DE19831455A1 - Housing for a gas sensor - Google Patents

Housing for a gas sensor

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Gassensor, insbesondere zur Abgasmessung von Verbrennungsanlagen, mit einer porösen Schutzkappe an dem zum Hineinragen in das zu messende Gas bestimmten Teil des Gehäuses, wobei die im wesentlichen zylindrische Schutzkappe aus einem gesinterten Pulver hergestellt ist und Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 1 mum bis 950 mum aufweist. Weiterhin befindet sich an der Stirnfläche der porösen, zylindrischen Schutzkappe, etwa senkrecht zur Gasstromrichtung eine durchgehende Bohrung mit einem Durchmesser >= ein Zehntel des Innendurchmessers der Schutzkappe. Diese Konstruktion verbessert den Gasfluß durch die Schutzkappe zum Sensorelement hin. Durch katalytisch wirksame Zusätze, die in den Poren der Schutzkappe eingelagert werden können, wird das Sensorelement außerdem vor bestimmten Schadstoffeinwirkungen geschützt bevor, bevor diese überhaupt bis zum Sensorelement vordringen.The invention relates to a housing for a gas sensor, in particular for exhaust gas measurement from combustion systems, with a porous protective cap on the part of the housing intended for penetration into the gas to be measured, the essentially cylindrical protective cap being made from a sintered powder and having pores with a medium-sized one Has diameter in the range of 1 mum to 950 mum. Furthermore, there is a continuous bore with a diameter> = one tenth of the inside diameter of the protective cap on the end face of the porous, cylindrical protective cap, approximately perpendicular to the gas flow direction. This construction improves the gas flow through the protective cap towards the sensor element. By means of catalytically active additives that can be embedded in the pores of the protective cap, the sensor element is also protected against certain contaminants before they even reach the sensor element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Gassensor, insbesondere zur Abgasmessung von Verbrennungsanlagen, mit einer porösen Schutzkappe an dem zum Hineinragen in das zu messende Gas bestimmten Teil des Gehäuses.The invention relates to a housing for a gas sensor, in particular for measuring the exhaust gas of Incinerators, with a porous protective cap on which to protrude into the measuring gas certain part of the housing.

Eine gattungsgemäße poröse Schutzkappe für einen Sauerstoffsensor ist aus US 4,466,880 bekannt. Diese Schutzkappe ist aus gesinterter Metallwolle hergestellt und dient dazu Schock­ einwirkungen thermischer oder mechanischer Art abzufangen und dadurch das Sensorelement selbst zu schützen. Wegen der geringen thermischen Masse dieser Metallwolle ist die thermi­ sche Pufferkapazität und dadurch auch der thermische Schutz oft unzureichend. Der Gasfluß, der zum Sensorelement gelangt, wird durch die Porosität der Schutzkappe auf 0,9 bis 1,6 l/cm2 min begrenzt, was bei schnellem Wechsel der Gaszusammensetzung, wie es im Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges durchaus möglich ist, zu unerwünscht langen Reaktionszeiten des Sen­ sors führt.A generic porous protective cap for an oxygen sensor is known from US 4,466,880. This protective cap is made of sintered metal wool and is used to absorb thermal or mechanical effects and thereby protect the sensor element itself. Because of the low thermal mass of this metal wool, the thermal buffering capacity and thus the thermal protection is often insufficient. The gas flow that reaches the sensor element is limited by the porosity of the protective cap to 0.9 to 1.6 l / cm 2 min, which leads to undesirably long reaction times when the gas composition changes quickly, as is quite possible in the exhaust gas flow of a motor vehicle of the sensor leads.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung unter Vermeidung der vorbeschriebenen Nachteile der bekannten porösen Schutzkappe den Gasfluß durch die Schutzkappe zum Sen­ sorelement zu verbessern und eine Möglichkeit zum Einbringen von Zusätzen in das Schutz­ kappenmaterial zu schaffen.It is therefore an object of the present invention while avoiding the ones described above Disadvantages of the known porous protective cap the gas flow through the protective cap for Sen sorelement improve and a possibility of introducing additives in the protection to create cap material.

Die vorstehende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die poröse, im wesentlichen zylindrische Schutzkappe aus einem gesinterten Pulver hergestellt ist und Poren mit einem mittleren Durch­ messern im Bereich von 1 µm bis 950 µm aufweist und daß an der Stirnfläche der porösen, zy­ lindrischen Schutzkappe eine durchgehende Bohrung, etwa senkrecht zur Gasstromrichtung, mit einem Durchmesser, der größer oder gleich ist als ein Zehntel des Innendurchmessers der Schutzkappe, angeordnet ist.The above object is achieved in that the porous, substantially cylindrical Protective cap is made of a sintered powder and pores with a medium diameter Knives in the range of 1 micron to 950 microns and that on the end face of the porous, zy cylindrical protective cap a through hole, approximately perpendicular to the gas flow direction,  with a diameter that is greater than or equal to one tenth of the inside diameter of the Protective cap, is arranged.

Die Schutzkappe soll eine zylindrische Form aufweisen, wobei der Übergang zwischen Mantel­ fläche und Stirnfläche abgerundet und auch die Stirnfläche selbst sphärisch ausgebildet sein kann. Das Sensorelement ist zentral innerhalb des von der Schutzkappe umschlossenen Volu­ mens angeordnet. Dadurch, daß die poröse Schutzkappe auf pulvermetallurgischem Wege, d. h. durch Pressen und Sintern eines Pulvers (Metall oder/und Keramik) hergestellt ist, weist sie eine Porosität auf, die zusammen mit der Bohrung in der Stirnfläche der Schutzkappe für optimalen Gasfluß sorgt. Der mittlere Porendurchmesser liegt im Bereich zwischen 1 µm und 950 µm, wobei eine Pore im Sinne der Erfindung, - selbst wenn sie als gewundener, durchge­ hender Kanal ausgebildet ist -, sich von der durchgehenden Bohrung dadurch unterscheidet, daß der Durchströmungswiderstand der Pore immer größer ist als der Durchströmungswider­ stand der Bohrung. Durch diese konstruktive Maßnahmen wird im inneren Hohlraum der Schutzkappe ein kleiner Unterdruck erzeugt, der sogleich durch verstärktes Ansaugen des Ga­ ses aus dem Abgasstrom ausgeglichen wird. Gleichzeitig wird aber eine thermische Schockeinwirkung vermieden, weil das Gas beim Durchqueren der Poren aufgeheizt oder ab­ gekühlt wird. Die relativ große Masse der Schutzkappe wirkt dabei als thermischer Puffer. Die durch die Herstellweise (Sintern von Pulver) ausgebildete Porosität erleichtert außerdem das Einbringen von Zusätzen, wie beispielsweise Eintauchen der Schutzkappe in eine metallorgani­ sche Lösung, die nach dem Eintauchen thermisch zersetzt wird. Die aktiven Elemente dieser Lösung können mit für das Sensorelement schädlichen Gaskomponenten des Abgases reagie­ ren und so vermeiden, daß diese schädlichen Komponenten zum Sensorelement selbst gelan­ gen. Diese Zusätze können weiterhin in der Weise katalytisch wirken, daß sie das zu messende Abgas ins chemische Gleichgewicht bringen. Eine direkt auf dem Gassensorelement aufzubrin­ gende Schutzschicht kann sich dadurch erübrigen.The protective cap should have a cylindrical shape, the transition between the jacket surface and end face rounded and the end face itself be spherical can. The sensor element is central within the volu enclosed by the protective cap mens arranged. The fact that the porous protective cap by powder metallurgy, d. H. is produced by pressing and sintering a powder (metal or / and ceramic) they have a porosity that together with the hole in the end face of the protective cap for ensures optimal gas flow. The average pore diameter is between 1 µm and 950 µm, whereby a pore in the sense of the invention, - even if it as a tortuous, continuous channel is formed - differs from the through hole in that that the flow resistance of the pore is always greater than the flow resistance stood the hole. Through these constructive measures the Protective cap creates a small negative pressure, which is immediately increased by suction of the Ga it is balanced out of the exhaust gas flow. At the same time, however, a thermal Shock is avoided because the gas heats up or down as it crosses the pores is cooled. The relatively large mass of the protective cap acts as a thermal buffer. The porosity formed by the manufacturing method (sintering of powder) also facilitates this Introducing additives, such as immersing the protective cap in a metal organ cal solution that is thermally decomposed after immersion. The active elements of this Solution can react with gas components of the exhaust gas which are harmful to the sensor element Ren and so avoid that these harmful components get to the sensor element itself gen. These additives can also have a catalytic effect in such a way that they are the one to be measured Bring exhaust gas into chemical equilibrium. One to attach directly to the gas sensor element This can make the protective layer unnecessary.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt, wonach es sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat, wenn die Bohrung an der Stirnseite der porösen Schutzkappe einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweist, wobei der Innendurchmesser der porösen Schutzkappe 10 mm beträgt. Das Verhältnis von Bohrungsdurchmesser/Innen­ durchmesser der Schutzkappe ist von besonderer Bedeutung und beträgt vorzugsweise 0,5.Advantageous developments of the invention are set out in the dependent claims, according to which has proven to be particularly advantageous if the bore on the end face of the porous Protective cap has a diameter of about 5 mm, the inner diameter of the porous protective cap is 10 mm. The ratio of bore diameter / inside diameter of the protective cap is of particular importance and is preferably 0.5.

Als weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird eine Konstruktion betrachtet, bei der an der Stirnseite der porösen Schutzkappe, die Bohrung umschließend ein metallisches Rohrstück mit einer Länge von bis zu 5 mm in den Gasstrom ragend angesetzt ist, das den gleichen Innendurchmesser wie die Bohrung aufweist. Der oben beschriebene Venturi-Effekt wird durch einen derartigen Rohraufsatz noch verstärkt.As a further advantageous embodiment of the invention, a construction is considered in the one on the front of the porous protective cap, surrounding the bore a metallic one  Pipe piece with a length of up to 5 mm is set protruding into the gas stream that the has the same inner diameter as the bore. The Venturi effect described above is reinforced by such a pipe attachment.

Als Sinterpulver zur Herstellung der porösen Schutzkappe wird ein Metallpulver und/oder ein Keramikpulver bevorzugt.A metal powder and / or a is used as the sinter powder for producing the porous protective cap Ceramic powder preferred.

Zur weiteren Verbesserung der Funktion der Schutzkappe können Zusätze in die Poren einge­ bracht werden. Diese Zusätze sollen eine katalytische Wirkung haben, die etwaige Schadstoffe im Abgas, wie beispielsweise Schwefel oder Schwefelverbindungen, Phosphor oder Phosphor­ verbindungen oder Silizium oder Siliziumverbindungen katalytisch umsetzen oder binden, bevor sie an das Sensorelement gelangen. Hierfür haben sich wasserlösliche, metallorganische Kup­ ferverbindungen als zweckmäßig erwiesen, in die die poröse Schutzkappe eingetaucht wird. Die Poren saugen die Lösung an und eine nachträgliche thermische Behandlung führt zur Bil­ dung von feinverteiltem Kupferoxid, das den im Abgas enthaltenen Schwefel unter Bildung von Kupfersulfid bindet.To further improve the function of the protective cap, additives can be inserted into the pores be brought. These additives are said to have a catalytic effect, the possible pollutants in the exhaust gas, such as sulfur or sulfur compounds, phosphorus or phosphorus compounds or silicon or silicon compounds catalytically implement or bind before they reach the sensor element. Water-soluble, organometallic copper has been used for this ferverbindungen proven to be useful in which the porous protective cap is immersed. The pores suck in the solution and subsequent thermal treatment leads to bil formation of finely divided copper oxide, which forms the sulfur contained in the exhaust gas Copper sulfide binds.

Man kann aber auch bei der Herstellung der Schutzkappe Zusätze wie Calciumtitanat (CaTiO3) oder Aluminiumoxid (Al2O3) oder Magnesiumoxid (MgO) oder Magnesiumspinell (MgAl2O4) oder eine Mischung von diesen zugeben, die mit Phosphor oder Silizium reagieren. Edelmetall­ zusätze wie Platin, Rhodium, Iridium oder Palladium oder deren Legierungen können ebenfalls durch Eintauchen der porösen Schutzkappe in eine Lösung dieser Metalle in die Poren einge­ bracht werden. Die Edelmetalle und ihre Legierungen sind katalytisch wirksam, so daß sie die Abgaskomponenten ins chemische Gleichgewicht bringen.However, additives such as calcium titanate (CaTiO 3 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or magnesium oxide (MgO) or magnesium spinel (MgAl 2 O 4 ) or a mixture of these, which react with phosphorus or silicon, can also be added in the production of the protective cap . Precious metal additives such as platinum, rhodium, iridium or palladium or their alloys can also be introduced into the pores by immersing the porous protective cap in a solution of these metals. The precious metals and their alloys are catalytically active, so that they bring the exhaust gas components into chemical equilibrium.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Schutzkappe selbst, sowie ihr Einsatz in einem Gehäu­ se beispielsweise für einen Temperatursensor.The invention also relates to the protective cap itself and its use in a housing se for example for a temperature sensor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert.The invention is explained below with reference to drawings.

In der Fig. 1 ist in einer teilweisen Querschnittszeichnung ein erfindungsgemäßes Gehäuse 1 für einen Gassensor dargestellt. An dem zum Hineinragen in den Meßgasstrom bestimmten Teil 2 des Gehäuses 1 ist die poröse Schutzkappe 3 mit einem Außendurchmesser von 12 mm angeordnet. In dem von der Schutzkappe 3 umschlossenen Hohlraum befindet sich das Senso­ relement (in der Figur nicht dargestellt), das ein potentiometrischer oder amperometrischer Gassensor sein kann. Der Gassensor detektiert oxidierbare oder reduzierbare Gasbestandteile wenn das Sensorelement in dem erfindungsgemäßen Gehäuse 1 in den Abgasstrom von Verbrennungsanlagen angeordnet wird. Das Gehäuse wird üblicherweise mit Hilfe des Sechs­ kantmutter 4 senkrecht zur Gasstromrichtung von außen in ein das Meßgas führendes Abgas­ rohr eingeschraubt. Es kann aber auch mit einer Überwurfmutter 8 (siehe Fig. 2) einge­ schraubt werden.In Fig. 1 in a partial cross-sectional drawing of an inventive casing 1 is shown for a gas sensor. The porous protective cap 3 with an outer diameter of 12 mm is arranged on the part 2 of the housing 1 intended to protrude into the sample gas stream. In the cavity enclosed by the protective cap 3 is the senso element (not shown in the figure), which can be a potentiometric or amperometric gas sensor. The gas sensor detects oxidizable or reducible gas components when the sensor element is arranged in the housing 1 according to the invention in the exhaust gas flow from combustion plants. The housing is usually screwed with the help of the hexagon nut 4 perpendicular to the gas flow direction from the outside into a sample gas leading exhaust pipe. But it can also be screwed in with a union nut 8 (see Fig. 2).

An der Stirnseite 5 der zylindrischen Schutzkappe 3 befindet sich eine Bohrung 6 mit dem Durchmesser 5 mm, auf die ein kurzes, metallisches Rohrstück 7 gleichen Innendurchmessers wie die Bohrung 6 aufgesetzt ist. Die Länge des Rohrstücks 7 beträgt 4 mm. Der Gaszutritt zum Sensorelement erfolgt durch die Poren der porösen Schutzkappe 3, der Gasaustritt im we­ sentlichen durch die Bohrung 6 an der Stirnseite 5 der Schutzkappe 3, so daß die Konstruktion der Schutzkappe 3 hinsichtlich des Gasstroms insgesamt einen Venturi-Effekt zeigt. Die Porosi­ tät der Schutzkappe 3 ist durch Poren mit den Durchmessern im Bereich von 1 µm bis 1000 µm gekennzeichnet, die sich beim Sintern eines Metall- und/oder Keramikpulvers ausbilden.On the end face 5 of the cylindrical protective cap 3 there is a bore 6 with a diameter of 5 mm, onto which a short, metallic pipe section 7 of the same inner diameter as the bore 6 is placed. The length of the pipe section 7 is 4 mm. The gas access to the sensor element takes place through the pores of the porous protective cap 3 , the gas outlet in the essential we through the bore 6 on the end face 5 of the protective cap 3 , so that the construction of the protective cap 3 shows a venturi effect with respect to the gas flow. The porosity of the protective cap 3 is characterized by pores with diameters in the range from 1 μm to 1000 μm, which form when a metal and / or ceramic powder is sintered.

Fig. 2 stellt ein weiteres erfindungsgemäßes Gassensorgehäuse 1 mit einer porösen Schutz­ kappe 3 dar. In diesem Fall fehlt das metallische Rohrstück 7. Die Schutzkappe 3 weist ledig­ lich eine Bohrung 6 mit dem Durchmesser 3 mm auf, wobei der Innendurchmesser der Schutz­ kappe 3 6 mm beträgt. Anstelle der Sechskantmutter 4 aus Fig. 1 ist hier eine Überwurfmutter 8 vorgesehen, um das Gehäuse 1 in ein das Meßgas führendes Abgasrohr einzuschrauben. Fig. 2 shows another gas sensor housing 1 according to the invention with a porous protective cap 3. In this case, the metallic pipe section 7 is missing. The protective cap 3 has only one bore 6 with a diameter of 3 mm, the inner diameter of the protective cap 3 being 6 mm. Instead of the hexagon nut 4 from FIG. 1, a union nut 8 is provided here in order to screw the housing 1 into an exhaust pipe carrying the measurement gas.

Claims (8)

1. Gehäuse für einen Gassensor, insbesondere zur Abgasmessung von Verbrennungsanla­ gen, mit einer porösen Schutzkappe an dem zum Hineinragen in das zu messende Gas bestimmten Teil des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse, im wesentli­ chen zylindrische Schutzkappe aus einem gesinterten Pulver hergestellt ist und Poren mit einem mittleren Durchmessern im Bereich von 1 µm bis 950 µm aufweist und daß an der Stirnfläche der porösen, zylindrischen Schutzkappe eine durchgehende Bohrung, etwa senkrecht zur Gasstromrichtung, mit einem Durchmesser, der größer oder gleich ist als ein Zehntel des Innendurchmessers der Schutzkappe angeordnet ist.1. Housing for a gas sensor, in particular for exhaust gas measurement of Brennennungsanla conditions, with a porous protective cap on the part of the housing intended to protrude into the gas to be measured, characterized in that the porous, in wesentli Chen cylindrical protective cap is made of a sintered powder and having pores with an average diameter in the range from 1 µm to 950 µm and that on the end face of the porous, cylindrical protective cap there is a through bore, approximately perpendicular to the gas flow direction, with a diameter which is greater than or equal to one tenth of the inner diameter of the protective cap is arranged. 2. Gehäuse für einen Gassensor mit poröser Schutzkappe nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bohrung an der Stirnseite der porösen Schutzkappe einen Durch­ messer von ≧ 1 mm aufweist.2. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to claim 1, characterized ge indicates that the bore on the front of the porous protective cap has a through has a diameter of ≧ 1 mm. 3. Gehäuse für einen Gassensor mit poröser Schutzkappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung an der Stirnseite der porösen Schutzkappe einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweist.3. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the bore on the end face of the porous protective cap Has a diameter of about 5 mm. 4. Gehäuse für einen Gassensor mit poröser Schutzkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite der porösen Schutzkappe, die Bohrung umschließend ein metallisches Rohrstück mit einer Länge von bis zu 5 mm in den Gass­ trom ragend angesetzt ist, das den gleichen Innendurchmesser wie die Bohrung aufweist. 4. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the end face of the porous protective cap, the bore enclosing a metallic piece of pipe with a length of up to 5 mm in the gas trom is attached projecting, which has the same inner diameter as the bore.   5. Gehäuse für einen Gassensor mit einer porösen Schutzkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schutzkappe aus einem Material gebil­ det wird, das ein gesintertes Metallpulver und/oder ein gesintertes Keramikpulver umfaßt.5. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the porous protective cap is made of one material det, which comprises a sintered metal powder and / or a sintered ceramic powder. 6. Gehäuse für einen Gassensor mit einer porösen Schutzkappe nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die poröse Schutzkappe bildende Material Zusätze ent­ hält, die katalytisch wirksam sind und/oder eine Getterwirkung gegenüber für das Gas­ sensorelement schädlichen Abgaskomponenten zeigen.6. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to claim 1 or 5, characterized in that the material forming the porous protective cap ent additives holds that are catalytically active and / or a gettering effect for the gas Show sensor element harmful exhaust components. 7. Gehäuse für einen Gassensor mit einer porösen Schutzkappe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz mit Getterwirkung ein Phosphor- oder Silizium- oder Schwefel-bindendes Material verwendet wird.7. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to claim 6, characterized characterized in that a phosphorus or silicon or Sulfur-binding material is used. 8. Gehäuse für einen Gassensor mit einer porösen Schutzkappe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatz eine Kupferverbindung oder Calciumtitanat oder Alumini­ umoxid oder Magnesiumoxid oder Magnesiumspinell oder ein Edelmetall aus der Reihe Pt, Rh, Ir, Pd oder deren Legierungen oder eine Mischung aus diesen Zusätzen verwen­ det wird.8. Housing for a gas sensor with a porous protective cap according to claim 6, characterized characterized in that as an additive a copper compound or calcium titanate or aluminum umoxid or magnesium oxide or magnesium spinel or a noble metal from the series Use Pt, Rh, Ir, Pd or their alloys or a mixture of these additives det.
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