DE102009008572A1

DE102009008572A1 - Geschlossener Temperatursensor mit hoher Ansprechgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE102009008572A1
Application number: DE102009008572A
Authority: DE
Inventors: Mario Bachmann
Original assignee: Heraeus Sensor Technology GmbH
Current assignee: Heraeus Nexensos GmbH
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-26

Abstract

Bei einem Temperatursensor, bei dem ein Kabel, insbesondere mineralisoliertes Kabel, zur Abschirmung eines Messwiderstandes (2) gegen das Messgas vorgesehen ist, wobei der Messwiderstand (2) hierzu in dem Kabel eingebettet und mit elektrischen Adern (4) des Kabels elektrisch kontaktiert ist, und wobei das Kabel einen Metallmantel (11) aufweist, wird erfindungsgemäß im Bereich des Messwiderstandes (2) außerhalb des Metallmantels (1) ein zusätzlicher Metallkörper (8, 9, 11, 12) angeordnet. Insbesondere dichtet der zusätzliche Metallkörper (8, 12) den Metallmantel (1) ab und ragt über den Radius des Metallmantels (1). Beispielsweise wird der Metallmantel (1) mit einem über den Radius des Metallmantels (1) ragenden Deckel (8) abgedichtet. Eine von dem Metallmantel (1) beabstandete Metallhülle (9) weist im Bereich des Messwiderstandes mindestens eine Öffnung (10) auf und ist insbesondere gegenüber einem von dem Messwiderstand (2) entfernteren Bereich verjüngt. Zur Herstellung eines derartigen Temperatursensors wird ein Blech (8, 9, 11, 12) an dem Metallmantel (1) der MIL befestigt, das über den Radius der MIL ragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft geschlossene Temperatursensoren für Abgassysteme.
Ein Temperatursensor für Abgassysteme weist herkömmlicherweise in einem Metallrohr ein Temperaturerfassungselement auf, insbesondere einen Messwiderstand und mit diesem verbundene Signalleitungen. Das Temperaturerfassungselement ist bei einer bewährten mineralisolierten Leitung in keramischem Pulver oder einer Vergussmasse in dem mit einer Metallkappe geschlossenen Metallrohr eingebettet. Die Ansprechgeschwindigkeit dieser Sensoren ist gegenüber freien Sensoren verlangsamt. Gemäß DE 199 34 738 B4 wird eine höhere Ansprechgeschwindigkeit mit einem kleineren Durchmesser des Temperaturerfassungsabschnitts erzielt, die jedoch ebenfalls nicht die Ansprechgeschwindigkeit und Messgenauigkeit erreicht, wie sie mit freiliegenden Messwiderständen erzielt wird.
DE 101 27 871 C1 offenbart einen Temperatursensor mit einem offenen Schutzrohr. Dieser Temperatursensor hat sowohl eine hohe Ansprechgeschwindigkeit als auch eine hohe Messgenauigkeit. Hierbei besteht allerdings dann ein Problem, wenn das Temperaturerfassungselement dem chemischen Angriff aggressiver Gasmedien ausgesetzt ist, weshalb diese Technik nicht für jede Anwendung in Abgassystemen geeignet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen geschlossenen Temperatursensor mit verbesserter Messgenauigkeit und Ansprechgeschwindigkeit bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Temperatursensor aus einem mineralisch, insbesondere keramisch isolierten Kabel, insbesondere mit Metallmantel (MI-Leitung) bereitgestellt, in welchem zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Temperaturerfassungselements, insbesondere Messwiderstands, ein über den Radius des Kabels hinausragender gut wärmelei tender Metallkörper mit geringer Masse und großer Oberfläche sorgt. Hierzu eignet sich ein dünnes Blech, das beispielweise als Deckel, offene Hülse oder Ring an der mineralisolierten Leitung (MIL) angeordnet ist. Hierbei wird die kleine Oberfläche des Temperaturerfassungsbereichs vergrößert. Dabei wird die Aufnahme oder Abgabe von Wärme erhöht und die Ansprechgeschwindigkeit bei hoher Messgenauigkeit entscheidend verbessert.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungen.
Ein Temperatursensor aus einem mineralisch isolierten Kabel (MIL), insbesondere mit keramischer Füllung und einem Metallmantel, in welchem das Temperaturerfassungselement, insbesondere ein Messwiderstand, in isolierendem Pulver oder Verguss eingebettet ist und mit den Adern der MIL elektrisch kontaktiert ist, wird erfindungsgemäß zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit an der MIL im Bereich des Temperaturerfassungselements mit einem über den Radius der MIL hinausragenden gut wärmeleitenden metallischen Körper mit einer großen Oberfläche und geringer Masse, insbesondere einem dünnen Blech, wie beispielweise einem Deckel, oder einer gelochten Hülse oder einem Ring ausgestattet. Dadurch wird die Ansprechgeschwindigkeit erhöht. Der Messwiderstand wird in dem elektrisch isolierenden Pulver oder Verguss in der MIL eingebettet und mit den Adern der MIL elektrisch kontaktiert. Als elektrisch isolierendes Pulver hat sich Al₂O₃ bewährt. Die MIL wird an dem zur Messung des Gases vorgesehenen Ende gasdicht verschlossen, insbesondere mit einem über den Radius der MIL hinausragenden Deckel.
In einer bevorzugten Ausführung wird die MIL zur Stabilisierung zusätzlich in einem Stützrohr positioniert, welches an dem im Abgas befindlichen Ende und mindestens über eine Länge von 40 mm für den Abgasstrom geöffnet ist. Öffnungen des Stützrohrs im Bereich des Messwiderstands dienen einem besseren Kontakt, bzw. besseren Einströmen des zu messenden Gases in den Temperaturerfassungsbereich der MIL. Eine Verjüngung des Stützrohres im Bereich des Messwiderstands verbessert ebenfalls die Ansprechgeschwindigkeit. Analog können Wärmeleitflächen bzw. Hülsen zum Temperaturerfassungselement aus dem Stützrohr gefertigt werden. Dabei wird die Hülse mit dem Stützrohr mechanisch fest verbunden, insbesondere durch einen Schweißprozess.
Mit erfindungsgemäßen Ausführungen wird selbst die Ansprechzeit der Temperatursensoren mit frei zugänglichen Messwiderständen unterboten. Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Temperaturabfall bedeutend schneller erfasst.
Die erfindungsgemäße Temperaturmessung ermöglicht eine Vereinfachung und Optimierung der Abgasbehandlungsverfahren mit SCR-Katalysatoren, NOx–Speicherkatalysatoren oder Dieselrußpartikelfiltern.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf die Abbildungen verdeutlicht.
1 zeigt Temperatursensoren;
2–5 zeigen verschiedene Ausführungen der Temperatursensoren im Bereich der Temperaturerfassung;
6 und 7 zeigen Stützrohre mit Öffnungen;
8 zeigt einen Temperaturerfassungsbereich mit einem in einer MIL integrierten Messwiderstand;
9 und 10 zeigen den Bereich des Kabelanschlusses an ein MIL und Stützrohr.
Beispiel eines SCR-Katalysators für Diesellokomotiven
Die SCR-Technologie dient der Reduzierung von gesundheitsschädlichen Stickoxiden im Abgas zu ungefährlichem Stickstoff und Wasser. Für den Ablauf dieser Reaktion wird Ammoniak eingesetzt, der wiederum aus Harnstoff erzeugt wird und auf diese Weise sehr präzise in das Abgas vor dem SCR-Katalysator dosiert wird, damit die erwünschten Reaktionen ablaufen. Ein Überschuss von Ammoniak oder nicht reduzierten Stickoxiden ist zu verhindern. Der optimale Reaktionsverlauf bzw. die vollständige Umsetzung der Stickoxide erfolgt in einem kleinen Temperaturfenster, weshalb eine sehr zeitnahe und präzise Temperaturmessung erforderlich ist, um die Dosierung des Harnstoffs sehr genau durchzuführen. Die besonders kurze Ansprechgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Temperatursensors geht einher mit einem kleineren Durchmesser des Temperaturerfassungsabschnitts. Bei großen Verbrennungskraftmaschinen sind SCR-Katalysatoren der Größe der Motoren angepasst, wobei Durchmesser bis zu einem Meter erreicht werden. Um eine präzise Temperaturmessung zu gewährleisten, benötigt man hierbei Eintauchtiefen der Temperatursensoren von ungefähr 250 bis 300 mm, woraus sich besondere Anforderungen an die mechanische Stabilität des Temperatursensors ergeben, welche durch die vorliegende Erfindung gelöst werden, insbesondere mittels Stützrohr.
Die Spitze eines Temperatursensors gemäß 1 besteht gemäß 8 aus einem mineralisch oder keramisch isolierten Kabel (MIL) mit einem Metallmantel 1, in welchem das Temperaturerfassungselement 2, insbesondere ein Messwiderstand, in einem elektrisch isolierenden Pulver oder Verguss 3 aus mineralischem Material, insbesondere keramischen Material, eingebettet und mit den Adern 4 der MIL elektrisch kontaktiert ist. An dem dem Temperaturerfassungselement entgegengesetzten Ende der MIL werden die dünnen Adern 4 gemäß 9 und 10 mit stabilen Drähten 5 verlängert und in einer zuvor aufgesetzten Hülse 6 mit einer keramischen Vergussmasse 7 eingebettet. Der Verguss 7 trägt zu einer höheren Stabilität und verbesserten Zugentlastung der Adern 4 bei.
Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit an der MIL im Bereich des Temperaturerfassungselements ein guter Wärmeleiter befestigt, der ein über den Radius der MIL hinausragender, gut wärmeleitender Körper ist, insbesondere, ein metallisches Blech 8 oder eine Hülle 9 bzw. Hülse 12. Vorzugsweise ist die Hülle 9 bzw. Hülse 12 auf einem Ring 11 befestigt. Dadurch wird die aus dem kleinen Durchmesser der MIL resultierende kleine Oberfläche des Temperaturerfassungsbereichs vergrößert und somit die Aufnahme oder Abgabe von Wärme schneller vollzogen, und damit einhergehend die Ansprechgeschwindigkeit entscheidend erhöht.
Man kann die MIL zur Stabilisierung zusätzlich in einem Stützrohr 9 positionieren, welches an dem im Abgas befindlichen Ende für ungefähr ein Drittel der Eintauchtiefe, mindestens jedoch über eine Länge von 40 mm mit Öffnungen 10 versehen ist. Die in ihrer Geometrie unterschiedlichen Öffnungen der 6 und 7 sind für unterschiedliche Anwendungen bzw. Größen der Messsysteme angepasst und dienen einem besseren Kontakt, bzw. der Einströmung des funktionellen Temperaturerfassungsbereichs der MIL mit dem Messmedium. Hierbei dienen das Wärmeleitblech 8 und die Abstandshalter 11 zur Positionierung bzw. Zentrierung der MIL in dem Stützrohr. Weiterhin wird die mit dem Stützrohr aufgenommene Wärme direkt und schnell über das Wärmeleitblech 8 bzw. Hülse 9 oder Abstandshalter 11 zum Temperaturerfassungselement hin oder von dort weg geleitet. Vorzugsweise ist die Wandstärke des Stützrohrs im Temperaturerfassungsbereich auf 0,2 bis 0,6 mm reduziert. Hierzu eignet sich beispielsweise ein ausgebohrtes Stützrohr gemäß 2 oder ein abgedrehtes Stützrohr gemäß 3. Somit wird aus dem Stützrohr ein Wärmeleitblech gefertigt und beispielsweise gemäß 2 im Bereich des Messwiderstands ausgebohrt oder gemäß 3 abgedreht. Auf diese Weise ist das Wärmeleitblech 9 einteilig mit einem Stützrohr ausgebildet. Die MI-Leitung ist an ihrem Mess element seitigen Ende mit einem Blech 8 gasdicht verschlossen, wobei das Blech 8 über den Radius der MI-Leitung hinausragt und zur Befestigung der Hülle 9 bzw. des Stützrohres dient. Der Deckel 8 bildet mit der Hülle 9 bzw. dem Stützrohr ein wärmeleitfähiges System.
Gemäß 4 dient eine Hülse 12 zur Abdichtung der MI-Leitung und wird an einem die Hülse 12 stabilisierenden Stützrohr 9 befestigt. Gemäß 5 erfolgt eine Zentrierung der MIL in dem Stützrohr über das zentrierende Wärmeleitblech 8.
Die Hülse 12 oder das Stützrohr 9 ist an dem im Abgas befindlichen Ende des Sensors für ungefähr ein Drittel der Eintauchtiefe, mindestens jedoch über eine Länge von 40 mm mit Öffnungen 10 für das ausströmende Abgas zugänglich gemacht.
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

- DE 19934738 B4 [0002]
- DE 10127871 C1 [0003]

Claims

Temperatursensor, bei dem ein Kabel zur Abschirmung eines Messwiderstandes (2) gegen das Messgas vorgesehen ist, der Messwiderstand (2) hierzu in dem Kabel eingebettet und mit elektrischen Adern (4) des Kabels elektrisch kontaktiert ist, das Kabel einen Metallmantel (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Messwiderstandes (2) außerhalb des Metallmantels (1) ein zusätzlicher Metallkörper (8, 9, 11, 12) angeordnet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Metallkörper (8, 12) den Metallmantel (1) abdichtet und über den Radius des Metallmantels (1) ragt.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmantel (1) mit einem über den Radius des Metallmantels (1) ragenden Deckel (8) abgedichtet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Messwiderstandes (2) ein Metallring (11) um den Metallmantel (1) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Metallmantel (1) beabstandete Metallhülle (9) im Bereich des Messwiderstandes mindestens eine Öffnung (10) aufweist.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine um den Metallmantel angeordnete Metallhülle (9) im Bereich des Messwiderstandes (2) gegenüber einem von dem Messwiderstand (2) entfernteren Bereich verjüngt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel ein mineralisoliertes Kabel ist.
Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors, bei dem ein Messelement (2) in einer mineralisolierten Leitung (MIL) mit elektrischen Adern (4) des Kabels elektrisch kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Blech (8, 9, 11, 12) an dem Metallmantel (1) der MIL befestigt wird, das über den Radius der MIL ragt.
Verwendung eines Temperatursensors zur Messung der Temperatur eines Abgases, bei dem im Bereich des Messwiderstands (2) ein Blech (8, 9, 11, 12) an einer mineralisolierten Leitung befestigt ist.
Verfahren zur Abgasbehandlung bei dem die Steuerung der Abgasbehandlung über eine Messung der Temperatur eines Abgases erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases mittels eines Temperatursensors gemessen wird, bei dem ein Metallkörper (8, 9, 11, 12) über den Radius einer mineralisolierten Leitung ragt, in der das Messelement (2) eingebettet ist.