elektrischer oder optischer Art die für eine Lötung notwendige Energie selbst zur Verfügung stellt. Der Lötvorgang findet in Bruchteilen von Sekunden statt, so dass der Wärmeeintrag in den keramischen Sensorkörper, der bei üblichen Schweiß- oder Lötverfahren zu Rissen führen kann, vernachlässigbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
1 einen Gassensor, teilweise geschnitten,
2 eine Ansicht des Gassensors in Richtung Pfeil II in 1, teilweise geschnitten.
Der in 1 und 2 skizzierte Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient beispielsweise als sog. Lambdasonde der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Gassensor ist dabei in das Abgasrohr der Brennkraftmaschine eingesetzt und über ein elektrisches Verbindungskabel mit einem elektronischen Steuergerät verbunden.
Der Gassensor weist ein Sensorelement 11, ein Schutzrohr 12 und eine Metallmantelleitung 13 auf. Das Sensorelement 14 besitzt einen Sensorkörper 14 aus einer sauerstoffionenleitenden Keramik mit zwei gassensitiven Elektroden, von denen eine Innenelektrode 15 im Sensorkörper 14 eingebettet und eine Außenelektrode 16 auf der Körperoberfläche angeordnet ist. Innen- und Außenelektrode 15, 16 sind über je eine Leiterbahn 24 mit einer auf der Körperoberfläche des Sensorkörpers 14 angeordneten elektrischen Kontaktfläche 17 bzw. 18 verbunden. Die Metallmantelleitung 13 weist in bekannter Weise einen Metallmantel 131 und mehrere, im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 zwei, im Innern des Metallmantels 131 isoliert geführte Anschlussdrähte 132 auf. Jeweils ein Anschlussdraht 132 ist mit seinem Drahtende auf eine der Kontaktflächen 17, 18 kontaktiert und hierzu mit dieser stoffschlüssig verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung ist mittels eines sog. Reaktivlots hergestellt. Das Reaktivlot hat die Eigenschaft, dass es bei einer thermischen, elektrischen oder optischen Anregung die für die Lötung notwendige Energie selbst zur Verfügung stellt. Der Lötvorgang findet in Bruchteilen von Sekunden statt, so dass der Wärmeeintrag in den Sensorkörper 14 vernachlässigbar ist.
Der mit 10 mm bis 15 mm Länge extrem kurze Sensorkörper 14 des Sensorelements 11 ist vollständig in dem Schutzrohr 12 aufgenommen, das Öffnungen 19 zum Durchtritt des Messgases aufweist. Zwischen den einander zugekehrten Enden von Metallmantelleitung 13 und Schutzrohr 12 ist ein Füllkörper 20 aus einer hochtemperaturfesten Vergussmasse angeordnet, die den Endabschnitt des Metallmantels 131 der Metallmantelleitung 13 übergreift. Der Füllkörper 20 weist dabei eine vom Schutzrohr 12 zur Metallmantelleitung 13 hin sich verjüngende, konische Form auf. Die Vergussmasse kann ein keramischer Kleber sein. Bevorzugt wird jedoch eine Glas-Keramik-Mischung, bei der die Glaskomponente aufschmilzt und nach dem Benetzen auskristallisiert, wodurch ein gut haftender und kristalliner Füllkörper 20 erzeugt wird. In dem zwischen dem Sensorelement 11 und dem Schutzrohr 12 vorhandenen Hohlraum ist ein hochtemperaturfester, gasdurchlässiger Stützkörper 21 eingeschoben, der einerseits an der Innenwand des Schutzrohrs 12 und andererseits am Sensorkörper 14 anliegt, so dass das Sensorelement 11 relativ zum Schutzrohr 12 festgelegt ist und keine Schwingungen ausführen kann. Als Stützkörper 21 wird ein Gewebe, Gewirk, Gestrick oder Vlies aus Metall verwendet. Bevorzugt wird dabei ein Edelstahlvlies.
Auf die Metallmantelleitung 13 ist ein Montageflansch 22 aufgeschoben und in einem den Einbauverhältnissen angepassten Abstand von dem schutzrohrseitigen Ende der Metallmantelleitung 13 auf dem Metallmantel 131 gasdicht festgelegt. Vorzugasweise wird der Montageflansch 22 auf dem Metallmantel 131 verschweißt. Der Montageflansch 22 besitzt einen kegelförmigen Dichtsitz 221 und dient zum gasdichten Einbau des Gassensors in einen Anschlussstutzen eines das Messgas führenden Messgasrohrs. Im Falle der Brennkraftmaschine ist dieser Anschlussstutzen radial an das Abgasrohr der Brennkraftmaschine angesetzt. Nach Durchführung des Gassensors durch den Anschlussstutzen schließt der Montageflansch 20 den Anschlussstutzen ab und wird mittels einer auf den Anschlussstutzen aufgeschraubten Überwurfmutter 23 (1) am Anschlussstutzen gasdicht festgesetzt. Das Schutzrohr 12 mit Sensorelement 11 ist dabei vollständig dem Messgasstrom bzw. Abgasstrom ausgesetzt.
In der in 2 wiedergegebenen Ansicht des Gassensors in Richtung Pfeil II in 1 sind Schutzrohr 12, Stützkörper 21 und Füllkörper 20 wieder geschnitten dargestellt, während das Sensorelement 11 in Draufsicht zu sehen ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Sensorelement 11 kann in bekannter Weise auch mit einem elektrischen Heizer ausgestattet sein. In diesem Fall weist die Metallmantelleitung 13 vier Anschlussdrähte 132 auf, deren Anschlussdrahtenden auf zwei weitere Kontaktflächen auf der Körperoberfläche des Sensorkörpers 14 kontaktiert sind. Die zwei weiteren Kontaktflächen sind über Leiterbahnen mit einer im Sensorkörpers 14 eingebetteten, elektrischen Widerstandsbahn verbunden.
Der Gassensor kann ebenso als dem Messgas ausgesetzter Temperaturfühler oder z. B. als Stickoxidsensor zum Bestimmen der Konzentration der Stickoxide im Abgas von Brennkrafmaschinen ausgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 95/18965 [0002]

Claims

Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, mit einem Sensorelement (11), das einen Sensorkörper (14) mit auf der Körperoberfläche angeordneten, elektrischen Kontaktflächen (17, 18) aufweist, mit einer mindestens zwei Anschlussdrähte (132) und einen Metallmantel (131) aufweisenden Metallmantelleitung (13), deren Anschlussdrahtenden mit jeweils einer der Kontaktflächen (17, 18) stoffschlüssig verbunden sind, mit einem das Sensorelement (11) mindestens teilweise umgebenden Schutzrohr (12) und mit einem dem Einbau dienenden Montageflansch (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) vollständig in dem Schutzrohr (12) aufgenommen ist und der Montageflansch (22) unmittelbar auf der Metallmantelleitung (131) gasdicht festgelegt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Montageflansch (22) im Abstand vom schutzrohrseitigen Ende der Metallmantelleitung (13) angeordnet und vorzugsweise auf den Metallmantel (131) der Metallmantelleitung (13) aufgeschweißt ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Montageflansch einen kegelförmigen Dichtsitz (221) aufweist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einander zugekehrten Enden von Metallmantelleitung (13) und Schutzrohr (12) ein Füllkörper (20) aus einer hochtemperaturfesten Vergussmasse angeordnet ist, die vorzugsweise den Endabschnitt des Metallmantels (131) der Metallmantelleitung (13) übergreift.
Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (20) eine vom Schutzrohr (12) zum Metallmantel (131) hin sich verjüngende, konische Form aufweist.
Gassensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse eine Glas-Keramik-Mischung mit einer aufschmelzenden und auskristallisierenden Glaskomponente ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einen zwischen Sensorelement (11) und Schutzrohr (12) vorhandenen Hohlraum ein hochtemperaturfester, gasdurchlässiger Stützkörper (21) eingeschoben ist.
Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (21) aus einem Metallgewebe, -gewirk oder -gestrick besteht.
Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (21) aus einem Edelstahlvlies besteht.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Anschlussdrahtenden der Metallmantelleitung (13) und den Kontaktflächen (17, 18) des Sensorelements (11) mittels eines Reaktivlots hergestellt ist.