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Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Temperaturfühler mit einem Thermoelement, umfassend eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung mit Thermoleitern.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines thermoelektrischen Temperaturfühlers.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung thermoelektrisch ermittelter Messwerte mit einem Temperaturfühler.
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Derartige thermoelektrische Temperaturfühler werden in Abgaskanälen und Verbrennungskammern von Verbrennungsmotoren, Turbinen und Verbrennungsanlagen eingesetzt. Die Temperaturfühler haben dabei im Allgemeinen die Aufgabe, Überschreitungen und Unterschreitungen von vorgegebenen Grenzwerten schnell und sicher zu signalisieren, so dass anhand der Messgröße „Temperatur” ein optimierter Verbrennungsvorgang realisierbar ist.
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Im Stand der Technik sind vielfältige Ausführungen von Temperaturfühlern bekannt, welche für den Einsatz bei hohen Temperaturen vorgesehen sind und mit mehrfachen Thermoelementen, auch als Mehrfach-Thermoelemente bezeichnet, arbeiten. Beim Einsatz von Mehrfach-Thermoelementen wird im Allgemeinen zwischen drei Mehrkanal-Basisausführungen der Mehrfach-Thermoelemente unterschieden.
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Eine erste Mehrkanal-Basisausführung umfasst Temperaturfühler mit zwei oder drei Kanälen, welche Regel- oder Abschalteinrichtungen zugeführt werden. Die Verwendung von mehreren Kanälen bzw. mehreren Thermoelementen, die an sich redundant sind, wird aus Sicherheitsgründen durchgeführt. Eine derartige Thermoelementanordnung ist aus der
DE 29 09 692 A1 bekannt. Die Thermoelementanordnung umfasst zwei parallel nebeneinander angeordnete und durch eine Anordnung speziell fixiert oder gehalterte Mantelthermoelemente. Die Mantelthermoelemente ragen während der Messung direkt in ein Messmedium hinein, wodurch ein relativ schnelles Ansprechverhalten erzielt werden soll.
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Eine zweite Mehrkanal-Basisausführung umfasst zwei Thermoelemente zu einer so genannten Tendenzanzeige. Dabei besitzen Messspitzen der Thermoelemente unterschiedliche thermische Trägheiten. Bei einer Verwendung eines Differenzsignals beider Kanäle kommt es bei einer Änderung von einer Erwärmung zu einer Abkühlung zu einem Vorzeichenwechsel. Zur Erzeugung eines derartigen Tendenzthermometers ist die aus der
DE 1 287 332 B bekannte Anordnung verwendbar, wobei Temperaturmesskanäle in Thermometerteile mit unterschiedlichen Wärmeleitungen oder unterschiedlichem thermischen Verhalten integriert werden.
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Eine dritte Mehrkanal-Basisausführung umfasst so genannte Stufenelemente, auch als Stufen-Thermoelemente bekannt. Mittels der Stufen-Thermoelemente sind Temperaturen in verschiedenen Höhen des Messmediums ermittelbar, wobei aus den Temperaturen ein integraler Mittelwert, wie beispielsweise in Tankanlagen, ermittelbar ist. Aus den Temperaturen ist weiterhin ein Füllstand oder ein Temperaturprofil ermittelbar. Ferner wird zwischen einer Elementanordnung mit nach außen stehenden Messstellen und Anordnungen mit einer Realisierung der Stufenanordnung im Inneren eines Schutzrohres unterschieden. Die Realisierung eines Stufenelementes mit äußeren Messstellen ist unter anderem aus der
DE 41 05 830 A1 bekannt. Hierbei ragen Thermoelemente aus seitlichen Öffnungen eines Schutzrohres heraus.
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Aus der
US 6,550,963 B2 ist ein Stufenelement bekannt, bei dem Thermoelemente gestuft im Inneren eines Schutzrohres angeordnet sind.
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Alle Mehrkanal-Basisausführungen haben gemeinsam, dass die Stufen- oder Tendenzausführungen mit diskreten Mantelelementen oder mit diskreten Drahtkombinationen realisiert werden.
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Eine Auswertung der Signale bei Mehrfach-Elementen erfolgt entweder zur Sicherheitsprüfung bei thermisch äquivalenten Signalen, zur Tendenzüberwachung, zur Füllstandsermittlung oder zur Mittelwertbildung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Temperaturfühler anzugeben, welcher sich durch eine kompakte Baugröße und gleichzeitig durch eine hohe Anwendungsvielfalt auszeichnet. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verwendungen des Temperaturfühlers und ein Verfahren zur Ermittlung thermoelektrisch ermittelter Messwerte mit einem Temperaturfühler anzugeben.
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Hinsichtlich des Temperaturfühlers wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 und Anspruch 8 angegebenen Merkmale sowie hinsichtlich der Verwendung durch die im Anspruch 12 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein Temperaturfühler umfasst ein Thermoelement, welches eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung mit Thermoleitern aufweist. Erfindungsgemäß sind innerhalb der Mantelleitung mehrere Temperatursensoren ausgebildet, wobei zumindest einer der Temperatursensoren durch eine Austrittsöffnung der Mantelleitung nach außerhalb der Mantelleitung ragt und die Mantelleitung an einer der Austrittsöffnung zugewandten Seite von einem Schutzelement verschlossen ist, wobei in dem Schutzelement zumindest ein Keramikformteil angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Temperaturfühler ermöglicht aufgrund seiner Ausbildung die gleichzeitige Erfassung von Temperaturen eines Mediums an unterschiedlichen Positionen bei gleichzeitig sehr kompakter Baugröße, welche aus der Ausbildung mehrerer Temperatursensoren innerhalb der Mantelleitung resultiert. Gegenüber den aus den Stand der Technik bekannten Lösungen zeichnet sich der erfindungsgemäße Temperaturfühler aufgrund der Ausbildung und Anordnung des Schutzelements weiterhin durch einen verbesserten Schutz der Temperatursensoren vor dem zu messenden Medium, insbesondere Heißgasmedium, aus, woraus sich eine hohe Lebensdauer und Langzeitstabilität des Temperaturfühlers ergeben. Daraus resultierend werden Drifterscheinungen der einzelnen Temperatursensoren vermieden oder zumindest vermindert, so dass sich der Temperaturfühler auch zur Verwendung bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise von bis zu 1200°C oder mehr, eignet. Weiterhin ist eine zusätzliche umhüllende Anordnung geschlossener oder perforierter Zusatzschutzrohre um den zumindest aus der Austrittsöffnung ragenden Temperatursensor nicht erforderlich, so dass eine Messdynamik des Temperatursensors und somit des Temperaturfühlers nicht eingeschränkt ist. Hieraus ergibt sich, dass auch schnelle Temperaturänderungen exakt erfassbar sind. Auch resultiert aus der Nicht-Erforderlichkeit der Zusatzschutzrohre, dass eine Längenausdehnung des Temperaturfühlers nicht aufgrund der Zusatzschutzrohre begrenzt ist, so dass der Temperaturfühler auch in großen Einbaulängen fertigbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Keramikformteil aus Bornitrid-Keramik mit einer hexagonalen oder kubischen Kristallstruktur gebildet, wobei vorzugsweise Bornitrid mit einer Reinheit von mindestens 95,5% verwendet wird. Aufgrund der kubischen oder hexagonalen Kristallstruktur ist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolationsfähigkeit der Keramik realisierbar. Hieraus resultiert in besonders vorteilhafter Weise eine besonders schnelle Reaktion der Temperatursensoren auf Temperaturänderung und daraus folgend eine hohe mögliche Messdynamik mit minimierten Totzeiten.
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Insbesondere ist das Bornitrid zur Erzeugung der Keramik hochverdichtet und gesintert. Die Versinterung erfolgt insbesondere derart, dass die Keramik durch einen Thermoschock in einen pulverförmigen Zustand zurückversetzbar ist. Somit ist das Keramikformteil zu einem besonders guten Schutz des Temperatursensors geeignet und zerfällt bei starken Temperaturwechseln bzw. Temperaturschocks in einfacher Weise.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das Keramikformteil zumindest eine zu zumindest einem Temperatursensor korrespondierende Aussparung, in welche der zumindest eine Temperatursensor berührungsfrei und zumindest teilweise hineinragt, so dass eine freie Bewegung des Temperatursensors möglich ist und Beeinflussungen des Temperatursensors durch das Schutzelement vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführung sind zumindest zwei Temperatursensoren in der gleichen Höhe nebeneinander angeordnet, wobei die Temperatursensoren als Thermoperlen ausgebildet sind, die unterschiedliche Durchmesser und unterschiedliche dynamische Temperaturempfindlichkeiten aufweisen. Die Thermoperlen sind durch Verschweißung von jeweils zwei Thermoleitern erzeugbar. Aufgrund der unterschiedlichen Größe der Thermoperlen, ist mittels der Thermoperlen ein signifikantes Differenzsignal erzeugbar ist. Eine derartige Anordnung der Temperatursensoren zeichnet sich durch eine einfache Realisierbarkeit mit geringem Aufwand aus, da eine gerade Ausbildung der Mantelleitung im Bereich der Austrittsöffnung möglich ist.
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Alternativ oder zusätzlich sind zumindest zwei Temperatursensoren in unterschiedlicher Höhe nebeneinander angeordnet, wobei die Mantelleitung im Bereich der Austrittsöffnung derart gestuft oder schräg ausgebildet ist, dass beide Temperatursensoren durch die Austrittsöffnung nach außerhalb der Mantelleitung ragen. Daraus resultiert in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit der Erfassung der Temperatur des Mediums an unterschiedlichen Positionen, wobei gleichzeitig aufgrund der gestuften oder schrägen Ausbildung der Mantelleitung Beeinflussungen der Temperatursensoren durch die Mantelleitung vermieden werden.
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In einem weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine durch die Austrittsöffnung nach außerhalb der Mantelleitung ragende Temperatursensor aus einer Thermoperle gebildet, welche mittels einer Verschweißung von zumindest zwei Thermoleitern erzeugbar ist, und an einer der Austrittsöffnung abgewandten Seite ist ein weiterer Temperatursensor angeordnet, wobei der weitere Temperatursensor mittels einer Kurzschluss-Kopplung von Leitungselementen einer Thermoausgleichsleitung gebildet ist. Somit ist in einfacher Weise einerseits die Temperatur des Mediums an der Messseite des Temperatursensors und andererseits die Temperatur am der Messseite abgewandten Ende ermittelbar.
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Besonders bevorzugt überdeckt das Stützelement eine das Schutzelement und die Mantelleitung verbindende Schweißnaht und den weiteren Temperatursensor. Somit sind die Schweißnaht und der Temperatursensor geschützt und das Schutzelement erfüllt eine Doppelfunktion, d. h. den Schutz der Schweißnaht und des Temperatursensors.
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Ein alternativer erfindungsgemäßer Temperaturfühler umfasst ein Thermoelement, welches eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung mit Thermoleitern umfasst. Erfindungsgemäß ist ein weiteres Thermoelement, umfassend eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung mit Thermoleitern, vorgesehen, wobei die Thermoelemente mittels eines gemeinsamen sich zur Messseite hin zumindest einfach verjüngenden Stützelementes und/oder Schutzelementes zueinander fixiert sind, wobei die Thermoelemente derart geformt sind, dass Messpositionen dieser innerhalb des sich verjüngenden Stützelementes und/oder Schutzelementes in unterschiedlichen Höhen angeordnet sind. Aus dieser Ausführung des Temperatursensors folgt, dass gleichzeitig an verschiedenen Positionen die Temperatur des Mediums erfassbar ist, wobei sich der Temperatursensor aufgrund der Verformung der Thermoelemente durch eine sehr kompakte Bauweise auszeichnet, und somit auch zur Erfassung der Temperatur in kleinen Messräumen geeignet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung weisen die Thermoelemente unterschiedliche Durchmesser auf. Aufgrund dieser unterschiedlichen Durchmesser ist in einfacher Weise und zuverlässig ein signifikantes Differenzsignal erzeugbar, da die Thermoelemente aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser verschiedene Temperaturempfindlichkeiten aufweisen. Auch ist eine vereinfachte Anordnung der Thermoelemente innerhalb des Stützelementes und/oder Schutzelementes möglich.
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Ferner sind in das Stützelement und/oder Schutzelement insbesondere zumindest eine Drucköffnung und/oder zumindest ein Druckkanal integriert, wobei über die Drucköffnung und/oder den Druckkanal in einfacher Weise ein Druck innerhalb des Temperaturfühlers ermittelbar ist.
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Auch bei dem alternativen Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers überdeckt das Stützelement vorzugsweise eine das Schutzelement und die Mantelleitung verbindende Schweißnaht und dient somit zum Schutz derselben.
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In einer Verwendung der alternativen Ausführungsbeispiele des Temperaturfühlers und/oder deren Weiterbildungen ist der Temperaturfühler zur Messwertprädiktion und/oder zur Korrektur eines Einbaufehlers und/oder zur Ermittlung einer Sensordrift vorgesehen. Diese Messgrößen sind zusätzlich zur zu messenden Temperatur des Mediums aufgrund der Ausbildung des Temperaturfühlers und/oder dessen Weiterbildungen in besonders einfacher Weise mit geringem Aufwand ermittelbar.
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In einem Verfahren zur Ermittlung thermoelektrisch ermittelter Messwerte mit einem Temperaturfühler werden erfindungsgemäß zum gleichen Abtastzeitpunkt verschiedene thermoelektrische Messkreise, insbesondere mit Temperatursensoren über Thermoleiter und über Leitungselemente Messwerte an eine Auswerteinheit übermittelt, wobei aus den Messwerten ein Differenzsignal erzeugt wird, welches zu einer Korrektur von Einbau- und Positionsfehlern verwendet wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in besonders einfacher Weise möglich, sehr exakt und schnell die Einbau- und Positionsfehler zu ermitteln.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu einem bestimmten Abtastzeitpunkt im zeitlich schnellsten thermoelektrischen Messkreis mittels der Auswerteeinheit ein Messwert ermittelt und anschließend wird eine Zeitdifferenz ermittelt, in welcher Messwerte zeitlich langsamerer thermischer elektrischer Messkreise den Messwert des zeitlich schnellsten thermoelektrischen Messkreises erreichen, wobei anhand der ermittelten Zeitdifferenz Dynamikkorrekturen durchgeführt werden. Die Dynamikkorrekturen sind sehr genau durchführbar, so dass die Messwerte mittels des Temperaturfühlers sehr exakt ermittelt werden können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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2 schematisch eine Realisierung eines zweiten Temperatursensors des Temperaturfühlers gemäß 1,
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3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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4 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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5 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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6 schematisch ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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7 schematisch ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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8 schematisch ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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9 schematisch ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers,
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10 schematisch ein neuntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers und
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11 schematisch ein zehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers 1 in verschiedenen Abschnitten dargestellt. Der Temperaturfühler 1 ist beispielsweise zur Erfassung einer Abgastemperatur innerhalb eines Turboladers für eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich sind weitere Hochtemperaturanwendungen, auch bei Temperaturen von mehr als 1200°C möglich.
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Innerhalb des Temperaturfühlers 1 ist eine dünnwandige Mantelleitung 2, eine so genannte Thermomantelleitung, angeordnet, welche ein als Mantelthermoelement ausgebildetes Thermoelement 3 bildet.
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Die Mantelleitung 2 umfasst ein Mantelrohr 2.1, einen abgehämmerten Bereich 2.2 und zwei in 2 näher dargestellte Thermoleiter 2.3, 2.4, welche einseitig, d. h. an einer Messseite des Temperaturfühlers 1, zu einem Temperatursensor 2.5 verschweißt sind. Der Temperatursensor 2.5 bildet dabei eine so genannte Thermoperle. Die Thermoleiter 2.3, 2.4 sind dabei als Thermodrähte ausgebildet und ragen durch eine Austrittsöffnung O des Mantelrohres 2.1 heraus. Innerhalb der Mantelleitung 2 befindet sich weiterhin ein keramisches Innenpulver 2.6 als Isolationsmittel.
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An einer der Messseite abgewandten Seite ragen die Thermoleiter 2.3, 2.4 ebenfalls heraus und sind mit insbesondere als Litzen ausgebildeten Leitungselementen 4.1, 4.2 einer Thermoausgleichsleitung 4 verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Verschweißung in Verbindungsbereichen 4.3, 4.4.
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Die Thermoausgleichleitung 4 ist als Doppelausgleichsleitung ausgebildet, wobei die Thermoausgleichsleitung 4 zusätzlich zu den Leitungselementen 4.1, 4.2 die Leitungselemente 4.8, 4.9 umfasst. Diese Leitungselemente 4.8, 4.9 sind an der der Austrittsöffnung Ö abgewandten Seite des Temperaturfühlers 1 miteinander zu einer Thermoperle verschweißt, welche einen zweiten Temperatursensor 2.7 bildet.
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Auf dieser Basis ist eine Temperatur des Mediums an der Position des Temperatursensors 2.5 und an der Übergangsstelle zur Thermoausgleichsleitung am Temperatursensor 2.7 messbar. Aus den gemessenen Temperaturen ist ein Differenzsignal ermittelbar, welches zu Korrekturzwecken hinsichtlich einer Sensordrift, hinsichtlich einer Korrektur von Umgebungsschwankungen und hinsichtlich einer Einbaufehlerkorrektur verwendbar ist.
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Die Thermoausgleichsleitung 4 ist mit einer nicht näher dargestellten elektronischen Auswerteeinheit gekoppelt, welche die erfassten Temperatursignale hochfrequent abtastet und auswertet. Zu dynamischen Zwecken werden insbesondere Zeitdifferenzen zwischen den beiden Thermoelementmesskanälen, d. h. zwischen den beiden Temperatursensoren 2.5, 2.7, bei gleichem Amplitudensignal verwendet.
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Weiterhin sind die Leitungselemente 4.1, 4.2, 4.8, 4.9 der Thermoausgleichsleitung 4 isoliert ausgebildet und umfassen hierzu jeweils ein separates Isolationselement 4.5, 4.6, 4.10, 4.11. Weiterhin ist vorzugsweise ein gemeinsames Isolationselement 4.7 vorgesehen, mit welchem die gesamte Thermoausgleichsleitung 4 an einer Verbindungsstelle zur Mantelleitung 2 überzogen ist.
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Das Isolationselement 4.7 ist elastisch ausgebildet und gleicht einem Fehlvolumen zwischen einem als Stützhülse bzw. Stützrohr ausgebildeten Stützelement 5 und der Mantelleitung 2 aus. Gleichzeitig dient das Isolationselement 4.7 als Knickschutz. Das Stützelement 5 ist mit dem Mantelrohr 2.1 der Mantelleitung 2 verbunden. Die Verbindung erfolgt mittels einer Verpressung der Stützelements 5.
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Zum Schutz des Temperatursensors 2.5 ist ein Schutzelement 6 vorgesehen, wobei das Schutzelement 6 als Schutzhülse ausgebildet und derart angeordnet ist, dass der Temperaturfühler 1 vollständig verschlossen ist. Zum Schutz der des Temperatursensors 2.5 ist in dem Schutzelement 6 weiterhin ein Keramikformteil 7 angeordnet, welche eine zu dem Temperatursensor 2.5 korrespondierende Aussparung 7.1 umfasst. In diese Aussparung 7.1 ragt der Temperatursensor 2.5 teilweise hinein, so dass dieser von dem halbkugelförmig ausgebildeten Keramikformteil 7 geschützt ist. Das Keramikformteil 7 füllt dabei den vorderen Raum des Schutzelements 6 aus.
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Das Keramikformteil 7 ist insbesondere aus Bornitrid mit einer hexagonalen oder kubischen Kristallstruktur gebildet und ist im Weiteren hochdicht versintert. Die Versinterung erfolgt in der Art, dass das Keramikformteil 7 bei vorgegebenen Temperaturschocks leicht zerfällt und zu einer guten Umhüllung des Temperatursensors 2.5 im praktischen Gebrauch führt.
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Das Stützelement 5 überragt das im vorderen Teil verwendete Schutzelement 6. Das Schutzelement 6 ist im Weiteren leicht angepresst, so dass in dessen Außenseite Längsrillen 8 entstehen. Dadurch wird das Schutzelement 6 fest mit dem Mantelrohr 2.1 des abgehämmerten Bereichs 2.2 der Mantelleitung 2 verpresst. Die nach vorne über die Rundung des Schutzelements 6 auslaufenden Längsrillen 8 ermöglichen bei schnellen Temperaturänderungen einen thermischen Ausdehnungsausgleich des Schutzelements 6, ohne das Spannungszustände entstehen.
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Die Verpressung ist dabei derart ausgeführt, dass Längsverschiebungen möglich sind. Das Schutzelement 6 ist über eine Schweißnaht 9 weiterhin mit dem Mantelrohr 2.1 des abgehämmerten Bereichs 2.2 der Mantelleitung 2 verschweißt, wobei die Erzeugung der Schweißnaht 9 vorzugsweise in einem Rundschweißverfahren erfolgt. Aufgrund der Anordnung der Schweißnaht 9 befindet sich diese nicht direkt im Heißgasstrom, so dass eine Lebensdauer der Schweißnaht 9 nicht durch Hochkorrosions- und Relaxationseffekte beeinflusst wird.
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Dabei erfolgt die Verschweißung in der Art, dass die Schweißnaht 9 sich am Konus der abgehämmerten Mantelleitung 2 befindet. Die Mantelleitung 2 ist im vorderen Teil soweit abgehämmert, dass ein Außendurchmesser des Schutzelements 6 und ein Außendurchmesser der Mantelleitung 2 im ungehämmerten Teil etwa gleich groß sind. Im Bereich der Schweißnaht 9 sind das Mantelrohr 2.1 und das Schutzelement 6 mittels der Stützhülse 5 abgedeckt.
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Ein Zwischenraum im hinteren Teil des Temperaturfühlers 1 im Endbereich Mantelleitung 2 ist mit einem Vergussmittel 21 gefüllt. Das Vergussmittel 21 ist hochtemperaturfest und dünnflüssig. Das Vergussmittel 21 ist insbesondere als Glaslot ausgebildet. Es wird eingegossen, bevor das elastische Isolationselement 4.7 über das untere Ende der Mantelleitung 2 geschoben wird und das Stützelement 5 über eine wandförmige Verpressung formschlüssig an die Thermoausgleichsleitung 4 angepresst wird.
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Zusätzlich ist auch ein Zwischenraum zwischen dem Isolationselement 2.7 und dem Vergussmittel 21 mit einem weiteren Vergussmittel 22 ausgefüllt, welches insbesondere gemäß dem Vergussmittel 21 ausgebildet ist und wie dieses verarbeitet wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Vergüsse mit den Vergussmitteln 21, 22 gleichzeitig as ein gemeinsamer Verguss erzeugt.
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Alternativ ist das Vergussmittel 22 eine Bornitrid-Suspension.
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3 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers 1, welcher zwei Temperatursensoren 2.5, 2.7 umfasst.
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Der Temperaturfühler 1 weist im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei zusätzliche Thermoleiter 2.8, 2.9 auf, welche an der Messseite, d. h. an der Austrittsöffnung O der Mantelleitung 2 zum zweiten, ebenfalls als Thermoperle ausgebildeten Temperatursensor 2.7 verschweißt sind.
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Zur Erzeugung des dargestellten Ausführungsbeispiels des Temperaturfühlers 1 wird das Mantelrohr 2.1 der Mantelleitung 2 an der Austrittsöffnung O plan, d. h. gerade ausgebildet.
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Durch unterschiedliche Schweißtechnologien werden an der Austrittsöffnung O zwei unterschiedlich große Schweißperlen durch Verschweißung der Thermoleiter 2.3, 2.4 bzw. der Thermoleiter 2.8, 2.9 erzeugt, wobei die Schweißperlen die Temperatursensoren 2.5, 2.7 bilden, welche berührungsfrei in die Aussparung 7.1 des Keramikformteils 7 ragen. Die Temperatursensoren 2.5, 2.7 weisen aufgrund der unterschiedlichen Größe verschiedene Temperaturempfindlichkeiten bzw. thermische Trägheiten auf.
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Mittels der Temperatursensoren 2.5, 2.7 ist aus den gemessenen Temperaturen ebenfalls ein signifikantes Differenzsignal ermittelbar, welches zu Korrekturzwecken hinsichtlich einer Sensordrift und hinsichtlich einer Korrektur von Umgebungsschwankungen sowie zur Korrektur einer Anzeigeträgheit verwendbar ist.
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Von den jeweiligen Temperatursensoren 2.5, 2.7 aus sind die Thermoleiter 2.3, 2.4, 2.8, 2.9 an die kältere, der Austrittsöffnung O und dem Messmedium abgewandten Seite des Temperaturfühlers 1 geführt und dort in nicht dargestellter Weise mit den Leitungselementen 4.1, 4.2 der Thermoausgleichsleitung 4, welche als einfache Thermoausgleichsleitung ausgebildet ist, verbunden.
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Die Thermoausgleichsleitung 4 ist wiederum mit einer nicht näher dargestellten elektronischen Auswerteeinheit gekoppelt, welche die erfassten Temperatursignale hochfrequent abtastet und auswertet. Zu dynamischen Zwecken werden insbesondere Zeitdifferenzen zwischen den beiden Thermoelementmesskanälen, d. h. zwischen den beiden Temperatursensoren 2.5, 2.7, bei gleichem Amplitudensignal verwendet.
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In 4 ist ein Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des Temperaturfühlers 1 dargestellt.
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Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel, sind die Temperatursensoren 2.5, 2.7 in unterschiedlichen Höhen im Temperaturfühler 1 angeordnet. Die Temperatursensoren 2.5, 2.7 sind dabei gleich ausgebildet. In nicht näher dargestellten Ausführungsbeispielen können die Temperatursensoren 2.5, 2.7 alternativ unterschiedlich ausgebildet sein.
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Um eine Beeinflussung der Temperatursensoren 2.5, 2.7 durch das Mantelrohr 2.1 zu vermeiden, ist das Mantelrohr 2.1 an der Messseite gemäß einer gedachten Verbindungslinie zwischen den Temperatursensoren 2.5, 2.7 schräg ausgebildet, so dass sich die Austrittsöffnung O des Mantelrohres 2.1 in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel zur Seitenwand des Mantelrohres 2.1 ausbildet.
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Zum Schutz der Temperatursensoren 2.5, 2.7 ist zusätzlich zum Keramikformteil 7, welches als Halbkugel den zu dieser korrespondierenden Teil des Schutzelements 6 ausfüllt, ein weiteres Keramikformteil 10 innerhalb des Schutzelements 6 angeordnet. Das zweite Keramikformteil 10 weist einen nahezu dreieckigen Querschnitt auf und verläuft zwischen einer Oberseite des Keramikformteils 7 und der Austrittsöffnung O. Das Keramikformteil 10 ist aus dem gleichen Material wie das Keramikformteil 10 gebildet und wird vorzugsweise in der gleichen Art und Weise hergestellt.
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Das zweite Keramikformteil 10 weist zwei Aussparungen 10.1, 10.2 auf, welche an den Positionen der Temperatursensoren 2.5, 2.7 angeordnet und mit deren Form korrespondieren. Die Temperatursensoren 2.5, 2.7 ragen jeweils frei beweglich in die jeweilige Aussparung 10.1, 10.2 hinein.
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Mittels der Temperatursensoren 2.5, 2.7 ist die Temperatur des Messmediums wiederum an zwei unterschiedlichen Positionen erfassbar, so dass ein signifikantes Differenzsignal erzeugbar ist.
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5 zeigt einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels des Temperaturfühlers 1.
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Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 ist das Mantelrohr 2.1 an der Messseite gestuft ausgebildet, so dass die Austrittsöffnung O des Mantelrohres 2.1 im Bereich der Temperatursensoren 2.5, 2.7 jeweils im Seitenwand des Mantelrohres 2.1 ausgebildet ist.
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Weiterhin weist das erste Keramikformteil 7 eine Aussparung 7.1 auf, in welche der Temperatursensor 2.5 frei beweglich hineinragt.
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Das zweite Keramikformteil 10 ist in einem sich zwischen einer Oberseite des ersten Keramikformteils 7 und dem zweiten Temperatursensoren 2.7 bildenden Zwischenraum angeordnet und weist ebenfalls eine Aussparung 10.1 auf, in welches der zweite Temperatursensoren 2.7 frei beweglich hineinragt.
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Sowohl bei dem in 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 als auch bei dem in 5 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 kann das Schutzelement 6 alternativ einfach oder mehrfach gestuft ausgebildet sein, wobei dann zumindest ein Temperatursensor 2.5, 2.7 im dicken Teil der Mantelleitung 2 bzw. der des Schutzelements 6 angeordnet ist. Ein derart gestuft ausgebildetes Schutzelement 6 ist in 6 näher dargestellt.
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In 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 dargestellt. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der Temperaturfühler 1 zwei als Mantelthermoelemente ausgebildete, bodenverschweißte und diskrete Thermoelemente 3, 11 auf, welche mittels eines gemeinsamen Schutzelements 6 geschützt sind.
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Das Schutzelement 6 ist einfach gestuft ausgebildet, wobei im Bereich B1 des Schutzelements 6 mit dem geringeren Durchmesser der Messbereich des Thermoelements 11 angeordnet ist. Am unteren Ende eines Bereichs B2 mit dem größeren Durchmesser, d. h. vor einem Übergangsbereich zwischen den Bereichen B1, B2, endet das Thermoelement 3.
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Zur Realisierung einer kompakten Baugröße des Temperaturfühlers 1 ist das Thermoelement 11 im Übergangsbereich entsprechend vorgeformt, insbesondere gebogen.
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Der gesamte Aufbau wird im Weiteren nochmals geformt, insbesondere abgehämmert, so dass die Thermoelemente 3, 11 form- und/oder kraftschlüssig in dem Schutzelement 6 untergebracht sind. Im Allgemeinen ist es ungünstig, Thermoelemente 3, 11 nicht konzentrisch zu verformen. Durch einseitiges Beglühen der Mantelleitung 2 und durch eine der inneren Thermoleiterkonstellation zuordenbaren Lage ist eine nichtkonzentrische Verformung möglich, ohne dass sich der Isolationswiderstand verringert. Auch ein nachträgliche Verformung des Schutzelements 6 und der Thermoelemente 3, 11 sind auf dieser Basis möglich.
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Die Thermoelemente 3, 11 weisen dabei unterschiedliche Durchmesser auf, wobei das Thermoelement 3 einen geringeren Durchmesser als das Thermoelement 11 aufweist. Aufgrund dieser unterschiedlichen Durchmesser ist in einfacher Weise und zuverlässig ein signifikantes Differenzsignal erzeugbar, da die Thermoelemente 3, 11 aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser verschiedene Temperaturempfindlichkeiten bzw. thermische Trägheiten aufweisen. Auch ist aufgrund der Möglichkeit der unterschiedlichen Größe der Thermoelemente 3, 11 eine vereinfachte Anordnung der Thermoelemente 3, 11 innerhalb des Schutzelements 6 möglich.
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Das Schutzelement 6 weist an der der Messseite abgewandten Seite einen umlaufenden Bund 12 auf, mittels welchem das Schutzelement 6 gemeinsam mit einer Überwurfmutter 13 an einem weiteren Bauteil, beispielsweise dem Stützelement 5 befestigbar ist.
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Mittels des dargestellten Temperatursensors 1 ist wiederum die Temperatur des Messmediums in unterschiedlichen Positionen ermittelbar und ein signifikantes Differenzsignal erzeugbar.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 eignet sich insbesondere für Thermoelemente 3, 11 mit kurzen Einbaulängen.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 mit zwei Thermoelementen 3, 11 dargestellt.
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Im Unterschied zu dem in 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel sind die Thermoelemente 3, 11 in einem gemeinsamen, sich zu Messseite hin verjüngenden Stützelement 5 angeordnet, wobei das Thermoelement 11 wiederum entsprechend der Form des Stützelements 5 in einem Übergangsbereich zwischen den Bereichen B1, B2 vorgeformt ist.
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Der umlaufende Bund 12 ist mittels Verschweißung unter Erzeugung einer Schweißnaht 14 mit dem Stützelement 5 verbunden.
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Weiterhin weist der Temperaturfühler 1 einen Druckkanal 15 auf, über welchen in einfacher Weise ein Druck innerhalb des Temperaturfühlers 1 ermittelbar ist.
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An der Messseite ist das Stützelement 5 vorzugsweise mit dem Thermoelement 11 verpresst, wobei in diesem Bereich an der Außenseite des Stützelements 5 die Längsrillen 8 ausgebildet sind.
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An der der Messseite abgewandten Seite ist der Temperaturfühler 1 mittels eines Deckelelements 16 vorzugsweise fluiddicht verschlossen, wobei das Deckelelement 16 zu dem Druckkanal 15 und den Thermoelementen 3, 11 korrespondierende Durchführungen auf.
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In einer nicht näher dargestellten Weiterbildung ist der Temperaturfühler 1 an der Messseite mit einem Schutzelement 6 verschlossen, welches vorzugsweise mit dem Stützelement 5 verpresst und/oder verschweißt ist.
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8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 mit zwei Thermoelementen 3, 11 in verschiedenen Ansichten, wobei die Thermoelemente 3, 11 einen ovalen Querschnitt aufweisen.
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Das Thermoelement 11 weist einen signifikant größeren Querschnitt als das Thermoelement 3 auf.
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Beide Thermoelemente 3, 11 sind mit dem Stützelement 5 verschweißt, wobei eine umlaufende Schweißnaht 17 ausgebildet ist.
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In 9 ist ein achtes Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 dargestellt, wobei der Temperaturfühler 1 zwei Thermoelemente 3, 11 umfasst.
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Die Mantelleitung 2 des Thermoelements 11 ist an der Messseite mit dem Schutzelement 6 verschlossen, wobei in dem Schutzelement 6 zum Schutz des Temperatursensors 2.5 das Keramikformteil 7 angeordnet ist. Der Temperatursensor 2.5 ragt berührungsfrei in die Aussparung 7.1 des Keramikformteils 7 hinein.
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Das Schutzelement 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichzeitig zum Verschluss des gesamten Temperaturfühlers 1 vorgesehen durch eine Öffnung ins Innere des Stützelements 5 geführt und innerhalb des Stützelements 5 an dem Mantelrohr 2.1 der Mantelleitung 2 des Thermoelements 11 verschweißt, wobei eine umlaufende Schweißnaht 18 ausgebildet ist. An der Öffnung des Stützelements 5 sind das Stützelement 5 und das Schutzelement 6 vorzugsweise verpresst.
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10 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1, wobei im Unterschied zu dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Thermoelemente 3, 11 in einem an der Messseite verschlossenen Schutzelement 6 angeordnet sind.
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In 11 ist schematisch ein zehntes Ausführungsbeispiel des Temperaturfühlers 1 dargestellt, wobei der Temperaturfühler 1 vier Thermoelemente 3, 11, 19, 20 umfasst, mittels welchen in vier verschiedenen Positionen die Temperatur des Messmediums erfassbar sind. Die Thermoelemente 3, 11, 19, 20 sind als Mantelthermoelemente ausgebildet. Die Thermoelemente 3, 11, 19, 20 sind stufenförmig in einem Schutzelement 6 angeordnet, welches in Richtung der Messseite mehrfach verjüngt ausgebildet ist.
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Das Schutzelement 6 ist an der Messseite geschlossen ausgebildet. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Thermoelemente 3, 11, 19, 20 in einem gemeinsamen, mehrfach verjüngten Stützelement 5 angeordnet, welches an der Messseite eine Öffnung aufweist und mit einem Schutzelement 6 verschlossen sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturfühler
- 2
- Mantelleitung
- 2.1
- Mantelrohr
- 2.2
- Bereich
- 2.3
- Thermoleiter
- 2.4
- Thermoleiter
- 2.5
- Temperatursensor
- 2.6
- Innenpulver
- 2.7
- Temperatursensor
- 2.8
- Thermoleiter
- 2.9
- Thermoleiter
- 3
- Thermoelement
- 4
- Thermoausgleichsleitung
- 4.1
- Leitungselement
- 4.2
- Leitungselement
- 4.3
- Verbindungsbereich
- 4.4
- Verbindungsbereich
- 4.5
- Isolationselement
- 4.6
- Isolationselement
- 4.7
- Isolationselement
- 4.8
- Leitungselement
- 4.9
- Leitungselement
- 4.10
- Isolationselement
- 4.11
- Isolationselement
- 5
- Stützelement
- 6
- Schutzelement
- 7
- Keramikformteil
- 7.1
- Aussparung
- 8
- Längsrille
- 9
- Schweißnaht
- 10
- Keramikformteil
- 10.1
- Aussparung
- 10.2
- Aussparung
- 11
- Thermoelement
- 12
- Bund
- 13
- Überwurfmutter
- 14
- Schweißnaht
- 15
- Druckkanal
- 16
- Deckelelement
- 17
- Schweißnaht
- 18
- Schweißnaht
- 19
- Thermoelement
- 20
- Thermoelement
- 21
- Vergussmittel
- 22
- Vergussmittel
- B1
- Bereich
- B2
- Bereich
- O
- Austrittsöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2909692 A1 [0006]
- DE 1287332 B [0007]
- DE 4105830 A1 [0008]
- US 6550963 B2 [0009]
