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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochtemperatursensor mit einem Sensorelement mit einem zur heißen Seite orientierten Messabschnitt und einer um das Sensorelement herum angeordneten Befestigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1.
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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.
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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 4 kann der Hochtemperatursensor dabei im Abgasstrang befestigt werden.
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Die Aufnahme eines Hochtemperatursensors kann z. B. am Krümmer oder am Einschweißstutzen der Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs erfolgen.
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Experimente haben gezeigt, dass es bei bekannten Hochtemperatursensoren zu einer an sich unerwünschten Übertragung der Wärme am Messabschnitt auf die Aufnahme des Hochtemperatursensors bekommt. Ebenso kann die niedrigere Temperatur der Befestigung zu einer Absenkung der Temperatur am Messabschnitt und somit zu einer Verfälschung des Messergebnisses durch diese Wärmesenke führen. Weiterhin kann es problematisch sein, dass die hohe Temperatur am Messabschnitt sich auf die Befestigung überträgt und somit zu einer unerwünschten Erwärmung eines Bereichs führt, der nicht für so hohe Temperaturen ausgelegt ist. Insbesondere kann es hierbei zu einer unerwünschten Materialverformung und Instabilität der Anordnung aus Hochtemperatursensor und Befestigung kommen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Hochtemperatursensor für Temperaturen größer 500°C bereitzustellen, bei dem eines oder mehrere der vorgenannten Probleme vermieden oder in ihren Auswirkungen reduziert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Hochtemperatursensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Insbesondere weist dabei die Befestigungsvorrichtung auf: ein Befestigungselement zur Befestigung des Hochtemperatursensors in einer Aufnahme, insbesondere eine Schraube oder eine Mutter, und einen Befestigungsbund, der relativ zum Befestigungselement der heißen Seite zugewandt ist und der zum Befestigungselement thermisch entkoppelt ist.
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Der Befestigungsbund kann als Flansch oder Druckbund ausgestaltet sein. Der Befestigungsbund kann auch als thermische Blende ausgestaltet sein. Somit ergibt sich eine Abschirmung des Befestigungselements gegen thermische Belastungen.
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Es besteht auch die Möglichkeit, am Befestigungsbund oder am Befestigungselement zusätzliche, strahlungsschirmende Elemente anzuordnen, um nachgeordnete, insbesondere elektronische Baugruppen oder Anschlussteile vor einer unnötigen thermischen Einwirkung zu schützen.
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Zwischen der Befestigungsvorrichtung und Sensorelement kann eine Schutzhülle vorgesehen sein, die das Sensorelement stabilisiert und vor mechanischen Belastungen schützt.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Befestigungsbund an der Schutzhülle bzw. dem Sensorelement anliegt. Das Befestigungselement kann demgegenüber so ausgestaltet sein, dass es nicht am Sensorelement bzw. dessen Schutzhülle anliegt und nur von dem Befestigungsbund stabilisiert wird. Somit lässt sich eine weitere thermische Entkopplung zwischen dem sich aufwärmenden Sensorelement und dem Befestigungselement bzw. der Aufnahme des Hochtemperatursensors erreichen.
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In anderen Ausgestaltungen kann das Befestigungselement durch ein weiteres Element, z. B. eine Stabilisierungs-Hülse, gegenüber dem Sensorelement abgestützt und/oder stabilisiert sein.
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Der Befestigungsbund kann unbeweglich mit dem Sensorelement verbunden sein, z. B. durch eine Verschweißung mit der zwischen Sensorelement und Befestigungsvorrichtung angebrachten Schutzhülle.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmewiderstand zwischen Befestigungselement und Befestigungsbund mehr als 100 K/W, insbesondere mehr als 1000 K/W beträgt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Befestigungselement und der Befestigungsbund aneinander anliegen, wobei die Anlagefläche auf ein Minimum reduziert ist, insbesondere weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 2% der maximalen Querschnittsfläche des Befestigungselements aufweist.
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Die maximale Querschnittsfläche kann dabei definiert sein als die maximale Fläche des Befestigungselements in einer Ebene, die orthogonal zur Achse des Sensorelements ist, um das das Befestigungselement angeordnet ist.
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Durch eine geringe Anlagefläche zwischen Befestigungselement und Befestigungsbund kommt es zu einer thermischen Entkopplung, d. h. einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit. Somit können die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt werden, ohne dass ein besonderes thermisches Entkopplungselement zwischen Befestigungsbund und Befestigungselement nötig wäre.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Befestigungsbund am Sensorelement befestigt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen Befestigungselement und Befestigungsbund ein Entkopplungs-Element aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 20 W/mK bei 1000°C, vorzugsweise geringer als 5 W/mK bei 1000°C, angeordnet ist.
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Mit einem Entkopplungs-Element zwischen Befestigungsbund und Befestigungselement kann eine besonders gute thermische Entkopplung erzielt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungs-Element aus Keramik ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungs-Element scheibenförmig ist, insbesondere dass das Entkopplungs-Element eine Unterlegscheibe ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Entkopplungs-Element eine Druckschraube oder eine Überwurfmutter ist.
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Mit einem scheibenförmigen Entkopplungs-Element kann eine besonders gute thermische Entkopplung bei gleichzeitig ausreichender mechanischer Stabilität zwischen Befestigungsbund und Befestigungselement erreicht werden.
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Das Entkopplungs-Element kann zwischen Befestigungsbund und Befestigungselement befestigt werden, z. B. durch Verschweißen, oder es kann z. B. im Fall einer Unterlegscheibe entfernbar zwischen Befestigungsbund und Befestigungselement angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hochtemperatursensor eine Schutzhülle aufweist, die das Sensorelement zumindest teilweise umgibt.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass eine Stabilisierungs- und Befestigungshülse um das Steuerelement und/oder um die Schutzhülle herum angeordnet ist und an dem Befestigungselement befestigt, insbesondere verschweißt, ist.
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Hierdurch profitiert die Stabilisierungs- und Befestigungshülse von der thermischen Entkopplung des Steuerelements. Die Stabilisierungs- und Befestigungshülse wird somit geringeren Temperaturbelastungen ausgesetzt und kann aus Materialien hergestellt werden, die eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen.
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In anderen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Stabilisierungs- und Befestigungshülse an dem Befestigungsbund und/oder an der Anlagefläche zwischen Befestigungsbund und Befestigungselement befestigt wird, z. B. durch Verschweißen. Hierdurch profitiert die Stabilisierungs- und Befestigungshülse zwar nicht im gleichen Maße von der thermischen Entkopplung, es kann aber eine erhöhte mechanische Stabilität erzielt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hochtemperatursensor mit einem Befestigungselement zur Befestigung an einer Aufnahme angegeben, wobei das Befestigungselement eine Aussparung für eine exakte, vorgebbare Positionsausrichtung aufweist. Somit kann die richtige Lage des Hochtemperatursensors sichergestellt werden, z. B. für den Fall, dass das Sensorelement und/oder die Schutzhülle um das Sensorelement nicht rotationssymmetrisch ausgestaltet sind, sondern eine bevorzugte Ausrichtung aufweisen.
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Insbesondere kann es sich bei der Aussparung um eine Ausformung aus einer ansonsten kreisrunden Ausführung des Befestigungselements handeln.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1a eine erste Längsansicht eines erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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1b eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 1;
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2a eine Vorderansicht des Hochtemperatursensor gemäß 1 von der heißen Seite des Sensors;
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2b eine Rückansicht des Hochtemperatursensor gemäß 1 von der kalten Seite des Sensors;
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3a eine seitliche Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors;
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3b eine Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 3a;
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3c eine Draufsicht auf den Hochtemperatursensor aus 3a;
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3d eine Querschnittsansicht des Hochtemperatursensors aus 3a und
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3e eine perspektivische Ansicht des Hochtemperatursensors aus 3a.
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1a zeigt einen Hochtemperatursensor 10 mit einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung umfassend ein Befestigungsbund 20 und ein Befestigungselement 22. Das Befestigungselement 22 ist dabei ausgestaltet als eine Schraube 22 mit einem Außengewinde 23. Die Schraube 22 weist dabei einen Hohlraum 25 auf, so dass das Sensorelement 12 mit der darum angeordneten Schutzhülle 14 durch die Schraube 22 geführt werden kann.
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Das Sensorelement 12 weist auf der heißen Seite einen Messabschnitt 13 auf. Auf der kalten Seite befinden sich elektrische Anschlüsse 12a, 12b.
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Das Sensorelement 12 besteht im Wesentlichen aus zwei parallelen Stäben und dem am heißen Ende dieser Stäbe angeordneten Messabschnitt 13.
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Beispielsweise in der Mitte des Hochtemperatursensors 10 sind Befestigungsbund 20 und Befestigungselement 22 um Sensorelement 12 und Schutzhülle 14 angeordnet. Der Befestigungsbund 20 ist dabei mit der Schutzhülle 14 verschweißt.
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Zwischen Befestigungsbund 20 und Schraube 22 ist ein Entkopplungs-Element 26 angeordnet. Das Entkopplungs-Element 26 ist dabei z. B. als keramischer Ring ausgestaltet und agiert als Wärmesperre, ermöglicht also eine effektive thermische Entkopplung zwischen Befestigungsbund 20 und Schraube 22.
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1b zeigt eine zweite Längsansicht des Hochtemperatursensors aus 1. Die Schnittebene ist dabei orthogonal zu der in 1a gezeigten Schnittebene. Die beiden Anschluss-Elemente sind daher in 1b nicht einzeln sichtbar.
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2a zeigt eine Draufsicht von der heißen Seite des Hochtemperatursensors 10 aus 1. In der Mitte ist der Messabschnitt 13 zu sehen, umgeben von der Schutzhülle 14. Weiter nach außen ist der Befestigungsbund 20 und die Schraube 22 mit dem Sechskantkopf sichtbar.
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2b zeigt eine Draufsicht von der kalten Seite des Hochtemperatursensors 10 aus 1
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Die 3a bis 3e zeigen einen weiteren Hochtemperatursensor 30 gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung. Der Hochtemperatursensor 30 umfasst hierbei ein ellipsenförmiges, d. h. nicht rotationssymmetrisches Mantelthermoelement, das eine ellipsenförmige Schutzhülle 14 und ein ebenfalls ellipsenförmiges Sensorelement 12 umfasst.
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Der Hochtemperatursensor 30 wird über das Befestigungselement 32 an einer Aufnahme befestigt. Vorzugsweise soll die Befestigung dabei so erfolgen, dass die längere Achse der Ellipsenform der Schutzhülle 14 bzw. des Sensorelements 12 entlang der Strömungsrichtung des zu messenden Mediums ausgerichtet ist. Eine derartige Positionierung wird ermöglicht durch die Aussparung 32a, die sich an ein entsprechendes Gegenstück in einer Aufnahme für den Hochtemperatursensor 30 anfügt.
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3b zeigt einen Längsschnitt durch die längere Achse der Ellipsenform. Das zu messende Medium strömt erfindungsgemäß als in der Zeichenebene bzw. parallel dazu um das Mantelthermoelement 12, 14 herum.
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In der Draufsicht 3c von der kalten Seite sind die elektrischen Anschlüsse sowie die doppelt kreisrunde Ausgestaltung und die Aussparung für die Positionsausrichtung zu sehen.
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In der perspektivischen Ansicht in 3e ist der Hochtemperatursensor 30 von der heißen Seite gezeigt, wobei ebenfalls die eckige Aussparung 32a zu sehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/063682 A1 [0002]
- EP 2196787 A2 [0003, 0003]
