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Die
Erfindung geht aus von einem Messfühler, insbesondere einem Gassensor
zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
bekannter Messfühler
oder Gassensor dieser Art (
DE
101 51 291 A1 ,
2)
weist ein das Sensorelement aufnehmendes Gehäuse auf, in dessen anschlussseitigem
Gehäuseabschnitt
der Kontaktflächen
tragende, anschlussseitige Endabschnitt des Sensorelements angeordnet
ist. Außerdem
besitzt das Sensorelement einen Referenzgaskanal, der an dem anschlussseitigen
Endabschnitt zum Innenraum des anschlussseitigen Gehäuseabschnitts hin
mündet.
Die Kontaktflächen
des Sensorelements sind mit Kontaktteilen elektrisch verbunden,
die über Crimpverbindungen
elektrische Verbindungen zu Anschlusskabeln herstellen. Die Anschlusskabel
sind durch eine die Gehäuseöffnung abschließende Kabeldurchführung gasdicht
aus dem Gehäuse
herausgeführt.
In dem Kontaktbereich des Gehäuseabschnitts
ist ein topfförmiges
Trägerelement
aus hochtemperaturfestem Kunststoff angeordnet, dessen äußerer Topfmantel
eine zur Topföffnung
hin verlaufende Verjüngung
erfährt.
Im Bereich der Verjüngung weist
die Innenhülse
eine Mehrzahl von Radialöffnungen
auf. Auf die Innenhülse
ist ein gasdurchlässiger
Schlauch aufgezogen, der die Radialöffnungen abdeckt. In das Gehäuse sind
ebenfalls mehrere Radialöffnungen
eingebracht, die vorzugsweise mit den Radialöffnungen in der Innenhülse fluchten,
so dass ein das Gehäuse
außen
umspülendes
Referenzgas, z.B. Umgebungsluft, durch den porösen Schlauch hindurch über die
Radialöffnungen
in der Innenhülse entlang
der Verjüngung
des Trägerelements
in den Innenraum des anschlussseitigen Gehäuseabschnitts gelangen kann.
Diese konstruktiven Maßnahmen
führen
zu einem guten Gasfluss des Referenzgases zu dem anschlussseitigen
Endabschnitt des Sensorelements, so dass Verfälschungen der Messergebnisse
des Gassensors infolge einer zu niedrigen oder zu hohen Konzentration
des Referenzgases vermieden werden, und verhindern zugleich das
Eindringen von Schwallwasser in das Gehäuse, was zu einem Ausfall des
Gassensors führen würde.
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Ein
ebenfalls bekannter Messfühler,
insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgases von
Verbrennungsmotoren (
DE
198 35 345 A1 ) weist ein in einem metallischen Gehäuse axial angeordnetes
Sensorelement auf, das an seinem anschlussseitigen Endabschnitt
mit mindestens einem aus dem Gehäuse
durch einen Tüllenkörper hindurch axial
herausgeführten
Anschlusskabel kontaktiert ist. Das Anschlusskabel weist eine Kabelisolierung
mit einem gasdurchlässigen
Bereich auf, so dass die Referenzatmosphäre im Umfeld des Gehäuses in
das Innere der Kabelisolierung und von dort in das Innere des Gehäuses gelangt.
Der gasdurchlässige
Bereich der Kabelisolierung, der unmittelbar an das kabelausgangsseitige
Ende des Tüllenkörpers anschließt, ist
mit einem porösen
Schlauch aus gasdurchlässigem
PTFE-Material so umhüllt,
dass ein radialer Abstand zwischen dem porösen PTFE-Schlauch und dem gasdurchlässigen Abschnitt
der Kabelisolierung verbleibt. Oberhalb des Tüllenkörpers ist eine innere Klemmhülse unter
Einhaltung eines Radialspalts über
die Kabelisolierung geschoben, die wenigstens eine Radialbohrung
in ihrem unmittelbar an dem Tüllenkörper anschließenden Abschnitt
aufweist. Auf diese innere Klemmhülse ist der Schlauch aus PTFE-Material
mit seinem einen Ende aufgeschoben, während sein anderes Ende zwischen
dem Tüllenkörper und
einer den Tüllenkörper umschließenden, äußeren Klemmhülse einliegt.
Die äußere Klemmhülse weist
ebenfalls mehrere Radialbohrungen auf. Alle genannten Bauteile sind
gasdicht miteinander verbunden, indem die äußere Klemmhülse im axialen Abstand zweimal,
einmal oberhalb und einmal unterhalb der Radialbohrungen, rundverstemmt
ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Messfühler mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die unterschiedlich
starke Quetschung der gasdurchlässigen
Membran, die vorzugsweise als poröser PTFE-Schlauch ausgeführt ist,
im Außen- und
Innenbereich einer jeden Rundverstemmung Undichtigkeiten im Verstemmbereich
infolge Zerstörung oder
Schädigung
der Membran durch ungünstige Fertigungsbedingungen
und/oder hohen Temperaturbelastungen vermieden werden.
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Während im
Außenbereich
die Membranwandstärke
beispielsweise auf ca. 10–20
% ihrer Originaldicke zusammengequetscht bzw. komprimiert und dadurch
die Membran sicher geklemmt wird, erfolgt im Innenbereich der Rundverstemmung
nur eine Reduzierung der Membranwandstärke auf beispielsweise ca.
30–40
% ihrer Originaldicke, wodurch eine sehr effiziente axiale Abdichtung
gegenüber
fahrzeugspezifischen Medien, z.B. Wasser, erreicht wird. Die gute
Abdichtung im Innenbereich der Rundverstemmung verhindert auch jegliche
Leckpfade innerhalb der Rundverstemmung in den Fällen, in denen die Membran
in den äußeren Verstemmungsbereichen
infolge der starken Wandstärkenreduzierung durch
ungünstige
Fertigungsbedingungen oder hohe Temperaturbeanspruchung beschädigt oder
teilweise gar durchstoßen
wird.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Messfühlers
möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird die unterschiedlich starke Quetschung oder Kompression
der Membran erreicht, indem das Rundverstemmen so ausgeführt wird,
dass in den durch das Rundverstemmen in der Klemmhülse erzeugten
Verformungsbereichen der Radialabstand zwischen Klemmhülse und
Schutzhülse,
ausgehend von den einander zugekehrten inneren Verstemmungs- oder
Verformungsrändern
bis hin zu den voneinander abgekehrten äußeren Verstemmungs- oder Verformungsrändern abnimmt.
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Gemäß alternativen
Ausführungsformen
der Erfindung ist dabei die Abnahme des Radialabstands stetig oder
stufig und damit die Quetschung der Membran von den Außenrändern zu
den Innenrändern
der Rundverstemmungen hin stetig oder in definierten, in Achsrichtung
benachbarten Verformungszonen der Verformungsbereiche unterschiedlich groß, wobei
die Quetschung in den äußeren Verformungszonen
am stärksten
und die Quetschung in den inneren Verformungszonen am kleinsten
ist.
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Ein
vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Messfühlers ist
in Anspruch 10 angegeben.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ausschnittweise einen
Längsschnitt eines
Gassensors für
Verbrennungsmotoren,
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2 den Ausschnitt II in 1 nach Verstemmen der Klemmhülse,
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3 eine vergrößerte Darstellung
des Ausschnitts in 2,
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4 bis 6 jeweils ausschnittweise ein Axialprofil
eines Verstemmstempels gemäß dreier
Ausführungsbeispiele
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Der
in
1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Gassensor
zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas
als Ausführungsbeispiel
für einen
allgemeinen Messfühler
ist beispielsweise eine Lambdasonde, mit welcher die Sauerstoffkonzentration
im Abgas eines Verbrennungsmotors bestimmt wird. Der Gassensor weist
ein in einem Messfühlergehäuse
10 aufgenommenes
Sensorelement
11 mit einem dem Messgas ausgesetzten messgasseitigen
Endabschnitt und einem anschlussseitigen Endabschnitt
111 auf,
an dem die elektrische Kontaktierung des Sensorelements
11 vorgenommen
ist. In
1 ist nur der anschlussseitige
Endabschnitt
111 des Sensorelements
11 mit dem
anschlussseitigen Ende des Messfühlergehäuses
10 und
dem darin einliegenden Kontaktierbereich des Sensorelements
11 zu
sehen. Eine komplette Darstellung des Sensorelements
11 findet
sich beispielsweise in der
DE
101 51 291 A1 .
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An
dem anschlussseitigen Endabschnitt 111 trägt das Sensorelement 11 hier
nicht zu sehende Kontaktflächen
und weist außerdem
eine Öffnung auf,
die mit einem bis in den messgasseitigen Endabschnitt des Sensorelements 11 reichenden
Referenzgaskanal in Verbindung steht. Die Kontaktflächen des
Sensorelements 11 sind mit Kontaktteilen 13 elektrisch
verbunden, die mittels eines an einem Verbindungselement 14 angreifenden
Federelements 15 auf die Kontaktflächen des Sensorelements 11 gedrückt werden.
Die Kontaktteile 13 weisen Crimpverbindungen 16 auf,
die einen elektrischen Kontakt der Kontaktteile 13 zu Anschlusskabeln 12 herstellen.
Die Anschlusskabel 12 sind durch eine Kabeldurchführung hindurch
gasdicht aus dem Messfühlergehäuse 10 herausgeführt.
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Die
Kabeldurchführung 17,
die Kontaktteile 13 mit Crimpverbindungen 16 sowie
der anschlussseitige Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 sind von
einer Schutzhülse 18 umschlossen,
die mit einem metallischen Gehäusekörper fest
verbunden ist. Der hier nicht dargestellte Gehäusekörper trägt üblicherweise ein Gewinde und
einen Sechskant zur Montage der Lambdasonde an dem Abgasrohr des Verbrennungsmotors.
Unmittelbar anschließend
an die Kabeldurchführung 17 ist
in der Schutzhülse 18 ein
Trägerelement 19 aus
massivem PTFE-Material aufgenommen, das topfförmig ausgebildet ist und im Innern
die Crimpverbindungen 16 mit radialem Abstand von der zylinderförmigen Topfwand
aufnimmt. In einem zur Topföffnung
sich hin fortsetzenden Wandabschnitt der Topfwand ist der Außendurchmesser
des topfförmigen
Trägerelements 19 reduziert.
Durch diese Verjüngung
des Trägerelements 19 entsteht
zwischen dem Trägerelement 19 und
der Innenwand der Schutzhülse 18 ein
ringförmiger
Strömungspfad 29.
Im Bereich des Strömungspfads 29 ist
die Schutzhülse 18 mit
mehreren radial eingebrachten Bohrungen, hier Radialöffnungen 20 genannt,
versehen. Die Schutzhülse 18 weist
einen mittleren Hülsenabschnitt 183,
einen an dem einen Ende des mittleren Hülsenabschnitts 183 sich
anschließenden,
kragenartigen Hülsenabschnitt 181 mit
reduziertem Durchmesser und einen sich an dem anderen Ende des mittleren
Hülsenabschnitts 183 fortsetzenden
Hülsenabschnitt 182 mit
vergrößertem Durchmesser
auf. Der kragenförmige
Hülsenabschnitt 181 umschließt die Kabeldurchführung 17 und ist
endseitig auf die Stirnseite der Kabeldurchführung 17 aufgebördelt. Der
mittlere Hülsenabschnitt 183 übergreift
das Trägerelement 19 und
der Hülsenabschnitt 182 mit
dem größten Durchmesser umgibt den
anschlussseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 bis
hin zum Gehäusekörper.
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Auf
den mittleren Hülsenabschnitt 183 ist
ein als gasdurchlässige
Membran 21 fungierender, elastischer Kunststoffschlauch 22,
der vorzugsweise aus gasdurchlässigem
PTFE-Material besteht, aufgeschoben, so dass die im mittleren Hülsenabschnitt 183 vorhandenen
Radialöffnungen 20 abgedeckt sind.
Auf den Kunststoffschlauch 22 ist eine Klemmhülse 23 aufgesetzt,
die sich über
den kragenartigen Hülsenabschnitt 181 der
Schutzhülse 18 erstreckt und
diesen fest umschließt.
Im Überdeckungsbereich mit
der Membran 21 trägt
die Klemmhülse 23 mehrere
Radialöffnungen 24,
die in axialer Höhe
der Radialöffnungen 20 in
der Schutzhülse 18 angeordnet sind
und vorzugsweise mit diesen Radialöffnungen 20 fluchten,
so dass ein die Schutzhülse 18 umspülendes Referenzgas,
z.B. Atmosphärenluft,
durch die Radialöffnungen 24 in
der Klemmhülse 23,
die Membran 21, die Radialöffnungen 20 und den
Strömungspfad 29 am
Trägerelement 19 zu
dem anschlussseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 und von
dort in den Referenzgaskanal des Sensorelements 11 gelangen
kann.
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Die
Klemmhülse 23 ist
im Überdeckungsbereich
mit der Membran 21 axial ober- und unterhalb der Radialöffnungen 20, 24 in
Schutzhülse 18 und Klemmhülse 23 rundverstemmt,
wie dies in 2 und vergrößert in 3 dargestellt
ist. In 1 ist die Klemmhülse 23 noch
unverstemmt dargestellt. Im Bereich der Rundverstemmungen 25, 26 ist
die elastisch verformbare Membran 21 gequetscht, d.h. der Kunststoffschlauch 22 in
seiner Wandstärke
reduziert, so dass der Kunststoffschlauch 22 fixiert und die
Schlauchenden gegen zwischen Schutzhülse 18 und Schlauch 22 in
axialer Richtung eindringende Flüssigkeiten,
die zur Funktionsstörung
des Gassensors führen,
abgedichtet sind. Um sicherzustellen, dass infolge ungünstiger
Fertigungsbedingungen beim Verstemmvorgang und/oder infolge hoher
Temperaturbeanspruchung im Betrieb auftretende Schädigungen
an der Membran 21 nicht zu Leckagepfaden im Verstemmungsbereich
führen,
sind die beiden im Axialabstand voneinander verlaufenden Rundverstemmungen 25, 26 so
ausgeführt,
dass die Membran 21 von den einander zugekehrten inneren
Verstemmungsrändern 251, 261 zu
den voneinander abgekehrten äußeren Verstemmungsrändern 252, 262 zunehmend
verstärkt
gequetscht ist. Die Zunahme der Quetschung oder Komprimierung der
Membran 21 im Bereich der Rundverstemmungen 25, 26 kann dabei
stetig oder stufig sein.
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Die
unterschiedliche Quetschung der Membran 21 wird dadurch
erreicht, dass die durch das Rundverstemmen in der Klemmhülse 23 erzeugten Verformungsbereiche
entlang der Rundverstemmungen 25, 26 in ihrem
Radialabstand von der Schutzhülse 18,
ausgehend von den einander zugekehrten inneren Verformungs- oder
Verstemmungsrändern 251, 261 bis
hin zu den voneinander abgekehrten äußeren Verformungs- oder Verstemmungsrändern 252, 262 abnimmt
und die Abnahme des Radialabstands kontinuierlich oder stufig ist.
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In
dem in 3 vergrößert dargestellten Ausführungsbeispiel
sind in jedem der entlang der Rundverstemmung 25 bzw. 26 verlaufenden
Verformungsbereiche in der Klemmhülse 23 zwei Verformungszonen 27, 28 vorhanden,
von denen die außenliegenden
Verformungszonen 28 einen kleineren Radialabstand von der
Schutzhülse 18 besitzen
als die inneren Verformungszonen 27. Demzufolge ist die
Wandstärke
des Kunststoffschlauchs 22 in den äußeren Verformungszonen 28 sehr
viel stärker
reduziert als in den inneren Verformungszonen 27 und beträgt in den äußeren Verformungszonen 28 etwa 10–20 % der
Wandstärke
des unverformten Kunststoffschlauchs 22 und in den inneren
Verformungszonen 27 etwa 30–40 % der Wandstärke des
unverformten Kunststoffschlauchs 22.
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Die
Rundverstemmungen 25, 26 werden mit einem Verstemmstempel 30 (4–6)
hergestellt, der zwei voneinander axial beabstandete bogenförmige Verstemmflächen 31, 32 mit
in Achsrichtung einander zugekehrten inneren Flächenkanten 311 und 321 und
mit in Achsrichtung voneinander abgekehrten äußeren Flächenkanten 312 und 322 aufweist.
Die inneren Flächenkanten 311, 321 sind
gegenüber
den äußeren Flächenkanten 312, 322 radial zurückversetzt,
und der Flächenverlauf
zwischen der inneren Flächenkante 311 bzw. 321 und
der äußeren Flächenkante 312 bzw. 322 in
jeder Verstemmfläche 31 bzw. 32 ist
kontinuierlich oder gestuft ausgeführt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 5 ist der Flächenverlauf
zwischen den inneren und den äußeren Flächenkanten 311, 312 bzw. 321, 322 der
Verstemmflächen 31, 32 stetig.
Wird ein solcher Verstemmstempel 30 mit radialer Presskraft
auf die Klemmhülse 23 aufgesetzt,
so wird diese auf der Schutzhülse 18 verstemmt,
wobei in jeder der entstehenden Rundverstemmungen 25, 26 die
Membran 21, ausgehend von den inneren Verstemmungsrand 251 bzw. 261 hin
zu dem äußeren Verstemmungsrand 252 bzw. 262,
stetig zunehmend vermehrt gequetscht wird.
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Mit
dem in 4 dargestellten Axialprofil des Verstemmstempels 30 wird
eine stufige Quetschung der Membran 21 beim Rundverstemmen
erzielt. Wie in 4 zu sehen ist, ist hier der
Flächenverlauf
der Verstemmflächen 31, 32 von
den äußeren Flächenkanten 312, 322 zu
den inneren Flächenkanten 311, 321 hin
stufig ausgeführt.
Im Ausführungsbeispiel
der 4 weist jede Verstemmfläche vier Flächenstufen auf, so dass beim
Ansetzen dieses Verformungsstempels 30 in der Klemmhülse 23 in
jeder Rundverstemmung 25, 26 vier Verformungszonen
erzeugt werden, deren Radialabstand von der Schutzhülse 18 von
außen
nach innen hin diskret zunimmt.
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Das
in 6 dargestellte Axialprofil des Verstemmstempels 30 entspricht
dem in 5, mit dem Unterschied, dass in jeder Verstemmfläche 31, 32 in dem
stetigen Flächenverlauf
noch ein Hinterschnitt 313 eingeformt ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beispielhaft beschriebene Lambdasonde
beschränkt.
Sie kann auch bei anderen Messfühlern,
z.B. bei Gassensoren zur Bestimmung des Stickoxydgehalts im Abgas
von Verbrennungsmotoren, eingesetzt werden.