DE102012104191B3

DE102012104191B3 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE102012104191B3
Application number: DE201210104191
Authority: DE
Inventors: Felizitas Heilmann
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einem Messwiderstand (3), dessen elektrischer Widerstand von seiner Temperatur abhängt, einer den Messwiderstand (3) umgebenden Schutzhülse (10), die an einem Ende durch einen Hülsenboden verschlossen ist und an ihrem anderen Ende einen Zugang zum Innenraum der Schutzhülse hat, und einem elektrisch isolierenden Füllstoff (6), in dem der Messwiderstand (3) in der Schutzhülse (10) eingebettet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Messwiderstand (3) aus einer Legierung ist, die überwiegend aus Nickel und Chrom besteht.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Temperatursensor zur Verwendung im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie er beispielsweise aus der DE 10 2006 034 246 B3 bekannt ist.
Die Einsatzbedingungen für Temperatursensoren im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren sind schwierig. Sie sind gekennzeichnet durch hohe Temperaturen im Bereich von 1000°C, durch schnelle Temperaturänderungen, z. B. durch Temperaturanstiege beim Starten des Fahrzeugs um 800 K in nur 5 Sekunden, durch Vibrationen und das Umspültwerden von aggressiven Medien.
Aus der DE 101 44 269 A1 ist der Einsatz von Sensorelementen auf Basis von Nickel-Chrom Legierungen zur Druck oder Temperaturmessungen zwischen tribologisch hoch beanspruchten Körpern bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie Temperatursensoren den Anforderungen im Abgasstrang noch besser gerecht werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Temperatursensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird als Messwiderstand ein Widerstand aus einer Legierung auf Basis von Nickel und Chrom verwendet. Ein solcher Widerstand kann Temperaturen von bis zu 1100°C aushalten, während bisher für Temperatursensoren im Abgasstrang verwendete Platinwiderstände nur bis 950°C einsetzbar sind. Im Vergleich zu keramischen Kaltleitern, die beispielsweise in der DE 10 2006 034 246 B3 als Messwiderstände vorgeschlagen wurden und ebenfalls eine hervorragende Temperaturbeständigkeit aufweisen, ermöglicht ein erfindungsgemäßer Messwiderstand wesentlich präzisere Messungen. Messwiderstände aus Nickel-Chrom Legierungen sind trotz ihres unedlen Charakters beständig, da Nickel-Chrom Legierungen an Luft eine stabile Oxidschicht ausbilden, die den Widerstand schützt.
Bevorzugt besteht der Messwiderstand eines erfindungsgemäßen Temperatursensors zu wenigstens 70 Gew.-% aus Nickel und Chrom, d. h. Summe der Gewichtsanteile von Nickel und Chrom beträgt wenigstens 70%. Messwiderstände mit einem hohen Anteil an Nickel und Chrom weisen einen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf, der groß genug ist um präzise Messungen zu erlauben. Der Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands von Nickel-Chrom Basislegierungen ist mit dem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands von Platin vergleichbar und, insbesondere bei hohen Nickelanteilen, meist größer als der von Platin. Bevorzugt besteht der Messwiderstand eines erfindungsgemäßen Temperatursensors zu wenigstens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 95 Gew.-%, aus Nickel und Chrom. Beispielsweise kann der Messwiderstand eines erfindungsgemäßen Temperatursensors zu 98 Gew.-% oder mehr aus Nickel und Chrom bestehen.
Der elektrische Widerstand von reinen Nickel-Chrom Legierungen weist im Temperaturbereich von 200°C bis 500°C eine Hysterese oder ein nichtlineares Verhalten auf. Dieser Temperaturbereich ist für Messungen im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen weniger bedeutsam, so dass dies kein gravierender Nachteil ist. Durch stabilisierende Legierungszusätze lässt sich diesem Nachteil aber entgegenwirken. Geeignete Legierungszusätze sind beispielsweise Silizium, Erdalkalimetalle und Gallium. Bevorzugt enthält die Nickel-Chrom Legierung wenigstens 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% Legierungszusätze.
Silizium hat zudem die Eigenschaft, das Eindiffundieren von Fremdatomen in Nickel-Chrom Legierungen zu verhindern. Vorteilhaft lässt sich deshalb durch Silizium durch Alterungsbeständigkeit des Sensors erhöhen. Bevorzugt enthält die Nickel-Chrom Legierung deshalb wenigstens 0,5 Gew.-% Silizium. Bevorzugt ist zudem, dass der Siliziumanteil 5 Gew.-% nicht übersteigt. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Nickel-Chrom Legierung 1 bis 2 Gew.-% Silizium, insbesondere 1,2 bis 1,7 Gew.-% Silizium enthält.
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Legierungszusätzen kann die erfindungsgemäß für den Messwiderstand verwendete Nickel-Chrom Legierung weitere Legierungsbestandteile enthalten. Bevorzugt sind aber keine weiteren Legierungsbestandteile vorhanden. Weitere Elemente sind in der Legierung dann nur als Verunreinigungen vorhanden. Bevorzugt ist der Anteil der Verunreinigungen insgesamt nicht größer als 1 Gew.-%,
Zur Driftkompensation kann ein zusätzliches Widerstandselement vorgesehen sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn in der Legierung des Messwiderstands das Verhältnis von Nickel zu Chrom weniger als 7:3 beträgt.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlers in einem Längsschnitt
Der in 1 dargestellte Temperaturfühler 1 hat in einer Schutzhülse 2 auf einem keramischen Träger 7 einen Messwiderstand 3 mit zwei Anschlussdrähten 4. Der Messwiderstand 3 und sein Träger 7 sind in einen keramischen oder mineralischen Füllstoff 6 eingebettet.
Der Messwiderstand 3 ist aus einer Legierung ist, die überwiegend aus Nickel und Chrom besteht. Als Messwiderstand kann beispielsweise eine Nickel-Chrom Legierung verwendet werden, die für den positiven Draht bei Thermoelementen des Typs N gebräuchlich ist. Eine solche Legierung enthält 14 bis 14,4 Gew.-% Chrom und 1,3 bis 1,6 Gew.-% Silizium. Der Rest ist abgesehen von Verunreinigungen Nickel. Die Verunreinigungen sollten weniger als 0,5 Gew.-% nicht übersteigen, vorzugsweise nicht mehr als 0,1 Gew.-% betragen. Typischer Weise sind die Verunreinigungen in erster Linie Mangan, Eisen, Kohlenstoff und Kobalt.
Der Messwiderstand kann als Draht auf einem keramischen Plättchen als Träger 7 angeordnet sein, beispielsweise in Mäandern. Durch einen solchen Träger kann die Gefahr, dass ein als dünner Draht ausgebildeter Messwiderstand bei der Montage abreißt, reduziert werden. Erforderlich ist ein solcher Träger aber nicht. Drucktechnologien wie insbesondere Siebdruck, sind ebenfalls geeignet.
Die Schutzhülse 2 hat einen schlanken, zylindrischen vorderen Abschnitt 2a mit einem Hülsenboden 2b, also einem geschlossenen Ende, einen zylindrischen hinteren Abschnitt 2c, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des vorderen Abschnitts 2a und einen konischen Übergangsabschnitt 2d. Alternativ kann der Hülsenboden 2b beispielsweise auch abgerundet und/oder der Übergangsabschnitt 2d gestuft sein.
Die Schutzhülse 2 besteht aus einem hoch wärmebeständigen Metall, z. B. aus Inconel 600. Der Füllstoff 6 besteht z. B. aus Magnesiumoxidpulver, aus Aluminiumoxidpulver oder aus Aluminiumnitridpulver, vorzugsweise aus einer keramischen Vergussmasse wie z. B. Cerastil V336. Nach dem Einführen des Messwiderstandes 3 in die Schutzhülse 2 wird der Füllstoff 6 so eingefüllt, dass er den Messwiderstand 3 umschließt. Das kann bei pulverigem Füllstoff durch schrittweises Einfüllen in Verbindung mit Klopfen oder Rütteln geschehen, gefolgt von einem Nachverdichten. Eine bevorzugt verwendete Vergussmasse wird eingegossen und bindet dann ab.
Die freiliegenden Anschlussdrähte 4 werden z. B. durch Schweißen, Hartlöten oder Krimpen mit den Innenleitern 5 eines zweiadrigen Anschlusskabels 8 verbunden, dessen Mantel 9 aus Metall besteht. Dabei wird mit den Anschlussdrähten 4 eine Schleife 12 gebildet, welche eine Dehnungsausgleichseinrichtung darstellt.
Zum Verbinden der Schutzhülse 2 mit dem Mantel 9 des Anschlusskabels 8 ist ein Metallrohr 10 vorgesehen, dessen eines Ende auf den hinteren Abschnitt 2c des Schutzrohres 2 geschoben und mit diesem zweckmäßigerweise verschweißt oder hart verlötet ist. In das andere Ende des Metallrohrs 10 wird das Anschlusskabel 8 eingeführt, dessen zwei Innenleiter 5 mit den Anschlussdrähten 4 des Messwiderstandes 3 zu verbinden sind. Die Verbindung kann durch Schweißen, Hartlöten oder Krimpen geschehen.
In dem Anschlusskabel 8 sind die Innenleiter 5 gegenüber dem Mantel 9 durch einen keramischen oder mineralischen Isolierstoff isoliert. Als Isolierstoff besonders geeignet sind Aluminiumoxid und Magnesiumoxid.
Das Metallrohr 10 kann zur Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen z. B. mit einem Befestigungsflansch oder mit einer Gewindebuchse versehen sein, die ein Verschrauben des Temperaturfühlers 1 am Einsatzort ermöglicht.
Die Schutzhülse 2 mit dem Messwiderstand 3 darin 1 kann als gleich bleibendes Standardbauteil mit unterschiedlich ausgestatteten Metallrohren 10 und mit unterschiedlich langen Anschlusskabeln 8 verbunden sein.

Claims

Temperatursensor mit einem Messwiderstand (3), dessen elektrischer Widerstand von seiner Temperatur abhängt, einer den Messwiderstand (3) umgebenden Schutzhülse (10), die an einem Ende durch einen Hülsenboden verschlossen ist und an ihrem anderen Ende einen Zugang zum Innenraum der Schutzhülse hat, und einem elektrisch isolierenden Füllstoff (6), in dem der Messwiderstand (3) in der Schutzhülse (10) eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (3) aus einer Legierung ist, die überwiegend aus Nickel und Chrom besteht, wobei die Legierung wenigstens 0,5 Gew.-% Silizium, eines oder mehrere Erdalkalimetalle und/oder Germanium enthält.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (3) zu wenigstens 70 Gew.-%, vorzugsweise zu wenigstens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zu wenigstens 90 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 95 Gew.-%, aus Nickel und Chrom besteht.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Nickel zu Chrom in der Legierung wenigstens 70 zu 30 beträgt.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Nickel zu Chrom in der Legierung nicht mehr als 90 zu 10 beträgt.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung wenigstens 0,5 Gew.-% Silizium, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-% Silizium, besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% Silizium, insbesondere 1,2 bis 1,7 Gew.-% Silizium enthält.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung wenigstens 0,5 Gew.-% eines oder mehrerer Erdalkalimetalle, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% eines oder mehrerer Erdalkalimetalle enthält.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung wenigstens 0,5 Gew.-% Germanium, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-% Germanium, besonders bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% Germanium enthält.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung wenigstens 75 bis 90 Gew.-% Nickel, vorzugsweise 80 bis 90 Gew.-%, insbesondere 82 bis 86 Gew.-% Nickel enthält.
Temperatursensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 10 bis 20 Gew.-% Chrom, vorzugsweise 12 bis 18 Gew.-% Chrom, insbesondere 13 bis 15 Gew.-% Chrom enthält.
Verwendung eines elektrischen Widerstands, der aus einer überwiegend aus Nickel und Chrom bestehenden Legierung, die wenigstens 0,5 Gew.-% Silizium, eines oder mehrere Erdalkalimetalle und/oder Germanium enthält, hergestellt ist, zur Temperaturmessung im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.