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Die Erfindung geht von einem Temperatursensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus, wie er aus der
EP 2 068 137 A2 bekannt ist.
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Ein ähnlicher Temperatursensor ist aus der
EP 1 881 309 A1 bekannt. Der bekannte Temperatursensor hat einen Messwiderstand, der aus einem Plättchen als Träger und darauf angeordneten Widerstandsmaterial wie Platin besteht. Der Messwiderstand ist in Füllmaterial eingebettet in einer Schutzhülse angeordnet und über einen Anschlussdrahtabschnitt an einen Verbindungsdraht angeschlossen, der aus der Schutzhülse herausführt. Der Anschlussdrahtabschnitt ist zu einem Bogen geformt, um mechanische Spannungen, die durch Temperaturwechsel hervorgerufen werden können, auszugleichen.
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Die Einsatzbedingungen für Temperatursensoren im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren sind nämlich schwierig. Sie sind gekennzeichnet durch hohe Temperaturen von über 600°C bis in die Nähe von 1000°C, durch schnelle Temperaturänderungen, z. B. durch Temperaturanstiege um 800°C in weniger als 2 Sekunden, durch Vibrationen und das Umspült werden von aggressiven Medien. Schnelle Temperaturänderungen führen in Verbindung mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere des Füllmaterials und der Drähte, zu Beanspruchungen der Drähte, die dazu führen können, dass diese reißen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindungen ist es deshalb, einen Weg aufzuzeigen, wie die Lebensdauer von Temperatursensoren im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren erhöht werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Temperatursensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Temperatursensors gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Temperatursensor ist der Messwiderstand über einen Anschlussdrahtabschnitt an einen Verbindungsdraht angeschlossen, wobei der Anschlussdrahtabschnitt zu einem Bogen geformt ist, der sich beweglich über einen Endabschnitt des Verbindungsdrahtes hinweg erstreckt. Der Anschlussdrahtabschnitt ist erst an einem Ende des Bogens an dem Verbindungsdraht befestigt, nämlich an einer Stelle, die von dem Ende des Verbindungsdrahtes, das dem Messwiderstand zugewandt ist, entfernt ist. Während bei herkömmlichen Temperatursensoren der Anschlussdrahtabschnitt direkt am Ende des Verbindungsdrahts befestigt ist, ist der der Anschlussdraht eines erfindungsgemäßen Temperatursensors an dem Verbindungsdraht in einem Abstand von dessen dem Messwiderstand zugewandten Ende befestigt. Der zu einem Bogen geformte Anschlussdrahtabschnitt erstreckt sich deshalb beweglich an einem Endabschnitt des Verbindungsdrahtes entlang.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Temperatursensors wird also ein Messwiderstand über einen Anschlussdrahtabschnitt an einen Verbindungsdraht angeschlossen und danach in einer Schutzhülse in Füllmaterial eingebettet, wobei der Anschlussdrahtabschnitt an den Verbindungsdraht angeschlossen wird, indem der Anschlussdrahtabschnitt an einer Verbindungsstelle des Verbindungsdrahts befestigt wird, die von dem Ende des Verbindungsdrahts, das dem Messwiderstand zugewandt ist, einen Abstand hat.
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Unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Schutzhülse, der Füllmasse, des Messwiderstands oder von Drähten können zu temperaturbedingten Relativbewegungen zwischen dem Messwiderstand und dem Verbindungsdraht führen, so dass der Anschlussdrahtabschnitt mechanisch belastet wird. Bei herkömmlichen Temperatursensoren ist diese Belastung des Anschlussdrahtabschnitts eine häufige Ursache für einen Ausfall des Temperatursensors durch Abreißen des Anschlussdrahtabschnitts.
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Wenn es zu temperaturbedingten Relativbewegungen zwischen dem Messwiderstand und dem Verbindungsdraht kommt, kann der Endabschnitt des Verbindungsdrahts bei einem erfindungsgemäßen Temperatursensor als Anschlag für den Messwiderstand wirken und so den Anschlussdrahtabschnitt mechanisch entlasten. Bewegungen des Messwiderstands in die entgegen gesetzte Richtung, d. h. weg von dem Verbindungsdraht, können durch eine Streckung des zu einem Bogen geformten Anschlussdrahtabschnitts kompensiert werden.
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Auf diese Weise wird bei einem erfindungsgemäßen Temperatursensor der Anschlussdrahtabschnitt wesentlich entlastet und folglich die Gefahr eines Abreißens des Anschlussdrahtabschnitts reduziert. Ein erfindungsgemäßer Temperatursensor kann deshalb selbst harte Temperaturwechsel gut überstehen und hat eine verbesserte Lebensdauer.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme, den bogenförmigen Anschlussdrahtabschnitt in einem Abstand von dem den Messwiderstand zugewandten Ende des Verbindungsdrahts zu befestigen, ist umso vorteilhafter, je empfindlicher der Anschlussdrahtabschnitt im Vergleich zu dem Verbindungsdraht ist. Typischerweise hat der Anschlussdrahtabschnitt eine kleinere Querschnittsfläche als der Verbindungsdraht und ist deshalb mechanisch wesentlich weniger belastbar. Insbesondere wenn für den Messwiderstand eine Platinmetalllegierung verwendet wird, beispielsweise als Pt-100 oder Pt-200 Widerstand, besteht der Anschlussdrahtabschnitt üblicherweise aus Platin oder einer Platinmetalllegierung und kann deshalb mechanischen Belastungen nur schlecht Stand halten. Platin und andere Platinmetalle werden insbesondere bei höheren Temperaturen relativ weich, so dass ein daraus hergestellter Draht wesentlich leichter reißt als kostengünstigere Drähte auf Basis von Eisen, Nickel oder Kupfer, wie sie bevorzugt für Verbindungsdrähte verwendet werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Verbindungsdraht eine Stufe aufweist und der Anschlussdrahtabschnitt von dem Messwiderstand aus gesehen vor der Stufe an dem Verbindungsdraht befestigt ist. Auf diese Weise kann die Herstellung eines erfindungsgemäßen Temperatursensors erleichtert werden, da durch die Stufe die Position zur Befestigung des Anschlussdrahtabschnitts an dem Verbindungsdraht vorteilhaft vorgegeben werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Messwiderstand einen Träger aufweist, der einen elektrischen Leiter mit einem temperaturabhängigen Widerstand trägt. Der Träger ist bevorzugt ein Plättchen. Als Material für den Träger ist insbesondere Keramik geeignet. Der elektrische Leiter ist bevorzugt aus Platin oder einer Platinmetalllegierung, beispielsweise ein Pt-100 oder Pt-200 Widerstand. Für den Messwiderstand kann aber beispielsweise auch ein NTC-Widerstand verwendet werden, also ein Material, dessen elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur fällt.
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Bevorzugt deutet der Verbindungsdraht auf den Träger des Messwiderstandes. Das bedeutet, dass eine gedachte Verlängerungslinie des Verbindungsdrahtes den Träger schneidet. Bei der Herstellung wird der Verbindungsdraht bevorzugt an den Träger anstoßend montiert. Durch thermisch bedingte Relativbewegungen oder Erschütterung beim Betrieb eines Fahrzeugs, in dessen Abgasstrang der Sensor montiert ist, kann ein Spalt zwischen dem Träger und dem Verbindungsdraht entstehen. Bevorzugt ist der Träger von dem Verbindungsdraht bei einem fabrikneuen, d. h. unbenutzten Sensor weniger als die Stärke des Verbindungsdrahtes, vorzugsweise weniger als 0,1 mm, entfernt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Verbindungsdraht eine Stärke von wenigsten 0,4 mm, vorzugsweise wenigstens 0,5 mm hat. Auf diese Weise kann der Verbindungsdraht als Anschlag eine Relativbewegung des Messwiderstandes besonders wirksam verhindern. Bevorzugt hat der Verbindungsdraht eine wenigstens doppelt so große, besonders bevorzugt wenigstens dreimal so große, Querschnittsfläche wie der Anschlussdrahtabschnitt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Temperatursensors.
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Der in 1 in einer schematischen Schnittansicht dargestellte Temperatursensor hat einen Messwiderstand 1, der über einen Anschlussdrahtabschnitt 2 an einen Verbindungsdraht 3 angeschlossen ist. Der Messwiderstand 1 ist in Füllmaterial 6, beispielsweise Keramikpulver oder Vergussmasse, eingebettet und von einer Schutzhülse 4 umgeben. Die Schutzhülse 4 ist an einem Ende mit einem Stopfen 5 verschlossen, durch den der Verbindungsdraht 3 hindurch geführt ist. An dem anderen Ende hat die Schutzhülse 4 einen Boden.
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Der Messwiderstand 1 kann beispielsweise ein Flachmesswiderstand sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Messwiderstand 1 einen Träger, der vorteilhaft ein Plättchen ist. Der Träger kann beispielsweise aus Keramik bestehen. Als Widerstandsmaterial können Platinmetalllegierungen, insbesondere Legierungen die zu mehr als 50 Gew.-% aus einem oder mehreren Platinmetallen bestehen, oder NTC-Materialien verwendet werden.
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Der Anschlussdrahtabschnitt 2 ist zu einem Bogen geformt. Der Bogen erstreckt sich beweglich über einen Endabschnitt des Verbindungsdrahts 3. Der Anschlussdrahtabschnitt 2 ist an einem Ende des Bogens an dem Verbindungsdraht 3 befestigt, beispielsweise durch Verschweißen oder Hartlöten. Der Anschlussdrahtabschnitt 2 ist also an einer Stelle 7 des Verbindungsdrahts 3 befestigt, die von dem Ende des Verbindungsdrahts 3, das dem Messwiderstand 1 zugewandt ist, entfernt ist.
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Der Verbindungsdraht 3 deutet auf den Träger des Messwiderstandes 1. Der Träger ist von dem ihm zugewandten Ende des Verbindungsdrahtes 3 weniger als die Stärke des Verbindungsdrahtes 3, vorzugsweise weniger als 0,1 mm entfernt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand d zwischen dem Verbindungsdraht 3 und dem Messwiderstand 1 weniger als 0,05 mm. Der Verbindungsdraht 3 wird nämlich an den Messwiderstand 1 anstoßend montiert.
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Wenn der Messwiderstand 1 aufgrund thermischer Längenänderungen zu dem Stopfen 5 hinbewegt wird, kann das dem Messwiderstand 1 zugewandte Ende des Verbindungsdrahtes 3 als Anschlag wirken und eine mechanische Belastung des Anschlussdrahtabschnitts 2 verhindern. Umgekehrt kann sich bei einer Relativbewegung des Messwiderstands 1 weg von dem Verbindungsdraht 3 der Bogen des Anschlussdrahtabschnitts 2 strecken, so dass auch in diesem Fall kaum eine Gefahr besteht, dass der Anschlussdrahtabschnitt 2 reißt.
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Der Anschlussdrahtabschnitt 2 besteht aus einer Platinmetallegierung, bevorzugt aus Platin oder einer Platinbasislegierung, und ist deshalb bei höheren Temperaturen relativ weich. Der Verbindungsdraht 3 kann dagegen aus einem mechanisch belastbareren Material, beispielsweise einer Nickelbasislegierung wie Inconel hergestellt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Verbindungsdraht 3 eine größere Querschnittsfläche als der Anschlussdrahtabschnitt 2, bevorzugt eine wenigstens doppelt so große Querschnittsfläche. Der Verbindungsdraht 3 kann beispielsweise eine Stärke von 0,5 mm haben; der Anschlussdrahtabschnitt 2 eine Stärke von 0,3 mm oder weniger.
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Um die Fertigung zu erleichtern kann der Verbindungsdraht 3 eine Stufe aufweisen. Der Anschlussdrahtabschnitt 2 wird von dem Messwiderstand 1 aus gesehen vor der Stufe an dem Verbindungsdraht 3 befestigt. Durch die Stufe kann also die zur Befestigung des Anschlussdrahtabschnitts 2 vorgesehene Stelle 7 markiert wenden.
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Zur Herstellung des in 1 dargestellten Temperatursensors wird der Messwiderstand 1 über den Anschlussdrahtabschnitt 2 an den Verbindungsdraht 3 angeschlossen, indem der Anschlussdrahtabschnitt 2 an einer Verbindungsstelle 7 des Verbindungsdrahts 3 befestigt wird, die von dem Ende des Verbindungsdrahts 3, dass dem Messwiderstand 1 zugewandt ist, einen Abstand hat. Der Anschlussdrahtabschnitt 2 wird dabei zu einem Bogen geformt, der sich über einen Endabschnitt des Verbindungsdrahts 3 bis zu der Verbindungsstelle 7 erstreckt. Danach wird der Messwiderstand 1 in der Schutzhülse 4 in Füllmaterial 6 eingebettet und die Schutzhülse 4 verschlossen, beispielsweise mit einem Stopfen 5, der bevorzugt aus Keramikmaterial besteht.
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Als Füllmaterial 6 können beispielsweise Keramikpulver, insbesondere aus Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid verwendet werden. Anstelle von Pulvern kann als Füllstoff auch keramische Vergussmasse verwendet werden, wie beispielsweise Cerastil-V 336.
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Der Verbindungsdraht 3 kann durch eine Einengung 8 der Schutzhülle 4 zusätzlich fixiert sein. In der Schnittansicht von 1 sind nur ein einziger Verbindungsdraht 3 mit dem daran befestigten Anschlussdrahtabschnitt 2 zu sehen. Üblicherweise verläuft neben dem hergestellten Verbindungsdraht 3 ein weiterer Verbindungsdraht, der über einen weiteren Anschlussdrahtabschnitt an den Messwiderstand 1 angeschlossen ist. Der weitere Verbindungsdraht und der weitere Anschlussdrahtabschnitt können in gleicher Weise ausgestaltet und miteinander verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messwiderstand
- 2
- Anschlussdrahtabschnitt
- 3
- Verbindungsdraht
- 4
- Schutzhülse
- 5
- Stopfen
- 6
- Füllmaterial
- 7
- Verbindungsstelle
- 8
- Einengung
- d
- Abstand
