CN106323495B - 温度传感器和制造温度传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种温度传感器(100)。该温度传感器包括矿物绝缘的供电线(108)、有底金属管(102)以及固定在支持结构中的温度传感元件。有底金属管的开口端部(102B)机械地连接至矿物绝缘的供电线。导线连接件将温度传感元件机械联接并电联接至矿物绝缘的供电。支持结构在有底金属管的底端部(102A)中沿有底金属管的轴向方向永远可动。

Description

温度传感器和制造温度传感器的方法
技术领域
本发明涉及温度传感器，更具体地，本发明涉及高温传感器，例如废气温度传感器。本发明还涉及制造温度传感器的方法。
背景技术
在大多数情况下，高温传感器包括暴露在待测量媒介下的外片。更具体地，在废气温度传感器的情况下是如此的，在这种情况下，外片与废气接触，同时内部温度传感元件与从外部向内部传导和传递热通量的内部媒介接触。内部温度传感元件可以是PTC热敏电阻或NTC热敏电阻。
高温传感器受极高的加热和冷却梯度影响。这些梯度导致内部部件和连接引线的不同材料之间出现过度的压缩和拉伸应力。应力可能导致携带代表由内部温度传感元件感测到的温度的输出信号的内部部件和传导件的损坏。
US6639505B2公开了一种温度传感器，其中的热敏电阻元件与金属外壳之间的距离不小于0，但不大于0.3毫米，并且热敏电阻元件和金属外壳通过绝缘构件彼此接触。绝缘构件可以是结晶化玻璃或陶瓷。绝缘构件消除了热敏电阻元件与金属外壳之间的无用间隙。
US6829820B2公开了一种制造温度传感器的方法。将热敏电阻元件插入有底的金属管，同时使用填料(优选硅油)对金属管的内部进行填充，以降低热敏电阻元件与金属管之间的滑动阻力，其中热敏电阻元件与金属管随后作为一个完整温度传感结构被安装在壳体中。在将热敏电阻元件插入金属管之后，对金属管进行加热以使硅油的油性成分挥发。该方法减少了在将热敏电阻放入金属管期间由热敏电阻的电极线的弯曲所产生的缺陷。
在上述温度传感器中，由测量电阻与供电线缆之间的温度变化和震动引起的作用在传导件上的应力导致了传导件的磨损。在US8328419B2中，公开了这个问题的解决方案。热解耦导线布置在测量电阻器与供电线缆之间。热解耦导线在矿物绝缘的供电线缆上卡住作为螺旋弹簧并将测量电阻器弹性地连接至供电线缆。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的温度传感器，其具有以下特点：可靠、制造成本低、能够通过半自动或全自动生产工艺大量制造、使用寿命长、耐受内燃机中常见的高温和震动。
根据本发明的第一个方面，该目的通过具有权利要求的特征的温度传感器来实现。实施该发明的有利实施方式和其他方法可通过从属权利要求中提到手段来实现。
根据本发明的温度传感器的特征在于，温度传感器包括：矿物绝缘的供电线、有底金属管以及容纳在有底金属管内的温度传感元件。有底金属管包括底端部和开口端部。开口端部机械地连接至矿物绝缘的供电线。温度传感元件固定在支持结构中。支持结构在底端部中沿有底金属管的轴向方向永远可动。导线连接件将温度传感元件机械联接并电联接至矿物绝缘的供电。
基本思想是减少导线连接件中由于极高的加热和冷却梯度而导致的应力，这些梯度导致矿物绝缘的供电线与温度传感元件之间的内部部件和连接引线的不同材料之间出现过度的压缩和拉伸应力。该应力通过使有底金属管的底端部与传感元件机械分离而减少。由于有底金属管与连接引线的材料的不同的热膨胀系数(CTE)以及有底金属管与连接引线在待测量媒介发生急剧温度变化期间的温差，温度传感元件沿有底金属管的轴向方向运动。作用在连接引线上的力现在仅限于温度传感元件与有底金属管之间的摩擦力。如果温度传感元件被固定地置于有底金属管中，则连接引线将在从200℃到850℃再返回200℃的每个温度循环期间以更大的力被拉伸和/或弯曲。随着时间流逝，这些更大的力将导致连接引线的断裂并降低产品的使用寿命。
在一个实施方式中，支持结构的截面的外边缘具有与有底金属管的底端部的截面的内边缘相似的形状，其中支持结构的外边缘小于底端部的内边缘。该特征提供这样一种结构，其因支持结构与有底金属管之间的预先限定的最大间隙而允许支持结构在有限的摩擦力下沿轴向方向运动并在有底金属管与支持结构之间提供充分的热接触以从外侧向内侧传递热通量。
在一个实施方式中，在底端部的轴向方向上，底部间隙设置在有底金属管的底部与支持结构之间。该间隙确保支持结构在所有情况下都能够沿轴向方向运动。如果迫使该支持结构朝着有底金属管的底部移动，则连接引线将被弯曲，从而导致比支持结构与有底金属管之间的摩擦力更大的压缩力作用在该引线上。作为更大压缩力的结果，引线在每个温度周期都将弯曲，这将使连接引线变得脆弱。
在一个实施方式中，在支持结构包括填充有灌封材料的金属杯，并且温度传感元件位于灌封材料中。使金属杯和有底金属管具有几乎相同的CTE确保了金属杯和有底金属管之间的摩擦力不随着温度变化而发生大的改变。
在一个实施方式中，在支持结构包括填充有灌封材料的金属杯，并且温度传感元件位于灌封材料中。这些特征提供将温度传感器嵌入支持结构中的简单方法，并且支持结构的与有底金属管匹配的外部尺寸可以被精确地限定。
在可替换实施方式中，支持结构是由陶瓷或水泥化合物制成的主体。这一方案需要更少的部件来制造具有嵌入的温度传感元件的支持结构。
在一个实施方式中，支持结构的远端在距离有底金属管的底部第一距离处接触有底金属管的侧壁，并且支持结构的近端在距离有底金属管的底部第二距离处接触有底金属管的相对的侧壁。通过将支持结构放置为与底端部的端部成一角度，可使支持结构沿轴向方向运动的摩擦力受连接引线的刚度限制。另外，支持结构具有与有底金属管的良好的热接触，并且支持结构无法自由侧向移动。
在一个实施方式中，有底金属管的开口端部附接至矿物绝缘的供电线，温度传感元件通过导线连接件连接至矿物绝缘的供电线的线束，支持结构能够通过摩擦力沿有底金属管的轴向方向运动，导线连接件具有刚度，使得在摩擦力作用于导线连接件上时导线连接件不发生变形。由于这些特征，由摩擦力引起以使支持结构沿轴向方向运动的、导线连接件中的应力对导线连接件的损害被显著降低。
在一个实施方式中，温度传感器在支持结构与有底金属管的底部之间包括滑动间隙。该滑动间隙确保支持结构不因支持结构与底端部之间的不同热膨胀而被卡在底端部。
在另一个实施方式中，滑动间隙通过非固化粘性物质填充。通过这种方法，由支持结构与有底金属管之间的摩擦而导致的磨损被降低。
在第二个方面中，提供了一种制造温度传感器的方法。该方法包括：将温度传感元件嵌入支持结构；将所述温度传感元件机械地联接至矿物绝缘的供电线的线束；将支持结构放入有底金属管的底端部中；以及将矿物绝缘的供电线机械地连接至有底金属管的开口端部。
通过下面的详细描述，结合通过示例示出实施方式的各种特征的附图，其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
将在下文参照附图基于下面的描述说明这些和其他方面、性质和优点，其中相近的参考标号指代相近或相当的部件，在附图中：
图1示意性地示出了高温传感器的第一实施方式的剖视图；
图2示意性地示出了高温传感器的第二实施方式的剖视图；
图3示意性地示出了温度传感器在组装状态下的剖视图；以及
图4示意性地示出了温度传感器在组装之后的剖视图。
具体实施方式
图1示意性地示出温度传感器100的第一实施方式的尖端的剖视图。温度传感器100尤其适合于测量高达900℃的高温。温度传感器可以是废气温度传感器。本申请公开了增加针对热循环的封闭外壳传感器的使用寿命的方案。废气管中的温度可在200℃-900℃之间快速变化。
温度传感器100包括有底金属管102，有底金属管102具有底端部102A和开口端部102B。有底金属管102形成暴露于待测量媒介中的外片形状。在有底金属管102中，设置有温度传感元件104。温度传感元件可以是PTC或NTC装置。温度传感元件104放置在金属杯106A中。金属杯106A与温度传感元件104之间的空间填充有灌封材料106B。可使用具有良好热传递特性以将热通量从外部传递到内部的任何材料。此外，该材料应将温度传感元件104固定在金属杯106A中。合适的灌封材料的示例为氧化铝、氧化锆、氧化镁或其它金属氧化物陶瓷或水泥化合物。
温度传感元件104的传导件104A通过导线连电联接并机械联接到矿物绝缘的供电线108的线束108A。传导件104A和线束108A可通过焊接进行联接。温度传感元件104的传导件104A是具有0.2mm至0.3mm直径的镀金属导线。在图1中，使用导电管形结构110将温度传感元件104的传导件104A联接至供电线108的线束108A。在导电管形结构的一端，温度传感元件的104的传导件104A附接至导电管形结构110。传导件104A在导电管形结构110的开口中滑动，并随后通过例如压接或焊接进行附接。通过类似的方式将矿物绝缘的供电线108的线束108A附接至导电管形结构110。参考标号110A指示传导件104A与线束108A之间的管形结构的空的空间。
矿物绝缘供电线是本领域技术人员公知的。矿物绝缘供电线108例如包括由合金601(60重量百分比的镍，21重量百分比的铬，15重量百分比的铁，1.2重量百分比的铝)或其它镍合金制成的线束108A。线束被嵌入在高度压实的矿物粉末108B中，该高度压实的矿物粉末108B被由合金601(60重量百分比的镍，21重量百分比的铬，15重量百分比的铁，以及1.2重量百分比的铝)或如310H的其它不锈钢合金制成的保护性金属套管108C包围。
有底金属管102的开口端102B连接至矿物绝缘的供电线108的金属套管108C。这可以通过压接或焊接来实现。
金属杯104和灌封材料106B形成支持结构106，在支持结构106中固定有温度传感元件104。金属杯104的截面的外边缘的形状与有底金属管102的底端部102A的截面的内边缘的形状相似。支持结构106的外边缘小于底端部102A的内边缘。通过这种方法，支持结构106在底端部102A中沿有底金属管102的轴向方向永久可动。参考标号120指示有底金属管102的主体轴线。支持结构106与有底金属管102之间的滑动间隙是在加热和冷却阶段中吸收CTE(热膨胀系数)失配和非等温加热的膨胀/收缩间隙。该滑动间隙允许支持结构106在底端部102A中沿着有底金属管102的主体轴线运动。例如，当有底金属管102比导线连接件更快变热时，支持结构106将在底端部102A中向上运动，并且有底金属管102的底部将远离支持结构106的尖端。
在有底金属管102的底部与支持结构106的尖端之间设置有底部间隙112A。底部间隙112A确保在媒介温度快速下降且导线连接件的温度远高于有底金属管102的温度时导线连接件不受到压缩应力。
通过滑动间隙和底部间隙，支持结构在有底金属管中为“漂浮”体。与温度传感元件附接在有底金属管中的实施方式相比，这种外侧片与支持结构脱离的构造通过一阶(first order)暴露于被测量媒介(在特定情况下为废气)的波动的温度冲击而减少了导线连接件中的压缩和拉伸应力。
滑动间隙和底部间隙可以是空气间隙。然而，这些间隙也可由如氧化锆、氧化铝、氧化镁的填高温惰性材料涂层填充，或可由气体填充。
图2公开了温度传感器的尖端的第二实施方式的剖视图。该实施方式相比于图1中的第一实施方式的不同之处在于，温度传感元件104嵌入在陶瓷或水泥结构106’中。陶瓷或胶合剂结构106’在该实施方式中形成支持结构。任何耐高温耐火材料都可用作水泥。用于支持结构106’的合适材料的示例为氧化铝、氧化锆、氧化镁或其他金属氧化物陶瓷或水泥化合物。有底金属管102的内侧覆盖有涂层114，该涂层114减少支持结构与有底金属管之间的摩擦。该涂层114的材料的示例为硬脂酸镁。另外，在涂层114与支持结构106’之间还存在小的滑动间隙。
由于该滑动间隙，支持结构能够在支持结构的主体轴线与有底金属管的底端部的主体轴线重合的情况下在有底金属管中侧向运动。支持结构的侧向运动可导致支持结构和/或有底金属管和导线连接件的磨损。为了减少支持结构在有底金属管中的侧向运动，在将支持结构放置在有底金属管中时，使导线连接件稍微弯曲。这样做的结果是，支持结构被稍微压向有底金属管的内侧。图3和图4示出了如何实现这种做法的实施方式。
图3示出矿物绝缘的供电线108、导电管形结构110、温度传感元件104和支持结构106在将支持结构插入有底金属管102的底部102A之前的组装。在将支持结构106放置在底部102A中时，矿物绝缘的供电线108的端部具有主体轴线116，该主体轴线116与有底金属管102的主体轴线120成一直线。在将有底金属管102插入并连接至矿物绝缘的供电线108之后，假设有底金属管102的主体轴线与矿物绝缘的供电线108成一直线。此外，支持结构具有主体轴线118，主体轴线118不与矿物绝缘的供电线108的主体轴线116以及有底金属管102的主体轴线120重叠。在本示例中，支持结构106的主体轴线118相对于矿物绝缘的供电线108的主体轴线116成角度，该角度相当于导线连接件中的弯曲。温度传感元件104笔直地放置在支持结构106中。还可以使导线连接件保持笔直但将温度传感元件相对于支持结构成一个角度。该角度应为1至5度。
在将支持结构106插入底部102A时，支持结构106将被迫使其主体轴线118与有底金属管102的主体轴线120成一直线。这通过弯曲导线连接件来实现。图4示出在将支持结构放入有底金属管102之后的温度传感器。可见，支持结构的远端122A在距离有底金属管底部第一距离d1处接触有底金属管的侧壁，并且支持结构的近端122B在距离有底金属管底部第二距离d2处接触有底金属管的相对的侧壁。支持结构106的主体轴线118现在几乎与有底金属管102的主体轴线116以及矿物绝缘的供电线108成一直线。通过这种方法，支持结构无法在进行任何侧向运动，但依然能够在有底金属管中进行轴向运动。导线连接件的刚度限定了支持结构与有底金属管之间的摩擦力并因此限定了作用在导线连接件上以使支持结构在有底金属管中沿轴向运动的力。
本领域技术人员应清楚，只要支持结构的主体轴线不与矿物绝缘的供电线的主体轴线重叠，支持结构将在有限的摩擦力下被置于有底金属管中。支持结构能够在摩擦力下沿有底金属管的轴向运动。导线连接件具有刚度，使得导线连接件在摩擦力作用于导线连接件时不发生变形。
制造上述温度传感器的方法包括以下行为：将温度传感元件嵌入支持结构；将温度传感元件机械地联接至矿物绝缘的供电线以获得装配件；将支持结构放入有底金属管的底端部；以及将矿物绝缘的供电线机械地连接至有底金属管的开口端部。在将有底金属管连接至矿物绝缘的供电线之前，支持结构的主体轴线不与矿物绝缘的供电线的近端的主体轴线重叠。在将装配件连接至有底金属管之后，矿物绝缘的供电线的近端的主体轴线与有底金属管的主体轴线重叠。在插入之前，支持结构的主体轴线相对于矿物绝缘的供电线的近端的主体轴线成一个角度。
公开的实施方式展现出了以下效果。可通过多种材料和形状途径在有底金属管中构成的漂浮尖端/主体通过与形成温度传感器外片的有底金属管的脱离减少了压缩和拉伸应力。这些应力通过通过一阶暴露于被测量媒介的波动的温度冲击而减少。该减少特别地增加了废气温度传感器(EGTS)的寿命。
公开的实施方式具有圆柱形状。清楚地，可以使用允许支持结构在外表面与测量媒介接触的外片中进行轴向运动的任何其他形状。
虽然已经根据多个实施方式对本发明进行了描述，但应理解，在阅读了说明书并研究了附图之后，这些实施方式的替代、修改、置换和等同对本领域技术人员来说都是显而易见的。本发明不限于所示出的实施方式，其旨在覆盖本发明的、如所附权利要求所限定的精神和范围内的修改。

Claims (13)

1.一种温度传感器(100)，包括：
矿物绝缘的供电线(108)；
有底金属管(102)，具有底端部(102A)和开口端部(102B)，所述开口端部机械地连接至所述矿物绝缘的供电线；
温度传感元件(104)，容纳在所述有底金属管内，导线连接件将所述温度传感元件机械联接并电联接至所述矿物绝缘的供电线；以及其中，
所述温度传感元件固定在支持结构(106)中，其特征在于，
所述支持结构布置在所述有底金属管中，以使得由于所述有底金属管和导线连接件的响应于温度变化的热膨胀差，所述支持结构在所述底端部(102A)中沿所述有底金属管的轴向方向移动。
2.根据权利要求1所述的温度传感器(100)，其中所述支持结构的截面的外边缘具有与所述有底金属管的底端部的截面的内边缘相似的形状，其中所述支持结构的所述外边缘小于所述底端部的所述内边缘。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的温度传感器，其中在所述底端部(102A)的轴向方向上，在所述有底金属管(102)的底部与所述支持结构(106)之间设置有底部间隙(112A)。
4.根据权利要求1所述的温度传感器，其中在所述支持结构包括填充有灌封材料(106B)的金属杯(106A)，并且所述温度传感元件位于所述灌封材料中。
5.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述支持结构是由陶瓷或水泥化合物制成的主体(106’)。
6.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述支持结构的远端(122A)在距离所述有底金属管的底部第一距离处接触所述有底金属管的侧壁，并且所述支持结构的近端(122B)在距离所述有底金属管的所述底部第二距离处接触所述有底金属管的相对的侧壁。
7.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述有底金属管的开口端部附接至矿物绝缘的供电线(108)，所述导线连接件(110)连接至所述矿物绝缘的供电线的线束(108A)，所述支持结构能够在摩擦力下沿所述有底金属管的轴向方向运动，所述导线连接件具有刚度，使得在所述摩擦力作用在所述导线连接件上时所述导线连接件不发生变形。
8.根据权利要求3所述的温度传感器，其中所述温度传感器在所述支持结构与所述有底金属管的所述底部之间包括滑动间隙。
9.根据权利要求8所述的温度传感器，其中所述滑动间隙通过高温涂层或气体填充。
10.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述温度传感器是高温传感器。
11.一种制造温度传感器(100)的方法，所述方法包括：
-将温度传感元件(104)嵌入支持结构(106)；
-将所述温度传感元件通过导线连接件机械地联接至矿物绝缘的供电线(108)的线束；
-将所述支持结构放入有底金属管(102)的底端部(102A)中；以及
-将所述矿物绝缘的供电线机械地连接至所述有底金属管的开口端部，其特征在于，在放入和机械联接之后，所述支持结构被布置在所述有底金属管中，以使得由于所述有底金属管和导线连接件的响应于温度变化的热膨胀差，所述支持结构在所述底端部中沿所述有底金属管的轴向方向移动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述温度传感元件通过导线连接件连接至所述矿物绝缘的供电线，其中所述支持结构的主体轴线与所述矿物绝缘的供电线的近端的主体轴线不重合；
所述方法还包括：
-将温度传感元件、支持结构和矿物绝缘的供电线的装配件联接至所述有底金属管，其中所述矿物绝缘的供电线的所述近端的所述主体轴线与所述有底金属管的主体轴线重合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述支持结构的所述主体轴线相对于所述矿物绝缘的供电线的所述近端的所述主体轴线成一个角度。
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