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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensoraufbauten zur Bestimmung hoher Temperaturen und der Herstellung dieser Sensoraufbauten.
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Aus dem Stand der Technik sind keramische Thermoelemente auf Basis von Borcarbid und Graphit bekannt, die jedoch eine hohe thermische Eigenmasse in ein Messsystem einbringen und dadurch entsprechend hohe Ansprechzeiten und Messfehler aufweisen. Zudem liegen bei hohen Temperaturen hohe Diffusionsraten an Grenzschichten zwischen unterschiedlichen Materialien vor, so dass sich die Charakteristika von thermoelektrischen Grenzschichten zwischen stark unterschiedlichen Materialien rasch verändern und somit Messergebnisse verfälschen und somit die effektive Lebensdauer derartiger Thermoelemente reduzieren. Genaue Temperaturerfassung bei sehr hohen Temperaturen mit Einschränkungen für optische Temperaturmessung ist bisher nicht befriedigend gelöst. Wenn optische Pyrometer wegen visueller Hindernisse (konstruktiver Aufbau, Rauchgase, Kondensate, Schichtbildung) oder aus Kostengründen nicht nutzbar sind, gibt es zur Temperaturerfassung für Temperaturen über 1800 °C keine technisch ausgereifte Lösung. Thermoelemente auf Basis von Wolfram-Rhenium sind nur kurzzeitig einsetzbar und sehr kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte und langlebige, insbesondere temperaturstabile und langzeittaugliche, Alternative zur Messung hoher Temperaturen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird ein Sensoraufbau zur Bestimmung hoher Temperaturen vorgeschlagen, mit zumindest einem thermoelektrischen Element, das einen kanalförmigen Thermoschenkel und einen im Inneren des kanalförmigen Thermoschenkels angeordneten stabförmigen Thermoschenkel aufweist, wobei der kanalförmige Thermoschenkel und der stabförmige Thermoschenkel an einer Stirnseite in einem Übergangsbereich, der eine Messstelle zur Temperaturmessung bildet, stoffschlüssig miteinander versintert und lediglich im Übergangsbereich elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind, und der kanalförmige Thermoschenkel im Übergangsbereich einen an der Innenwand umlaufend ausgebildeten Flansch mit einer Durchgangsöffnung, in die im Übergangsbereich der stabförmige Thermoschenkel eingeführt ist, und dabei der Flansch eine zur Außenkontur des stabförmigen Thermoschenkels komplementäre Innenkontur aufweist oder am stabförmigen Thermoschenkel im Übergangsbereich ein umlaufender Steg an seiner Außenwand ausgebildet ist, der eine zur Innenkontur des kanalförmigen Thermoschenkels komplementäre Außenkontur aufweist oder im Übergangsbereich ein scheibenförmiges Element angeordnet ist, das eine zur Innenkontur des kanalförmigen Thermoschenkels komplementäre Außenkontur und eine Durchbrechung, in die der stabförmige Thermoschenkel eingeführt ist, aufweist und dabei die Innenkontur der Durchbrechung zur Außenkontur des stabförmigen Thermoschenkels komplementär ist und die Thermoschenkel jeweils aus einem Werkstoff gebildet sind, der mit einem Oxid, einem Carbid, Nitrid, einem Borid, einem Silizid und/oder Kohlenstoff gebildet ist, und die Werkstoffe des ersten Thermoschenkels und des zweiten Thermoschenkels jeweils eine Werkstoffzusammensetzung aufweisen, sodass der Werkstoff aus dem der erste Thermoschenkel und der Werkstoff aus dem der zweite Thermoschenkel gebildet ist, zumindest im vorgesehenen Einsatztemperaturbereich des Sensoraufbaus jeweils unterschiedliche Seebeck-Koeffizenten aufweisen. Beispielsweise unterscheiden sich die Seebeck-Koeffizienten der Werkstoffe aus denen die Thermoschenkel bestehen um mindestens 10 µV/K, vorteilhaft um mindestens 30 µV/K, besonders vorteilhaft um mindestens 100 µV/K.
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Unter einem „Sensoraufbau zur Bestimmung hoher Temperaturen“ soll insbesondere ein Sensoraufbau verstanden werden, der eingerichtet und/oder geeignet ist bei der Bestimmung von Temperaturen im Bereich von über 1800 °C, vorteilhaft über 2000 °C, eingesetzt zu werden. Der Sensoraufbau sollte dazu eingerichtet und/oder geeignet sein, bei einer Messung von Temperaturen bis zu 2400 °C oder mehr, eingesetzt zu werden. Der Sensoraufbau sollte dazu eingerichtet sein, dauerhaft in Kontakt mit dem zu messenden Objekt oder zumindest in einem Nahbereich des zu messenden Objekts eingesetzt zu werden.
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Darunter, dass ein Thermoschenkel „kanalförmig“ ausgebildet ist, soll verstanden werden, dass dieser eine Außenwand aufweist, die einen länglichen Hohlraum seitlich oder vollständig umschließt. Vorteilhaft ist der Thermoschenkel rohrförmig. Der Hohlraum sollte sich über zumindest einen Großteil, insbesondere zumindest 90%, vorteilhaft zumindest 95%, einer Längserstreckung des Thermoschenkels erstrecken. Die Außenwand und/oder eine Innenwand des kanalförmigen Thermoschenkels kann ein ovales, insbesondere rundes bzw. kreisrundes, Querschnittsprofil aufweisen. Alternativ sind eckige, insbesondere mehreckige, rechteckige oder quadratische Querschnittsprofile möglich. Vorteilhaft sind sich die Querschnittsprofile der Innenwand und der Außenwand zumindest im Wesentlichen ähnlich. Eine Wandstärke des Mantels des kanalförmigen Thermoschenkels beträgt beispielsweise maximal 20 % eines Außendurchmessers des Querschnittsprofils (Durchmesser eines kleinsten, das Querschnittsprofil umgebenden Kreises).
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Der „stabförmige“ Thermoschenkel kann frei von einem Hohlraum sein, der sich entlang einer Längserstreckung des Thermoschenkels erstreckt, oder kann kanalförmig ausgebildet sein, wobei beispielsweise eine Wandstärke zumindest 10 % eines Außendurchmessers eines Querschnittsprofils des stabförmigen Thermoschenkels entspricht. Das Querschnittsprofil einer Außenseite des stabförmigen Thermoschenkels kann eine ovale, insbesondere runde bzw. kreisrunde, Form aufweisen. Alternativ sind eckige, insbesondere vieleckige, rechteckige oder quadratische, Querschnittsprofile, oder Querschnittsprofile mit Mischformen möglich.
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Die Thermoschenkel können langgestreckt ausgebildet sein und eine Längserstreckung aufweisen, die zumindest so groß ist wie ein fünffaches eines Außendurchmessers des Thermoelements. Das Querschnittsprofil kann entlang der Längserstreckung der Thermoschenkel zumindest im Wesentlichen gleich und/oder konstant sein.
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Darunter, dass der stabförmige Thermoschenkel „innerhalb“ des kanalförmigen Thermoschenkels angeordnet ist, soll beispielsweise verstanden werden, dass zumindest 90%, vorteilhaft zumindest 95% des stabförmigen Thermoschenkels vom kanalförmigen Thermoschenkel umgeben sind. Der stabförmige Thermoschenkel kann an den stirnseitigen Enden, vorteilhaft maximal an einem Ende des kanalförmigen Thermoschenkels, über dessen Enden hinaus überstehen. Der stabförmige Thermoschenkel ist hierbei bis auf an den Übergangsbereich mit der Messstelle elektrisch kontaktfrei zum kanalförmigen Thermoschenkel angeordnet. Der Zwischenraum zwischen den Thermoschenkeln kann frei von stützenden Festkörpern gehalten sein. Alternativ ist es möglich, dass der Zwischenraum zumindest teilweise und/oder zumindest außerhalb eines Nahbereichs zur Messstelle mit zumindest einem, vorzugsweise elektrisch nichtleitenden, insbesondere keramischen, Stützkörper gefüllt ist, der den stabförmigen Thermoschenkel umgibt und die Thermoschenkel mechanisch miteinander verbindet. Zumindest in einem Nahbereich der Messstelle (z.B. bis zu 5 cm von der Messstelle entfernt) sollte der Zwischenraum bis auf den Übergangsbereich frei von Stützkörpern gehalten sein, um insbesondere eine geringe thermische Trägheit und somit eine geringe Messlatenz zu erreichen.
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Der Übergangsbereich weist beispielsweise eine prismatische Form oder eine Hohlzylinderform oder eine Ringform, vorteilhaft mit kreisförmigem Querschnitt auf. Die Länge des Übergangsbereichs sollte kleiner sein als 100 % des, insbesondere kleiner als 50 % des, vorteilhaft kleiner als 30 % des, Außendurchmessers des Übergangsbereichs oder des Innendurchmessers des kanalförmigen Thermoelements im Bereich der Messstelle.
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Der Steg, der Flansch oder das scheibenförmige Element können aus einem gleichen oder selben Material gebildet sein, wie der kanalförmige Thermoschenkel oder der stabförmige Thermoschenkel. Ein scheibenförmiges Element kann separat vom kanalförmigen Thermoschenkel und separat vom stabförmigen Thermoschenkel geformt werden. Die Außenseite des scheibenförmigen Elements und die Innenseite des kanalförmigen Thermoschenkels können im Übergangsbereich konusförmig ausgebildet sein, um eine einfache Passung zu ermöglichen. Die Innenseite des Flansches oder des scheibenförmigen Elements und die Außenseite des stabförmigen Thermoschenkels können im Übergangsbereich konusförmig ausgebildet sein, um eine einfache Passung und eine vergrößerte Kontaktfläche zu ermöglichen.
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Gemäß alternativen Ausgestaltungen kann der Steg oder Flansch bereits bei einer Formgebung des kanalförmigen bzw. stabförmigen Thermoschenkels einstückig mit diesem ausgeformt werden.
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Beispielsweise bilden sich beim „versintern“ Sinterbrücken aus, so dass die Thermoschenkel im Übergangsbereich diffusionsgefügt werden können. Der Steg, der Flansch oder das scheibenförmige Element, der kanalförmige Thermoschenkel und der stabförmige Thermoschenkel können zuerst separat (in einem unverbundenen Zustand) einer ersten thermischen Behandlung unterzogen werde, um eine jeweilige Form zu erhalten. Anschließend kann der stabförmige Thermoschenkel in dem kanalförmigen Thermoschenkel und der Steg, der Flansch oder das scheibenförmige Element im Bereich der Messstelle zwischen den Thermoschenkeln angeordnet werden und in einem nachfolgenden Sinterprozess stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Die Nutzung einer diffusionsgefügten Messstelle bietet überlegene Temperaturstabilität bis in den Bereich der Schmelztemperatur der Thermoschenkel.
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Eine Stirnfläche des stabförmigen Thermoschenkels und eine Stirnfläche des kanalförmigen Thermoelements können Teil der Stirnfläche des thermoelektrischen Elements sein. Die Stirnfläche des stabförmigen Thermoschenkels, die Stirnfläche des kanalförmigen Thermoelements und die Stirnfläche des Übergangsbereichs können die Stirnfläche des thermoelektrischen Elements bilden.
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Hierdurch kann eine geringe Ansprechzeit und geringe Trägheit des Temperatursensors erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass mindestens einer der Thermoschenkel mit Al2O3, TiO2, TiC, TiN, SiC, Si3N4, MoSi2, B4C, TaB oder HfB als keramische Komponente, sowie Kohlenstoff, Silicium, Nb, Mn und/oder Cr gebildet sind, wobei bevorzugt jeweils mindestens zwei dieser chemischen Verbindungen in den einzelnen Werkstoffen enthalten sind oder mindestens eine dieser chemischen Verbindungen mit einem dieser Metalle dotiert ist. So sollte insbesondere TiO2 mit einem der genannten Metalle dotiert sein. Der Anteil dieser Dotanten sollte dabei maximal 3 at% im TiO2 betragen.
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Der jeweilige Werkstoff der Thermoschenkel kann mit mindestens einer keramischen chemischen Verbindung, die ausgewählt ist aus einem Oxid, Carbid, Nitrid, Borid und Silizid gebildet sein.
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Beispielsweise kann der Werkstoff eines der Thermoschenkel aus Aluminiumoxid und Titancarbid oder Titannitrid bestehen.
Der Werkstoff kann auch aus mit Mangan, Niobium oder Chrom dotiertem Titanoxid bestehen. Dabei kann ein Werkstoff für einen Thermoschenkel und ein Werkstoff für den jeweils anderen Thermoschenkel eingesetzt werden, die unterschiedlich dotiert sind, was den jeweiligen Dotanten und/oder die Menge an Dotant betreffen kann.
Siliziumcarbid und Siliziumnitrid, Kohlenstoff, Titancarbid, Molybdänsilizid oder Borcarbid können auch einen Thermoschenkel bilden.
Der Werkstoff kann aber auch aus Borcarbid und Tantalborid oder Hafniumborid bestehen.
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Beispielsweise sind die Werkstoffe der Thermoschenkel jeweils ein keramisches Komposit mit unterschiedlichen Anteilen einer ersten und einer zweiten Komponente, wobei einer der Thermoschenkel einen Anteil der ersten Komponente aufweist, der maximal 10 Anteilsprozent, insbesondere maximal 5 Anteilsprozent, beispielsweise maximal 2 Anteilsprozent, unterhalb einem Anteil der ersten Komponente im anderen der Thermoschenkel liegt. Die erste Komponente kann als Matrixwerkstoff im keramischen Komposit vorliegen und einen Anteil von zumindest 50 Anteilsprozent, insbesondere zumindest 70 Anteilsprozent, beispielsweise zumindest 90 Anteilsprozent, des Komposits ausmachen. Das keramische Komposit kann von der ersten und zweiten Komponente gebildet sein. Die zweite Komponente kann mit einem Anteil von zumindest 0,5 Anteilsprozent, insbesondere zumindest 2 Anteilsprozent, beispielsweise zumindest 5 Anteilsprozent im keramischen Komposit vorliegen. Der Thermoschenkel, dessen Anteil an der ersten Komponente um einen Differenzanteil kleiner ist, kann einen Anteil der zweiten Komponente aufweisen, der um den Differenzanteil größer ist als im anderen Thermoschenkel. Anteilsprozente sind beispielsweise Atom-Prozent oder Volumen-Prozent.
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Gemäß unterschiedlichen Ausgestaltungen wird vorgeschlagen, dass
- - die erste Komponente Aluminiumoxid (Al2O3) und die zweite Komponente Titancarbid (TiC) oder Titannitrid (TiN) ist, oder
- - die erste Komponente Titanoxid (TiO2) und die zweite Komponente Mangan (Mn), Niobium (Nb) oder Chrom (Cr) ist, oder
- - die erste Komponente Siliziumcarbid (SiC) und die zweite Komponente Siliziumnitrid (Si3N4), Kohlenstoff (C), Titancarbid (TiC), Molybdänsilizid (MoSi2) oder Borcarbid (B4C) ist, oder
- - die erste Komponente Borcarbid (B4C) und die zweite Komponente ein Metallborid, insbesondere Tantaldiborid (TaB2) oder Hafniumdiborid (HfB2), ist.
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Zur Herstellung der Thermoschenkel kann eine Mischung aus einer Basis der ersten Komponente und einer Basis der zweiten Komponente mit einem Trägerstoff vermengt werden, um eine plastische Masse zu erhalten. Die Basis der ersten bzw. zweiten Komponente kann beispielsweise die Komponente selbst sein, oder eine Verbindung sein, die sich z.B. bei einer thermischen Behandlung der plastischen Masse zu der ersten bzw. zweiten Komponente umwandelt.
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Zur Herstellung der Thermoschenkel aus Metallborid-Borcarbid-Kompositen kann beispielsweise eine Mischung aus Metallcarbidpartikeln und Borcarbidpartikeln mit einem Trägerstoff vermengt werden, um die plastische Masse zu erhalten. Die Metallcarbid- und Borcarbidpartikel sollten gemeinsam vermahlen werden. Der Trägerstoff ist beispielsweise ein thermoplastisches Polymer oder ein anderes, vorzugsweise organisches, als Matrixwerkstoff geeignetes Material, das durch Pyrolyse und/oder Verdampfung entfernbar ist. Die Thermoschenkel können dann mittels Extrudieren, alternativ mittels Spritzguss oder anderen Umformprozessen, aus der plastischen Masse geformt werden. Um eine Form der Thermoschenkel zu erhalten, kann anschließend in einem Sinterschritt zumindest ein Teil des Trägerstoffs entfernt, beispielsweise verdampft oder pyrolysiert werden, wobei sich die Metallcarbid- und Borcarbidpartikel stoffschlüssig miteinander verbinden und unter Abgabe überzähligen Kohlenstoffs auch eine Umwandlung des Metallcarbids und eines Teils des Borcarbids in Metallborid stattfindet. Alternativ können statt Metallcarbidpartikeln, die sich beim Sintern in Metallborid umwandeln auch direkt Metallboridpartikel der plastischen Masse zugegeben werden. Die Verwendung von Metallcarbid hat jedoch den Vorteil, dass durch den Umwandlungsprozess beim Sintern eine bessere und schnellere Verbindung zwischen den Partikeln erreicht wird.
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Ähnlich kann für die anderen vorgeschlagenen Komposite vorgegangen werden.
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Für die Thermoschenkel können plastische Massen verwendet werden, die bei einem Sinterprozess zumindest im Wesentlichen gleiche, insbesondere maximal 3 % unterschiedliche, vorteilhaft maximal 1 % unterschiedliche, Schwindraten aufweisen. Für den kanalförmigen Thermoschenkel kann eine plastische Masse verwendet werden, die eine höhere Schwindrate aufweist, als die für den stabförmigen Thermoschenkel verwendete, um bei einem gemeinsamen Sinterprozess eine Pressfassung zu erreichen. Die höhere Schwindrate kann beispielsweise durch die Verwendung kleinerer Partikel und/oder einem kleineren Anteil an Trägerstoff in der plastischen Masse, die für die Ausbildung des kanalförmigen Thermoschenkels eingesetzt wird, erreicht werden.
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Der kanalförmige Thermoschenkel kann dadurch zumindest im Übergangsbereich eine größere Dichte als der stabförmige Thermoschenkel und/oder das scheibenförmige Element aufweisen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der kanalförmige Thermoschenkel aus einer plastischen Masse gefertigt wird, die von kleineren Borcarbid- und Metallborid- bzw. Metallcarbidpartikeln gebildet ist, da diese dichter sintern als größere Partikel. Insbesondere kann hierdurch eine Presspassung erreicht werden.
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Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass der kanalförmige Thermoschenkel einen Außendurchmesser kleiner 7 mm, beispielweise kleiner 5 mm, insbesondere kleiner 4 mm, aufweist. Beispielsweise weist der kanalförmige Thermoschenkel eine Wandstärke von kleiner 1 mm, insbesondere kleiner 0,75 mm, vorteilhaft kleiner 0,5 mm, auf. Der stabförmige Thermoschenkel kann einen Außendurchmesser kleiner 2 mm, insbesondere kleiner 1,5 mm, vorteilhaft kleiner 0,75 mm aufweisen. Eine Länge der Thermoschenkel kann applikationsbedingt im Bereich von 100 mm bis 1000 mm gewählt werden. Die Dimensionen der Thermoschenkel und des Übergangselements sollten vor einem Sinterprozess größer sein, um Schwindungsraten der verwendeten plastischen Massen auszugleichen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der kanalförmige Thermoschenkel mit dem stabförmigen Thermoschenkel in einer Aufnahme im Bereich eines stirnseitigen Endes, das dem Übergangsbereich gegenüberliegend angeordnet ist, fixiert sein und der kanalförmige Thermoschenkel sowie der stabförmige Thermoschenkel an elektrischen Kontakten jeweils elektrisch leitend mit einer elektronischen Auswerteeinheit zur Bestimmung der jeweiligen Temperatur im Übergangsbereich über elektrische Leiter verbunden sein. Die Aufnahme kann eine Entlüftungsöffnung aufweisen, um einen Druckaufbau durch sich innerhalb des thermoelektrischen Elements erwärmendes Gas zu vermeiden und ein Entweichen des sich durch die Erwärmung ausdehnenden Gases zu ermöglichen, oder um aktiv einen Unterdruck bis hin zu einem Vakuum innerhalb des Thermoelements einstellen zu können.
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An der Aufnahme kann eine Heizeinrichtung so angeordnet und ausgebildet sein, mindestens einen der elektrischen Kontakte auf eine vorgebbare Referenztemperatur zu temperieren. Die Referenztemperatur kann vorgegeben und/oder eingestellt werden. Beispielsweise ist die Referenztemperatur auf einen Wert zwischen 30 °C und 800 °C einstellbar.
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Durch eine erhöhte Temperatur an den elektrischen Kontakten kann ein geringerer Wärmeabfluss von der Messstelle und somit eine geringere Beeinflussung des zu messenden Mediums erreicht werden. Weiterhin kann erreicht werden, dass trotz einer Wärmeableitung von der Messstelle zu den elektrischen Kontakten, eine Temperatur an den elektrischen Kontakten konstant auf der Referenztemperatur gehalten wird.
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Die Aufnahme sollte zumindest zwei Aufnahmeöffnungen, in denen jeweils das der Messstelle abgewandte Ende des jeweiligen Thermoschenkels aufgenommen ist, und Kontakte zur Kontaktierung des jeweiligen Thermoschenkels mit einem jeweiligen elektrischen Leiter aufweisen. Die Heizeinrichtung sollte zumindest ein Heizelement aufweisen und eingerichtet sein, zumindest einen der elektrischen Kontakte auf eine Referenztemperatur zu erwärmen. Eine solche Aufnahme mit einer solchen Heizeinheit kann auch eine unabhängige Hochtemperatursensorvorrichtung für Sensoraufbauten zur Bestimmung hoher Temperaturen bilden, da sie auch für die Aufnahme anderer als der im Hauptanspruch beschriebenen thermoelektrischen Elemente, insbesondere thermoelektrischer Elemente mit Thermoschenkeln aus anderen Materialien, geeignet sein kann.
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Die Heizeinrichtung kann eingerichtet sein, beide elektrische Kontakte mit einem einzelnen oder mehreren Heizelement(en), auf die Referenztemperatur zu erwärmen. Gemäß einer Alternative ist es möglich, dass die Heizeinrichtung zumindest zwei Heizelemente aufweist, die jeweils eingerichtet sind, unterschiedliche der elektrischen Kontakte zu erwärmen. Alternativ ist es möglich, dass die Heizeinrichtung, insbesondere durch die Verwendung mehrere Heizelemente vorgesehen ist, die elektrischen Kontakte auf unterschiedliche Temperaturen zu erwärmen (zu temperieren), sodass eine Kompensation für eine alterungsbedingte Veränderung der Seebeck-Koeffizienten an der Messstelle erreicht werden kann.
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Die Aufnahme kann einen Aufnahmekörper aus einem elektrisch nicht leitfähigen keramischen Werkstoff aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass der Aufnahmekörper aus einem thermisch stabilen Kunststoff, einem Glas oder einer Glaskeramik gefertigt ist. Der Aufnahmekörper sollte Aussparungen zur formschlüssigen Aufnahme der Thermoschenkel aufweisen.
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Mit der Erfindung kann eine thermisch stabile und langlebige Anordnung erreicht werden.
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Die elektrischen Leiter und/oder mindestens ein Heizelement der Heizeinrichtung kann als aufgedruckte elektrische Leiterbahn ausgebildet sein. Ein oder mehrere Heizelement(s) können auf eine Außenseite des Aufnahmekörpers aufgedruckt sein. Ein Heizelement kann ein Dickschicht-Heizelement sein. Bevorzugt sind die elektrischen Leiter Metalldrähte, die durch Löten, Schweißen oder Klemmen kontaktiert sind.
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Es kann ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Heizelement und dem Aufnahmekörper und somit den elektrischen Kontakten hergestellt und eine einfache Fertigung ermöglicht werden.
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Ein Heizelement kann in eine Aussparung, insbesondere zwischen den elektrischen Kontakten, im Aufnahmekörper eingebracht und beispielsweise dort eingegossen oder verpresst sein.
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Weiterhin ist es alternativ möglich, dass das Heizelement bereits bei einer Grünlingsfertigung des Aufnahmekörpers in diesen eingebettet ist. Der Aufnahmekörper, und insbesondere das zumindest eine Heizelement, kann in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.
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Vorteilhaft wird vorgeschlagen, dass das/die Heizelement(e) und ein Temperatursensor, der zur Messung der Referenztemperatur an der Aufnahme angeordnet und ausgebildet ist, mit einer Regeleinheit elektrisch leitend verbunden ist/sind. Der Temperatursensor der Heizeinrichtung kann in einem Nahbereich zumindest eines der elektrischen Kontakte angeordnet sein. Die Regeleinheit sollte eingerichtet sein, eine Heizleistung des/der Heizelement(s/e) in Abhängigkeit von einem Signal des Temperatursensors zu regeln. Der Temperatursensor kann ein widerstandsbasierter Sensor (z.B. PT100) oder ein spannungsbasierter Sensor (z.B. ein thermoelektrischer Sensor) sein. Er kann mittig zwischen den elektrischen Kontakten oder an einem der elektrischen Kontakte, der am weitesten von dem Heizelement entfernt ist, angeordnet sein. Es können mehrere Temperatursensoren vorgesehen sein, die die Temperatur an unterschiedlichen Positionen des Aufnahmekörpers messen, um die Messgenauigkeit und die Einhaltung der Referenztemperatur zu verbessern.
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Die Regeleinheit kann eine Versorgungselektronik zum Betrieb der Heizeinrichtung aufweisen. Dies kann ein digitaler oder analogen Steuerkreis sein, der eingerichtet ist, eine Heizleistung des/der Heizelement(s/e) entsprechend einem Signal des Temperatursensors zu regeln, um die Referenztemperatur an den elektrischen Kontakten zu erreichen und einzuhalten.
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Der kanalförmige Thermoschenkel und der stabförmige Thermoschenkel können in jeweils eine Aufnahmeöffnung der Aufnahme mit ihrem dem Übergangsbereich gegenüberliegend angeordneten Stirnseitenbereichen eingeführt und darin fixiert sein.
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Die Durchgangsöffnung, der stabförmige Thermoschenkel im Übergangsbereich, der Flansch und die Außenkontur des scheibenförmigen Elements können konisch ausgebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensoraufbaus zur Bestimmung hoher Temperaturen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des Sensoraufbaus,
- 2 einen Querschnitt des Sensoraufbaus aus 1 entlang der Schnittebene A .
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Beispiels eines Sensoraufbaus 10. Der Sensoraufbau 10 weist ein thermoelektrisches Element 20 auf. Das thermoelektrische Element 20 weist einen langgestreckten kanalförmigen Thermoschenkel 22 und einen langgestreckten stabförmigen Thermoschenkel 24 auf. Der stabförmige Thermoschenkel 24 ist innerhalb des kanalförmigen Thermoschenkels 22 angeordnet.
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Die Thermoschenkel 22, 24 sind jeweils aus einem Werkstoff gebildet, der mit einem Oxid, einem Carbid, Nitrid, einem Borid, einem Silizid und/oder Kohlenstoff gebildet ist, und die Werkstoffe des kanalförmigen Thermoschenkels 22 und des stabförmigen Thermoschenkels 24 jeweils eine Werkstoffzusammensetzung aufweisen, sodass der Werkstoff aus dem der erste Thermoschenkel (22) und der Werkstoff aus dem der zweite Thermoschenkel (24) gebildet ist, im vorgesehenen Einsatztemperaturbereich des Sensoraufbaus jeweils unterschiedliche Seebeck-Koeffizenten aufweisen. Der Werkstoff mindestens eines der Thermoschenkel (22, 24) kann auch mit einem Oxid gebildet sein, das mit einem Metall, beispielsweise Mangan, Niobium oder Chrom dotiert ist.
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Die Seebeck-Koeffizienten der Werkstoffe aus denen die Thermoschenkel 22, 24 bestehen unterscheiden sich im vorgesehenen Einsatztemperaturbereich um mehr als 100 µV/K.
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Der jeweilige Werkstoff der Thermoschenkel 22, 24 ist mit mindestens einer keramischen chemischen Verbindung gebildet, die ausgewählt ist aus einem Oxid, Carbid, Nitrid, Borid und Silizid.
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Die Thermoschenkel 22, 24 bestehen jeweils aus einem Tantaldiborid-Borcarbid -Verbundmaterial. In alternativen Ausgestaltungen bestehen die Thermoschenkel 22, 24 jeweils aus einem Hafniumdiborid-Borcarbid-Verbundmaterial.
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Alternativ können die Werkstoffe der Thermoschenkel 22, 24 aus Aluminiumoxid und Titancarbid oder Titannitrid bestehen.
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Ferner können die Werkstoffe aus Siliziumcarbid und Siliziumnitrid, Kohlenstoff, Titan-carbid, Molybdänsilizid oder Borcarbid bestehen.
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Gemäß einer weiteren Alternative können die Werkstoffe aus Borcarbid und Tantalborid oder Hafniumborid bestehen.
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Der stabförmige Thermoschenkel 24 weist einen Anteil von 8 Masse-% Tantaldiborid (TaB2) und einen Anteil von 92 Masse-% Borcarbid (B4C) auf. Der kanalförmige Thermoschenkel 22 weist einen Anteil von 5 Masse-% Tantaldiborid (TaB2) und einen Anteil von 95 Masse-% Borcarbid (B4C) auf.
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Weiterhin weist das thermoelektrische Element 20 einen Übergangsbereich 26 auf, der zwischen den Thermoschenkeln 22, 24 angeordnet ist. Im Übergangsbereich 26 sind die Thermoschenkel 22, 24 an einem stirnseitigen Ende stoffschlüssig miteinander verbunden, so dass zwischen den Thermoschenkeln 22, 24 ein thermoelektrischer Übergang vorliegt. Der Übergangsbereich 26 bildet eine Messstelle 23 zur Temperaturmessung.
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Der Übergangsbereich 26 ist im Bereich an einer Stirnseite 25 des Thermoschenkels des thermoelektrischen Elements 10 zwischen den Thermoschenkeln 22, 24 angeordnet. Der Übergangsbereich 26 ist mit einem scheibenförmigen Element aus dem gleichen Material gebildet, wie der kanalförmige Thermoschenkel 22. Alternativ kann der Übergangsbereich 26 mit einem scheibenförmigen Element aus dem gleichen Material gebildet sein, wie der stabförmige Thermoschenkel 24.
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Der kanalförmige Thermoschenkel 22, das scheibenförmige Element und der stabförmige Thermoschenkel 24 sind jeweils stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Das den Übergangsbereich 26 bildende scheibenförmige Element ist hohlzylinderförmig mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet und umschließt im Bereich der Messstelle 23 eine Spitze (ein Ende) des stabförmigen Thermoschenkels 24. Der kanalförmige Thermoschenkel 22 umschließt im Bereich der Messstelle 23 den Übergangsbereich 26.
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Anstelle des scheibenförmigen Elements kann an der Innenwand des kanalförmigen Thermoschenkels 22 ein Flansch oder an der Außenseite des stabförmigen Thermoschenkels 24 ein Steg vorhanden sein, mit dem der Übergangsbereich gebildet ist. Der kanalförmige Thermoschenkel 22 und der stabförmige Thermoschenkel 24 sind dann direkt stoffschlüssig im Übergangsbereich 26 miteinander verbunden.
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Der kanalförmige Thermoschenkel 22, der stabförmige Thermoschenkel 24 und der Übergangsbereich 26 bilden eine plane Stirnseite 25 des thermoelektrischen Elements 20. Der die Messstelle 23 bildende thermoelektrische Übergang ist an der Stirnseite 25 des thermoelektrischen Elements 20 angeordnet. Gemäß alternativen Ausgestaltungen kann die Stirnseite 25 des thermoelektrischen Elements 20 z.B. konvex ausgebildet sein.
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Der kanalförmige Thermoschenkel 22 ist hohlzylinderförmig und als Rundrohr mit kreisförmigem Querschnittsprofil ausgebildet. Der kanalförmige Thermoschenkel 22 weist einen Außendurchmesser von 4 mm auf. Die Materialstärke des kanalförmigen Thermoschenkels 22 beträgt 0,5 mm. Der stabförmige Thermoschenkel 24 ist zylinderförmig und als Rundstab mit kreisförmigem Querschnittsprofil ausgebildet. Der stabförmige Thermoschenkel 24 weist einen Außendurchmesser von 1 mm auf. Der kanalförmige Thermoschenkel 22 und der stabförmige Thermoschenkel 24 weisen eine etwa gleiche Ausdehnung (Länge) entlang ihrer Längserstreckung 21 auf. Die Länge beträgt jeweils etwa 500 mm. Der stabförmige Thermoschenkel 24 kann etwas länger sein als der kanalförmige Thermoschenkel 22 und an einem der Messstelle 23 gegenüberliegenden Ende über den kanalförmigen Thermoschenkel 24 hinausragen.
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Zur Herstellung des thermoelektrischen Elements 20 werden aus dem gewählten Borcarbidkompositwerkstoff langgestreckte Formkörper (Thermoschenkel 22, 24 und Übergangsbereich 26) hergestellt und mittels eines Hochtemperaturfügeprozesses stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Aufbau ist mechanisch stabil gestaltet, um eine gute Handhabbarkeit des thermoelektrischen Elements 20 (Temperatursensors) zu gewährleisten. Borcarbidkomposite werden zu langgestreckten Stäben oder Rohren extrudiert. Dabei werden Extrudiermassen hergestellt und ein Extrusionsverfahren zur Formgebung eingesetzt. Es werden ein Stab (stabförmiger Thermoschenkel 24) mit einem deutlich kleineren (Außen-) Durchmesser mit einem Rohr (kanalförmiger Thermoschenkel 22) mit einem deutlich größeren Innendurchmesser kombiniert. Die erforderliche stoffschlüssige Verbindung dieses Paars erfolgt über einen zylinderförmigen Borcarbidkompositkörper (Übergangsbreich 26, scheibenförmiges Element) mit einem Loch (beispielsweise einer Bohrung). Das Loch weist einen Durchmesser auf, der die Aufnahme des stabförmigen Thermoschenkels 24 ermöglicht. Die Einzelkomponenten werden zusammengesetzt und einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei werden die Wärmebehandlungsparameter eingesetzt, die für eine Dichtsinterung der Borcarbidkompositwerkstoffe erforderlich sind. Durch den Sintervorgang verbinden sich alle drei Komponenten stoffschlüssig und hochtemperaturstabil miteinander, ohne dass eine dritte Komponente zum Fügen eingesetzt werden muss, die die thermoelektrische Funktion beeinträchtigen würde. Die Durchmesser werden so gewählt, dass der stabförmige Thermoschenkel 24 und der kanalförmige Thermoschenkel 22 bis auf den Übergangsbereich 26 keinen elektrischen Kontakt zueinander haben. Dazu ist es erforderlich, die Geradheit der Einzelkomponenten und die geometrischen Abmessungen entsprechend zu gewährleisten.
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Der Sensoraufbau 10 weist weiterhin eine Aufnahme 30 auf. Die Aufnahme 30 weist zwei Aufnahmeöffnungen 32, 34 auf. Der Messstelle 23 abgewandte Enden der Thermoschenkel 22, 24 sind in den Aufnahmeöffnungen 32, 34 aufgenommen und darin fixiert.
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Die erste Aufnahmeöffnung 32 ist eingerichtet, den kanalförmigen Thermoschenkel 22 des thermoelektrischen Elements 20 aufzunehmen. Die erste Aufnahmeöffnung 32 ist als Ausnehmung/Aussparung in einem Aufnahmekörper 31 gebildet. Eine Form der Aussparung entspricht einem Außenprofil des kanalförmigen Thermoschenkels 22 und der kanalförmige Thermoschenkel 22 ist formschlüssig darin aufgenommen. Die erste Aufnahmeöffnung 32 weist eine zylindrische Form auf. An dem kanalförmigen Thermoschenkel 22 kann im Endbereich außenseitig eine Erhebung und in der ersten Aufnahmeöffnung 32 innenseitig eine Führung für die Erhebung ausgeformt sein, um einen bajonetartigen Verschluss zwischen dem Aufnahmekörper 31 und dem kanalförmigen Thermoschenkel 22 herzustellen.
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Die zweite Aufnahmeöffnung 34 ist eingerichtet, den stabförmigen Thermoschenkel 24 aufzunehmen und als Aussparung ausgebildet, die von einem Ende der Aussparung der ersten Aufnahmeöffnung 32 ausgeht. Die Form der Aussparung entspricht dem Außenprofil des stabförmigen Thermoschenkels 24, der formschlüssig darin aufgenommen ist.
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Alternativ weist der Aufnahmekörper 31 eine ringförmige Ausstülpung (oder einen Fortsatz) auf, die in den kanalförmigen Thermoschenkel 22 hineinreicht, sodass die erste Aufnahmeöffnung 32 einen ringförmigen Kanal bildet, in dem der kanalförmige Thermoschenkel 22 aufgenommen ist. Die Ausstülpung ist zwischen den Aufnahmeöffnungen 32, 34 angeordnet. In einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, dass der stabförmige Thermoschenkel 24 eine Länge aufweist, die der des kanalförmigen Thermoschenkels 22 entspricht oder kleiner ist, da der stabförmige Thermoschenkel 24 nicht mehr über den kanalförmigen Thermoschenkel 22 herausragen muss, um die zweite Aufnahmeöffnung 34 zu erreichen.
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Die Aufnahmeöffnungen 32, 34 weisen jeweils einen elektrischen Kontakt 33, 35 zur Kontaktierung (elektrischen Verbindung) des jeweiligen Thermoschenkels 22, 24 mit einem jeweiligen elektrischen Leiter 37, 39 auf. Die elektrischen Leiter 37, 39 sind aus Metall, bevorzugt aus Metalldrähten gebildet. Die Kontaktstellen zwischen den Thermoschenkeln 22, 24 und den elektrischen Leitern 37, 39 sind als siebgedruckte Dickschichtkomponenten auf dem Aufnahmekörper 31 bereitgestellt.
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Gemäß einer Alternative sind die Kontaktierungen zwischen den Thermoschenkeln 22, 24 und dem jeweiligen elektrischen Leiter 37, 39 stoffschlüssig mittels Fügewerkstoff ausgeführt. Der Fügewerkstoff ist eine Sinterpaste oder ein Hartlot. Der Fügewerkstoff dient gleichzeitig einer stoffschlüssigen Verbindung der Thermoschenkel 22, 24 mit dem Aufnahmekörper 31. Die Thermoschenkel 22, 24 sind im Bereich des elektrischen Kontakts 33, 35 aufgeraut, um eine bessere und langlebigere Kontaktierung zu erreichen.
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Die elektrischen Kontakte 33,35 zwischen den Thermoschenkeln 22, 24 und dem jeweiligen elektrischen Leiter 37, 39 können auch als Schweißverbindung (z.B. durch Aufschmelzen der elektrischen Leiter 37, 39) oder kraftschlüssig, insbesondere mittels Anpressen durch Federn (z.B.: Metallfedern), ausgeführt sein. Weiterhin können die elektrischen Leiter 37, 39 von gedruckten Leiterbahnen oder mittels eines additiven Herstellungsverfahren als integraler Bestandteil des Aufnahmekörpers gefertigt sein.
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Die elektrischen Leiter 37, 39 sind in Aussparungen 36, 38 (Löchern) innerhalb des Aufnahmekörpers 31 angeordnet, die von den Aufnahmeöffnungen 32, 34 für die Thermoschenkel 22, 24 bis zu einer den Aufnahmeöffnungen 32, 34 gegenüberliegenden Seite des Aufnahmekörpers 31 reichen. Die Aufnahmeöffnungen 32, 34 und die Aussparungen 36, 38 werden bereits bei einer Formung eines Grünlings des Aufnahmekörpers 31 ausgebildet - beispielsweise durch Ausbohren oder Ausstechen von plastisch verformbarem Material des Grünlings - bevor dieser einem Sinterprozess unterzogen wird. Alternativ können die Aussparungen 36, 38 und Aufnahmeöffnungen 32, 34 auch in den Aufnahmekörper 31 eingebracht werden - wenn der Aufnahmekörper 31 bereits zuvor gesintert wurde oder weil bei einem gewählten Material des Aufnahmekörpers 31 gänzlich auf einen Sintervorgang verzichtet werden kann. Die Aussparung 38 kann einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Aufnahmeöffnung 34 und/oder die Aussparung 38 kann versetzt zur Aufnahmeöffnung 34 angeordnet sein.
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Die elektrischen Leiter 37, 39 sind mit einer elektronischen Auswerteeinheit 50 verbunden die eingerichtet ist, eine an den elektrischen Leitern 37, 39 anliegende elektrische Spannung, die im Wesentlichen von dem thermoelektrischen Element 20 an der Messstelle 23 aufgrund des Seebeck-Effekts hervorgerufen wird, auszuwerten und der an der Messstelle 23 vorliegenden Temperatur zuzuordnen.
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Weiterhin weist der Sensoraufbau 10 eine Heizeinrichtung 40 mit einem Heizelement 42 auf, die eingerichtet ist, beide elektrischen Kontakte 33, 35 auf eine Referenztemperatur zu erwärmen.
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Die Heizeinrichtung 40 bildet gemeinsam mit den elektrischen Kontakten 33, 35 der Thermoschenkel 22, 24 mit den elektrischen Leitern 37, 39 eine Referenzstelle für die Messung der Temperatur an der Messstelle 23.
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Der Aufnahmekörper 31 ist aus einem elektrisch isolierenden Material, wie keramischer Werkstoff, beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) gebildet. Der Aufnahmekörper 31 weist eine zylindrische Außenform auf. Der Aufnahmekörper 31 bildet eine Plattform für eine aktive Beheizung der Referenzstelle.
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Mindestens ein Heizelement 42 ist auf den Aufnahmekörper 31, im speziellen auf eine Mantelfläche des Aufnahmekörpers 31 aufgedruckt. Das Heizelement 42 ist ein siebgedrucktes Dickschichtelement. Das Heizelement 42 ist von einer Leiterbahn gebildet, die sich in mehreren Windungen um den Aufnahmekörper 31 wickelt. Der Wickelsinn der Windungen kehrt sich hierbei einmal je Runde um, so dass sich ein durch das Heizelement 42 generiertes Magnetfeld zumindest im Wesentlichen aufhebt und eine Beeinflussung der Messergebnisse verringert wird. Eine Beeinflussung der Messung durch ein Magnetfeld kann auch vermieden werden, wenn das Heizelement 42 während der Temperaturmessung ausgeschaltet wird.
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Die Heizeinrichtung 40 weist weiterhin einen Temperatursensor 46 auf, der nahe zu den beiden elektrischen Kontakten 33, 35 angeordnet ist. Der Temperatursensor 46 ist hier zwischen den elektrischen Kontakten 33, 35 angeordnet. Der Temperatursensor 46 ist ein PT100 Sensor. Der Temperatursensor 46 ist mit der Regeleinheit 44 verbunden, um eine Heizleistung des Heizelements 42 in Abhängigkeit von einem Signal des Temperatursensors 46 zu regeln.
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Die elektronische Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet, der Regeleinheit 44 eine Referenztemperatur zwischen 30°C und 800°C vorzugeben. Die elektronische Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet die Referenztemperatur in Abhängigkeit von einer für die Messstelle 23 ermittelten Temperatur vorzugeben. Die elektronische Auswerteeinheit 50 ist auch eingerichtet, einen Einfluss der Referenztemperatur auf an den Übergängen zwischen den elektrischen Leitern 37, 39 und den jeweiligen Thermoschenkeln 22, 24 hervorgerufene Thermospannungen bei einer Ermittlung der der Messstelle 23 zuzuordnenden Temperatur zu berücksichtigen. Die elektronische Auswerteeinheit 50 kann eigerichtet sein, der Regeleinheit 44 Signale zu übermitteln, die zum Ein- und Ausschalten des Heizelements 42 führen. Die elektronische Auswerteeinheit 50 kann eingerichtet sein, während eines Messvorgangs über das Thermoelement 20, die Beheizung der Referenzstelle zu unterbrechen - beispielsweise, um Störungen der Temperaturmessung durch elektrische und/oder magnetische Impulse der Heizeinheit zu vermeiden. In einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, auf eine Umkehrung eines Wicklungssinns des Heizelements 42 zu verzichten.
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Das Heizelement 42 ist ebenfalls mit der Regeleinheit 44 verbunden. Die Regeleinheit 44 ist eingerichtet, eine Heizleistung des Heizelements 42 so zu regeln, dass eine vom Temperatursensor 46 gemessene Temperatur der vorgegebenen Referenztemperatur entspricht. Die Regeleinheit 44 ist auch eingerichtet, Wärmeleitlatenzen vom Heizelement 42 zum Temperatursensor 46 bei der Regelung zu berücksichtigen.
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Die Aufnahme 30 bildet eine funktionsfähige Referenzstelle mit bekannter Temperatur, die eine präzise Temperaturmessung an der Messstelle 23 im Temperaturbereich bis 2400°C ermöglicht.
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Damit kann einerseits die Temperatur an der Referenzstelle so eingestellt werden, dass selbst bei hohen Temperaturen an der Messstelle 23 keine unkontrollierte Veränderung der Temperatur infolge einer Wärmeableitung von der Messstelle 23 zur Referenzstelle auftritt. Andererseits kann durch eine Reduzierung des Temperaturgradienten zwischen Messstelle 23 und Referenzstelle durch eine hohe Temperatur an der Referenzstelle die Wärmeableitung von der Messstelle 23 zur Referenzstelle verringert und somit eine Beeinflussung der Temperatur der Messstelle 23 durch die Sensorvorrichtung selbst verringert werden.
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Die elektronische Auswerteeinheit 50 ist eingerichtet, eine Signaldrift des thermoelektrischen Elements 20 infolge von Langzeitdiffusionserscheinungen zu erkennen und durch eine veränderte Vorgabe der Temperatur an der Referenzstelle zu kompensieren, wodurch der Einsatzzeitraum des thermoelektrischen Elements 20 (deutlich) verlängert werden kann.
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2 zeigt einen Querschnitt des Sensoraufbaus 10 aus 1 entlang der Schnittebene A. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
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Gemäß weiteren Ausgestaltungen wird vorgeschlagen, Thermoschenkel aus Kombinationen von Kompositen entsprechend den Zeilen der folgenden Tabelle zu fertigen.
| Erster Thermoschenkel | Zweiter Thermoschenkel |
| Anteil der ersten Komponente | Anteil der zweiten Komponente | Anteil der ersten Komponente | Anteil der zweiten Komponente |
| 75 Vol.-% Al2O3 | 25 Vol.-% TiC | 70 Vol.-% Al2O3 | 30 Vol.-% TiC |
| 75 Vol.-% Al2O3 | 25 Vol.-% TiN | 70 Vol.-% Al2O3 | 30 Vol.-% TiN |
| 99 atom% TiO2 | 1 atom% Mn | 98 atom% TiO2 | 2 atom% Mn |
| 99,5 atom% TiO2 | 0,5 atom% Nb | 98 atom% TiO2 | 2 atom% Nb |
| 98,5 atom% TiO2 | 1 atom% Cr | 97,5 atom% TiO2 | 2,5 atom% Cr |
| 99 Vol.-% SiC | 1 Vol.-% Si3N4 | 100 Vol.-% SiC | 0 Vol.-% Si3N4 |
| 99 Vol.-% SiC | 1 Vol.-% C | 95 Vol.-% SiC | 5 Vol.-% C |
| 95 Vol.-% SiC | 5 Vol.-% TiC | 90 Vol.-% SiC | 10 Vol.-% TiC |
| 95 Vol.-% SiC | 5 Vol.-% MoSi2 | 90 Vol.-% SiC | 10 Vol.-% MoSi2 |
| 95 Vol.-% SiC | 5 Vol.-% B4C | 93 Vol.-% SiC | 7 Vol.-% B4C |
| 92 Masse% B4C | 8 Masse% HfB2 | 88 Masse% B4C | 12 Masse% HfB2 |
