DE102006034979B4

DE102006034979B4 - Hochtemperatursensor

Info

Publication number: DE102006034979B4
Application number: DE102006034979A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Kiesewetter; Anatolij Ewert
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-07-29
Also published as: DE102006034979A1

Abstract

Hochtemperatursensor mit einem Thermoelement (1), wobei auf einem Trägerkörper (4) mindestens vier Verbindungsstellen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) angeordnet sind, von denen zwei erste der Verbindungsstellen (5.1, 5.2) mit dem außerhalb des Trägerkörpers (4) angeordneten Thermoelement (1) verbunden sind und zwei weitere der Verbindungsstellen (5.3, 5.4) mit äußeren Anschlussleitungen (6.1, 6.2) verbunden sind und auf dem Trägerkörper (4) ein erster elektrischer Widerstandssensor (2) und ein zweiter elektrischer Widerstandssensor (3) angeordnet sind, wobei von einer der ersten Verbindungsstellen (5.1) eine Leitung zu einer Seite des ersten Widerstandssensors (2) führt und die zweite Seite des ersten Widerstandssensors (2) mit einer der weiteren Verbindungsstellen (5.3) und einem ersten Anschluss des zweiten Widerstandssensors (3) verbunden ist und der zweite Anschluss des zweiten Widerstandssensors (3) mit der anderen der ersten Verbindungsstellen (5.2) und der anderen der weiteren Verbindungsstellen (5.4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (4) aus einem Keramikplättchen besteht, welches mit einer Nanoschicht aus...

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor mit einem Thermoelement, wobei auf einem Trägerkörper mindestens vier Verbindungsstellen angeordnet sind, von denen zwei erste der Verbindungsstellen mit dem außerhalb des Trägerkörpers angeordneten Thermoelement verbunden sind und zwei weitere der Verbindungsstellen mit äußeren Anschlussleitungen verbunden sind und auf dem Trägerkörper ein erster elektrischer Widerstandssensor und ein zweiter elektrischer Widerstandssensor angeordnet sind, wobei von einer der ersten Verbindungsstellen eine Leitung zu einer Seite des ersten Widerstandssensors führt und die zweite Seite des ersten Widerstandssensors mit einer der weiteren Verbindungsstellen und einem ersten Anschluss des zweiten Widerstandssensors verbunden ist und der zweite Anschluss des zweiten Widerstandssensors mit der anderen der ersten Verbindungsstellen und der anderen der weiteren Verbindungsstellen verbunden ist.
Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verwendung in Temperaturmessstellen mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie sie beispielsweise in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen auftreten.
Zur Überwachung und Optimierung des Verbrennungsprozesses von Verbrennungsmotoren werden Temperaturfühler benötigt, deren Einsatzbereich bis zu Temperaturen von 1.500 °C reicht. An derartige Fühler werden neben hohen Forderungen an die Temperaturbeständigkeit auch Forderungen nach Beständigkeit gegen chemische und mechanische Belastungen gestellt.
Im Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen beschrieben, die einzelne der vorgenannten Aufgaben lösen sollen.
Beispielsweise wird die Messung der Temperatur von Metallschmelzen mit einem Tauch-Thermoelement durchgeführt, bei dem entweder die Messstelle des Thermopaares durch ein auswechselbares, einseitig geschlossenes Röhrchen aus Quarz geschützt ist, oder bei dem ein Quarzröhrchen mitsamt dem Thermoelement und einer Steckvorrichtung auswechselbar gestaltet ist. Bei den in Betracht kommenden sehr hohen Temperaturen von 600 °C bis 1.500 °C ist es erforderlich, dieses Schutzrohr bzw. den ganzen Messkopf häufig auszuwechseln.
Bei derartigen Ausführungsformen wird die Messstelle des Thermoelementes durch ein Schutzröhrchen, das meist aus Quarz oder Keramik besteht, vor dem Einfluss des zu messenden Mediums geschützt. Es sich auch Versuche unternommen worden, derartige Messungen mit einem Temperaturfühler durchzuführen, der mit Keramikpulver in einem dünnwandigen metallischen Schutzrohr eingebettet war.
In FR 1 125 030 A wird ein Hochtemperatursensor beschrieben, bei dem ein Temperaturfühler mit einem Trägerkörper verbunden ist, auf dem vier Verbindungsstellen angeordnet sind, von denen zwei Verbindungsstellen mit einem außerhalb des Trägerkörpers angeordnetem Thermoelement verbunden sind und zwei weitere Verbindungsstellen mit äußeren Anschlussleitungen verbunden sind und auf dem Trägerkörper zwei Widerstände angeordnet sind. Die Widerstände sind im kalten Bereich der Anordnung angeordnet, um die zweite Lötstelle des Thermoelements zu justieren. Bei dieser Anordnung ist nachteilig, dass sie nicht dazu geeignet ist, dauerhaft in einem Temperatureinsatzbereich von 600 °C bis 1.500 °C eingesetzt zu werden und dass eine Überwachung der Messgenauigkeit kann damit nicht erfolgen kann.
Aus EP 0 887 632 A1 ist es bekannt, einen Temperatursensor mit einer Keramikschutzhülse zu umgeben.
Ferner ist nach DE 102 36 036 B4 ein Hochtemperatursensor bekannt, bei dem ein Messwiderstand von einem keramischen Pulver umgeben ist und in einer keramischen Hülse angeordnet ist. Die Anordnung ist in einem metallischen Schutzrohr angeordnet.
In DE 103 04 573 B3 ist eine Temperaturüberwachungseinheit angegeben, bei der ein Thermoelement ein Ausgangssignal abgibt, welches einem Widerstandselement zuschaltbar ist, wobei mit einer Überwachungseinrichtung der Innenwiderstand des Thermoelementes ermittelt wird.
Bei den bekannten Hochtemperatur-Messanordnungen ist nachteilig, dass diese infolge der hohen thermischen und chemischen Beanspruchungen Alterungsvorgängen unterliegen, die zu einer Veränderung der Parameter und damit zu Messfehlern führen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochtemperatursensor der eingangs angegebenen Art anzugeben, der in einem Temperatureinsatzbereich von 600 °C bis 1.500 °C dauerhaft eingesetzt werden kann, hohen mechanische und chemischen Belastungen standhält, kostengünstig hergestellt werden kann und darüber hinaus eine Überwachung der Messgenauigkeit ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Hochtemperatursensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors sind in dem Unteranspruch angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Anordnung,
2 das Ersatzschaltbild einer Ausführung mit zwei Messwiderständen und
3 das Ersatzschaltbild einer Ausführung mit einem Zusatzwiderstand.
Der in 1 dargestellte Hochtemperatursensor weist ein Thermoelement 1 auf, dessen Anschlussleitungen 1.1 und 1.2 zu einem Trägerkörper 4 führen, der aus einem Keramikplättchen besteht. Der rechteckige Keramikträger 4 weist an seinen Ecken Verbindungsstellen 5 auf, die die elektrische Verbindung der Bauelemente ermöglichen. Die Verbindungen erfolgen zweckmäßig durch Schweißen. Die Anschlussleitungen 1.1 und 1.2 sind an die Verbindungsstellen 5.1 und 5.2. angeschlossen. Von der Verbindungsstelle 5.1 führt eine Leitung zu einer Seite eines ersten Widerstandssensors 2, der als Platin-Dünnschicht-Widerstand ausgebildet ist. Die zweite Seite des Widerstandssensors 2 ist mit der Verbindungsstelle 5.3 und einem ersten Anschluss eines zweiten Widerstandssensors 3, der ebenfalls als Platin-Dünnschicht-Widerstand ausgebildet ist. Der zweite Anschluss des Widerstandssensors 3 ist mit den Verbindungsstellen 5.2 und 5.4 verbunden. Von den Verbindungsstellen 5.3 und 5.4 führen äußere Anschlussleitungen 6.1 und 6.2 zu einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit, welche wahlweise die vom Thermoelement 1 ermittelte Temperatur erfasst oder mit der eine Überprüfung der Messgenauigkeit erfolgt. Die gesamte Anordnung ist in einer Schutzhülse 7 aus Keramik untergebracht. Dabei kann die Anordnung so betrieben werden, dass nur der vordere Bereich der Anordnung, der das Thermoelement 1 beinhaltet, der höchsten Temperatur – beispielsweise 1.500 °C – ausgesetzt wird und der übrige Bereich, der die restlichen Bauelemente beinhaltet, sich an Stellen befindet, an denen geringere Temperaturen – beispielsweise 800 °C – herrschen.
Zur Überprüfung der Messgenauigkeit werden die Verbindungsstellen 5.3 und 5.4 mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden, wobei Messungen mit unterschiedlicher Polarität erfolgen. Hierzu wird in einem Fall die eingespeiste Spannung zu der vom Thermoelement erzeugten Spannung addiert und in einem zweiten Fall – bei entgegen gesetzter Polung der Gleichspannungsquelle – die Differenz dieser beiden Spannungen ermittelt. Aus der Größe der Differenz zwischen diesen beiden Messungen können Aussagen zu Veränderungen der Anordnung gewonnen werden.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass der Trägerköper 4 aus einer polykristallienen Al₂O₃-Schicht besteht auf welche eine einkristalline Nanoschicht aus Al₂O₃ aufgebracht ist.
In 2 ist das Ersatzschaltbild einer derartigen Ausführung angegeben. Die Ausführung enthält zwei Widerstände, wovon einer den Isolationswiderstand R_i der Gesamtanordnung und der andere einen Messwiderstand R_M darstellt. Der elektrische Widerstandswert des Isolationswiderstandes R_i liegt bei Werten, die größer als 100 MOhm sind, und als Messwiderstand R_M dient ein handelsüblicher Platinmesswiderstand Pt 100 mit einem Widerstandswert von 100 Ohm. Der an den elektrischen Anschlüssen messbare Wert wird durch die Widerstände R_i und R_M sowie die Anordnungskapazität C₁ bestimmt.
3 erläutert das Ersatzschaltbild einer Ausführung, bei der ein Zusatzwiderstand R_Z angebracht ist.

1: Thermoelement
1.1, 1.2: Anschlußleitungen des Thermoelementes
2: Erster Widerstandssensor
3: Zweiter Widerstandssensor
4: Trägerkörper
5.1... 5.4: Verbindungsstellen
6.1, 6.2: Äußere Anschlußleitung
7: Schutzhülse
R_i: Isolationswiderstand
R_M: Messwiderstand
R_Z: Zusatzwiderstand
C₁: Anordnungskapazität
C₂: Zusatzkapazität

Claims

Hochtemperatursensor mit einem Thermoelement (1), wobei auf einem Trägerkörper (4) mindestens vier Verbindungsstellen (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) angeordnet sind, von denen zwei erste der Verbindungsstellen (5.1, 5.2) mit dem außerhalb des Trägerkörpers (4) angeordneten Thermoelement (1) verbunden sind und zwei weitere der Verbindungsstellen (5.3, 5.4) mit äußeren Anschlussleitungen (6.1, 6.2) verbunden sind und auf dem Trägerkörper (4) ein erster elektrischer Widerstandssensor (2) und ein zweiter elektrischer Widerstandssensor (3) angeordnet sind, wobei von einer der ersten Verbindungsstellen (5.1) eine Leitung zu einer Seite des ersten Widerstandssensors (2) führt und die zweite Seite des ersten Widerstandssensors (2) mit einer der weiteren Verbindungsstellen (5.3) und einem ersten Anschluss des zweiten Widerstandssensors (3) verbunden ist und der zweite Anschluss des zweiten Widerstandssensors (3) mit der anderen der ersten Verbindungsstellen (5.2) und der anderen der weiteren Verbindungsstellen (5.4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (4) aus einem Keramikplättchen besteht, welches mit einer Nanoschicht aus Al₂O₃ versehen ist und der Hochtemperatursensor in einer Schutzhülse (7) aus Keramik angeordnet ist.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Anschlussleitungen (6.1, 6.2) zu einer Auswerteeinheit führen, die eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der am Thermoelement (1) ermittelten Temperatur und/oder zur Überprüfung der Messgenauigkeit des Thermoelements (1) enthält.