DE102013015375A1

DE102013015375A1 - Hochtemperatursensor mit Schutzrohr im kalten Abschnitt

Info

Publication number: DE102013015375A1
Application number: DE102013015375.1A
Authority: DE
Inventors: Heiko Lantzsch
Original assignee: Tesona GmbH and Co KG
Current assignee: Tesona GmbH and Co KG
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2014-03-20
Also published as: WO2014041168A2; EP2895833A2; WO2014041168A3; US20150219502A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor, insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit einem heißen Abschnitt zur Anordnung in dem zu messenden Medium, einem kalten Abschnitt zur Anordnung außerhalb des zu messenden Mediums, einem Sensorelement mit einem Messabschnitt im heißen Abschnitt und einer Schutzhülle, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt, wobei im kalten Abschnitt ein Schutzrohr vorgesehen ist, das das Sensorelement und/oder die Schutzhülle zumindest teilweise umgibt und das zum heißen Abschnitt hin einen Kragen aufweist, wobei sich vorzugsweise das Schutzrohr nicht in den heißen Abschnitt erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochtemperatursensor, insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit einem heißen Abschnitt zur Anordnung in dem zu messenden Medium, einem kalten Abschnitt zur Anordnung außerhalb des zu messenden Mediums, einem Sensorelement mit einem Messabschnitt im heißen Abschnitt und einer Schutzhülle, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt gemäß Anspruch 1.
Derartige Hochtemperatursensoren kommen zum Beispiel zur Messung der Temperatur in Abgasrohren von Benzinmotoren oder in Öfen zum Einsatz. Sie können dazu geeignet sein, Temperaturen größer 500°C zu messen. Insbesondere beim Einsatz in Abgasrohren im Kfz-Bereich, zum Beispiel in Abgas-Reinigungssystemen sind derartige Hochtemperatursensoren sowohl thermisch als auch mechanisch (bedingt durch die Vibrationen des Motors) hohen Belastungen ausgesetzt. Das Sensorelement zur Messung der Temperatur wird deswegen typischerweise durch eine Schutzhülle, insbesondere ein Schutzrohr, zum Beispiel aus Metall, geschützt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Hochtemperatursensoren, insbesondere auch für den Einsatz im Kfz-Bereich bekannt. Insbesondere können derartige Hochtemperatursensoren als Mantelthermoelemente ausgestaltet sein.
Die DE 10 2008 060 033 A1 offenbart einen Temperaturfühler mit einem Thermoelement, der eine hitzebeständige Mantelleitung aufweist, an dessen dem Messmedium zugewandten Ende ein Sensorelement angeordnet ist und bei dem durch ein Mantelrohr der Mantelleitung elektrische Anschlussleitungen für den Anschluss des Sensorelementes an eine elektronische Auswerteeinheit geführt sind. Dabei wird vorgeschlagen, dass eine Schutzhülse vorgesehen wird, die ein einteiliges Vorderteil ohne Schweißstellen aufweist. Zudem wird vorgeschlagen, dass die Schutzhülse an ihrer vorderen, dem Messmedium zugewandten Seite mit einer Rundung versehen ist.
Aus der WO 2010/063682 A1 ist ein Temperaturfühler mit einem Thermo-Element vorbekannt, der eine hitzebeständige Mantelleitung aufweist, an dessen dem Messmedium zugewandten Ende ein Sensorelement angeordnet ist. Durch ein Metallrohr der Mantelleitung sind elektrische Anschlussleitungen für den Anschluss des Sensorelements an eine elektronische Auswerteeinheit geführt. Der gezeigte Temperaturfühler soll bis zu Temperaturen von 1200°C einsatzfähig sein und schnelle Temperaturänderungen erfassen können. Hierfür besteht das Sensorelement aus einer Thermodrahtperle, die aus der Mantelleitung herausragt und von einer Schutzhülle aufgenommen ist, welche auf dem dem Messmedium zugewandten Ende der Mantelleitung befestigt ist. Die Schutzhülle weist ein einteiliges Vorderteil ohne Schweißstellen auf und die Mantelleitung ist ein flexibles, dünnwandiges Metallrohr mit einem geringen Außendurchmesser, an dessen dem Messmedium abgewandten Bereich Anschlussdrähte herausgeführt sind, die die gewünschte Verbindung zur Bordelektronik herstellen.
Die Befestigung des Temperaturfühlers an der Messstelle erfolgt dabei mit einem speziellen Ringbund und einer Überwurfmutter.
Aus der EP 2 196 787 A2 ist ein Hochtemperatursensor mit einem Sensorelement vorbekannt, das in einem Schutzrohr gelagert ist. Um auch im Umfeld hoher Temperaturen, z. B. im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs zuverlässige Messungen durchzuführen, ist das Schutzrohr von einem Versteifungsrohr umgeben, wobei das Versteifungsrohr aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der des Materials, aus dem das Schutzrohr besteht. Das Versteifungsrohr ist einem ersten Bereich des Schutzrohrs mit dem Schutzrohr fest verbunden und in einem zweiten Bereich des Schutzrohrs befindet sich ein Anschlagelement, das ebenfalls fest mit dem Schutzrohr verbunden ist. Das Versteifungsrohr tritt aufgrund seiner höheren Wärmedehnung ab einer vorgegebenen Temperatur in mechanischen Kontakt mit dem Anschlagelement, wodurch der Hochtemperatursensor ab dieser Temperatur mechanisch stabilisierbar ist. Der Raum zwischen dem Sensorelement und der Schutzrohrkappe ist nach EP 2 196 787 A2 mit einem gut wärmeleitenden Material gefüllt. Hierfür kann feines Siliziumpulver zur Anwendung kommen. Das stabilisierende, mechanische Inkontaktkommen des Schutzrohrs mit dem Anschlagelement erfordert eine Mindesttemperatur, so dass insbesondere unmittelbar in der Startphase bzw. im Nicht-Hochleistungsbetrieb die Gesamtanordnung zu Schwingungen neigt, die die Zuverlässigkeit der Messanordnung gefährden. Mit einem Befestigungssockel kann der Hochtemperatursensor dabei im Abgasstrang befestigt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen weiterentwickelten Hochtemperatursensor bereitzustellen, der eine erhöhte Stabilität aufweist und kostengünstig herzustellen ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Hochtemperatursensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Insbesondere ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im kalten Abschnitt ein Schutzrohr ausgebildet ist, das das Sensorelement und/oder die Schutzhülle zumindest teilweise umgibt und das zum heißen Abschnitt hin einen Kragen aufweist, wobei sich vorzugsweise das Schutzrohr nicht in den heißen Abschnitt erstreckt.
Experimente haben gezeigt, dass überraschenderweise das im kalten Abschnitt des Hochtemperatursensors angeordnete Schutzrohr auch zu einer Stabilisierung der Schutzhülle und des Sensorelements im heißen Abschnitt führt. Somit kann auf ein Schutzrohr im heißen Abschnitt, in dem erhöhte Anforderungen an das Material zu stellen wären, verzichtet werden.
Typischerweise sind heißer und kalter Abschnitt des Hochtemperatursensors getrennt durch die Halterung, z. B. eine Befestigungsbund, mit dem der Hochtemperatursensor an der Wand zu dem heißen, zu messenden Raum, befestigt wird. Insbesondere kann der Hochtemperatursensor über den Kragen am Krümmer oder dem Abgasrohr z. B. eines Kfz befestigt werden.
Bei dem heißen Abschnitt bzw. dem kalten Abschnitt des Hochtemperatursensors kann es sich z. B. um die heiße Hälfte bzw. die kalte Hälfte handeln. Hierbei kann es sich um die Hälfte des Hochtemperatursensors handeln, die der zu messenden hohen Temperatur zugewandt ist bzw. die Hälfte, die der (vergleichsweise) kühleren Halterung zugewandt ist.
Dadurch, dass das stabilisierende Schutzrohr in dem relativ kälteren Bereich des Hochtemperatursensors angebracht ist, ist das Schutzrohr geringeren thermischen Belastungen ausgesetzt. Es behält somit eher seine stabilisierende Eigenschaft bei bzw. es kann ein Schutzrohr aus einem Material mit geringerer Wärmebeständigkeit eingesetzt werden.
Durch den Kragen kann das Schutzrohr an der Halterung befestigt werden. Weiterhin ist es möglich, dass der Kragen an einem um das Sensorelement angeordneten Befestigungsbund anliegt und somit eine feste Verbindung zum Sensorelement ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass über die axiale Ausdehnung des Hochtemperatursensors zumindest 80% des kalten Abschnitts von dem Schutzrohr umgeben sind und höchstens 20% des heißen Abschnitts von dem Schutzrohr abgedeckt sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kragen an einer Stützhülse oder einem Befestigungsbund anliegt oder befestigt, insbesondere verschweißt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kragen aufweist:

– ein erstes Kragen-Element, das von dem rohrförmigen Abschnitt des Schutzrohrs im Wesentlichen radial nach außen verläuft und
– ein zweites Kragen-Element, das von dem Außenrand des ersten Kragen-Elements ausgehend radial nach innen verläuft.

Bei Montage des Hochtemperatursensors an einer Trennwand kann somit das zweite Kragen-Element als Abdichtung dienen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Kragen-Element eine Zahnscheibenkontur aufweist.
Somit kann sichergestellt werden, dass sich der Hochtemperatursensor nicht von seiner Befestigung löst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schutzhülle bis auf eine Öffnung für die Anschlüsse das Sensorelement ganz umgibt.
Somit ergibt sich ein optimaler Schutz für das Sensorelement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzrohr aus einem auch bei hohen Temperaturen formstabilen Material, insbesondere aus Glas, Keramik, Glaskeramik und/oder Polymerkeramik, gebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzrohr mit einer Steifheit gebildet ist, die größer ist als die des Sensorelements und/oder der Schutzhülle.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kragen und/oder das Stützelement bzw. der Befestigungsbund ein Gewinde, insbesondere eine Außengewinde aufweist.
Bei Ausbildung des Gewindes direkt am Kragen des Schutzrohrs kann der Kragen unmittelbar zur Befestigung des Schutzrohrs verwendet werden. Ein zusätzliches Stützelement ist somit nicht erforderlich.
Alternativ kann der Kragen an einem Stützelement, z. B. einem Befestigungsbund, fixiert sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzrohr einstückig ausgebildet ist, wobei insbesondere der Kragen durch eine zur heißen Seite gewandte Aufweitung des Schutzrohrs gebildet ist.
Eine einstückige Ausbildung des Schutzrohrs inkl. des Kragens ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung bei gleichzeitig hoher Stabilität.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hochtemperatursensor auf der heißen Seite mit einer Schutzkappe abgedeckt bzw. abdeckbar ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzrohr mit dem Stützelement untrennbar verbunden, insbesondere verschweißt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzrohr einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Sensorelement und/oder die Schutzhülle aufweist.
Durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten dehnt sich bei thermischer Belastung das Schutzrohr relativ zum Sensorelement aus. Das Schutzrohr schiebt sich somit weiter um das Sensorelement und schützt dieses vor mechanischen, thermischen oder chemischen Belastungen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1a eine Draufsicht auf die heiße Seite eines ersten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
1b eine weitere Draufsicht auf die kalte Seite des Hochtemperatursensors aus 1a;
1c eine Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 1a;
1d eine weitere Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 1a;
2a eine Draufsicht auf die heiße Seite eines zweiten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
2b eine weitere Draufsicht auf die kalte Seite des Hochtemperatursensors aus 2a;
2c eine Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 2a; und
2d eine weitere Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 2a.
1a zeigt eine Draufsicht auf die heiße Seite eines ersten erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors 10. Es sind die Schutzhülle 4 und die Messperle 3a sichtbar.
1b zeigt eine Draufsicht auf die kalte Seite des Hochtemperatursensors aus 1a. Dabei sind die beiden elektrischen Anschlüsse 2a, 2b, die Schutzhülle 4 und das Schutzrohr 5 mit dem Kragen 5a sichtbar. 1c zeigt eine erste Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 1a. Der heiße Abschnitt 10a erstreckt sich von der Spitze des Hochtemperatursensors 10 bis zu dem Befestigungsbund 8. Der kalte Abschnitt 10b erstreckt sich vom Befestigungsbund 8 bis zu den elektrischen Anschlüssen 2a, 2b.
Das Sensorelement 2 verläuft axial durch den Hochtemperatursensor 10. Der Messabschnitt 3 ist dabei durch eine Messperle 3a realisiert. Das Sensorelement 2 ist unmittelbar umgeben von einem wärmeleitenden Material 9b. Darum herum ist eine Schutzhülle 4 angeordnet. Bis auf die elektrischen Anschlüsse 2a, 2b umhüllt die Schutzhülle 4 das Sensorelement 2 vollständig.
Auf dem kalten Abschnitt 10b wird die Schutzhülle 4 von einem starken Schutzrohr 5 umgeben. Das Schutzrohr 5 fügt sich mit seinem Kragen 5a an den Befestigungsbund 8 an. Der Befestigungsbund 8 weist ein Außengewinde 8a auf, über das der Hochtemperatursensor 10 zum Beispiel an einem Abgasstrang befestigt werden kann.
1d zeigt eine zweite Längs-Querschnittsansicht, dargestellt ist dabei eine Ebene, die orthogonal zur Schnittebene aus 1c ist. Die runde Form der Messperle 3a ist ersichtlich.
Der in den 2a und 2b in Draufsicht von der heißen bzw. kalten Seite und in den 2c und 2d in Längs-Querschnittsansicht gezeigte Hochtemperatursensor 20 ist vergleichbar zu dem in den 1a bis 1d gezeigten ersten Hochtemperatursensor 10 ausgebildet. Abweichend weist der Hochtemperatursensor 20 aber eine Schutzkappe 20 auf, die die Schutzhülle 4 im Bereich des Messabschnitts 3 umgibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008060033 A1 [0004]
WO 2010/063682 A1 [0005]
EP 2196787 A2 [0007, 0007]

Claims

Hochtemperatursensor (10), insbesondere zur Messung der Abgastemperatur von Kraftfahrzeugen, mit – einem heißen Abschnitt (10a) zur Anordnung in dem zu messenden Medium, – einem kalten Abschnitt (10b) zur Anordnung außerhalb des zu messenden Mediums, – einem Sensorelement (2) mit einem Messabschnitt (3; 3a) im heißen Abschnitt und – einer Schutzhülle (4), die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass im kalten Abschnitt ein Schutzrohr (5) vorgesehen ist, das das Sensorelement (2) und/oder die Schutzhülle (4) zumindest teilweise umgibt und das zum heißen Abschnitt (10a) hin einen Kragen (5a) aufweist, wobei sich vorzugsweise das Schutzrohr (5) nicht in den heißen Abschnitt (10a) erstreckt.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die axiale Ausdehnung des Hochtemperatursensors (10) zumindest 80% des kalten Abschnitts (10b) von dem Schutzrohr umgeben sind und höchstens 20% des heißen Abschnitts (10a) von dem Schutzrohr (5) abgedeckt sind.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (5a) an einer Stützhülse oder einem Befestigungsbund (8) anliegt oder befestigt, insbesondere verschweißt ist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (5a) aufweist: – eine erstes Kragen-Element, das von dem rohrförmigen Abschnitt des Schutzrohrs im Wesentlichen radial nach außen verläuft und – ein zweites Kragen-Element, das von dem Außenrand des ersten Kragen-Elements ausgehend radial nach innen verläuft.
Hochtemperatursensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kragen-Element eine Zahnscheibenkontur aufweist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (4) bis auf eine Öffnung für die Anschlüsse (2a; 2b) des Sensorelements (2) das Sensorelement (2) ganz umgibt.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (5) aus einem auch bei hohen Temperaturen formstabilen Material, insbesondere aus Glas, Keramik, Glaskeramik und/oder Polymerkeramik, gebildet ist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (5) mit einer Steifheit gebildet ist, die größer ist als die des Sensorelements und/oder der Schutzhülle.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (5a) und/oder das Stützelement (8) bzw. der Befestigungsbund (8) ein Gewinde (8a), insbesondere eine Außengewinde (8a) aufweist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (5) einstückig ausgebildet ist, insbesondere wobei der Kragen (5a) durch eine zur heißen Seite gewandte Aufweitung des Schutzrohrs (5) gebildet ist.
Hochtemperatursensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatursensor auf der heißen Seite mit einer Schutzkappe (21) abgedeckt bzw. abdeckbar ist.
Hochtemperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Schutzrohr (5) mit dem Stützelement (8) untrennbar verbunden, insbesondere verschweißt ist und – das Schutzrohr (5) einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Sensorelement (2) und/oder die Schutzhülle (4) aufweist.