DE112007001034B4

DE112007001034B4 - Temperatursonde und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE112007001034B4
Application number: DE112007001034T
Authority: DE
Inventors: Johannes Friederich Laguna Nigual Nyffenegger
Original assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2007-04-09
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2027-04-10
Also published as: US20070252672A1; US7719401B2; WO2007127599A1; DE112007001034T5; US7817010B2; US20100126002A1; DE112007001034T8

Abstract

Temperatursondenbaugruppe, aufweisend:
ein Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material mit einem Innendurchmesser, der durch eine Innenbohrung definiert ist, wobei das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist;
einen Einsatz aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material, der in der Innenbohrung angeordnet ist und einen Außendurchmesser hat, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser des Gehäuses bei einer ersten Temperatur;
einen Temperatursensor, der innerhalb des Einsatzes installiert ist;
wobei der das zweite wärmeleitfähige Material einen Wärmedehnungskoeffzienten hat, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der ersten Temperatur in die Innenbohrung eingeführt werden kann und bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur, mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.

Description

Diese Erfindung wurde mit Regierungsförderung unter der Vertragsnummer F29601-97-C-0001, erteilt vom Aeronautical Systems Command, erarbeitet. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Temperatursonden und genauer eine Temperatursonde, bei der ein Widerstandstemperaturgerät-(resistive temperature device; RTD)Element eingesetzt wird, das in einem Schutzgehäuse eingebaut ist.
Hintergrund
Temperatursonden werden in zahlreichen Anwendungen zur Erfassung der Temperatur eines Feststoffs, einer Flüssigkeit oder eines Gases eingesetzt. So werden Temperatursonden beispielsweise in Hochenergie-Lasersystemen verwendet, um die Temperatur von basischem Wasserstoffperoxid (basic hydrogen Peroxide; BHP), Jod, Chlor und anderen Chemikalien zu erfassen, die bei der Erzeugung des Laserstrahls verwendet werden. Zu weiteren Anwendungen zählen solche in der Medizin, Pharmazie, Lebensmitteltechnik, Chemie, Luft- und Raumfahrt sowie Industrie. Bei bestimmen Anwendungen z. B. Hochenergie-Lasersystemen ist es wichtig, bestimmte Temperaturen sehr genau und sehr rasch zu messen.
Für die Temperaturmessung sind in der Technik verschiedene Klassen von Temperatursensoren bekannt. Eine Klasse Temperatursensoren verwendet Ohm'sche Elemente, die dem Fachmann hinreichend bekannt sind. Wenn die Temperatur des Elements zu- oder abnimmt, nimmt auch der Widerstand des Elements zu oder ab, was einen Hinweis auf eine Temperaturänderung liefert. An das Widerstandselement wird ein konstantes Präzisionsstromsignal angelegt, was in einem Spannungsabfall über das Element resultiert, der proportional ist zu seinem Widerstand und der Temperatur, der es ausgesetzt ist. Die Spannung wird dann gemessen, um einen Widerstandswert und damit die diesem bestimmten Widerstand entsprechende Temperatur zu erhalten.
Bekannte Temperatursonden, die Ohm'sche Elemente verwenden, haben typischerweise eine Ansprechzeit (Zeitkonstante) von einigen Sekunden. Vor allem dann, wenn sich die Temperatur der Umgebung ändert, in der der Sensor misst, liefert der Sensor den exakten Temperaturwert der Änderung erst nach Ablauf von mehr als einigen Sekunden. Die Sondenansprechzeit wird hierin als die Zeit definiert, die der Temperatursensor benötigt, um über 63,2% der gesamten Temperaturänderung anzusprechen. Eine derart langsame Ansprechzeit ist bei zahlreichen Anwendungen nicht akzeptabel. Die langsame Ansprechzeit kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass das Ohm'sche Element in einem Schutzgehäuse installiert ist, das typischerweise Lufttaschen und Klebemittel zwischen dem Element und dem Gehäuse enthält. Die Lufttaschen können die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Medien und dem Ohm'schen Element erheblich verringern, was in einer langsameren Zeitkonstante der Sonde resultiert.
Dokument D1 ( US 4,485,263 ) beschreibt ein Thermoelement mit zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern die an einem Ende miteinander verbunden sind. Innerhalb eines inneren Schutzrohres aus Metall ist ein elektrisch isolierendes Material vorgesehen. Das innere Schutzrohr ist innerhalb eines äußeren Schutzrohres aus Metall angeordnet. Dieses weist Öffnungen auf, so dass ein Medium dessen Temperatur ermittelt werden soll das innere Schutzrohr umgeben kann. Zudem besteht das innere Schutzrohr aus einem ersten Metall und das äußere Schutzrohr aus einem zweiten Metall. Dabei ist der Ausdehnungskoeffizient des ersten Metalls größer oder zumindest gleich dem Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Metalls.
Zusammenfassung
Ein Aspekt der Erfindung stellt eine Temperatursondenbaugruppe bereit. Die Temperatursondenbaugruppe weist ein Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material auf mit einem Innendurchmesser, der durch eine Innenbohrung definiert ist, wobei das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist einem Einsatz, der aus einem in der Innenbohrung angeordneten zweiten wärmeleitfähigen Material besteht und einen Außendurchmesser hat, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser des Gehäuses bei einer ersten Temperatur und einem Temperatursensor, der innerhalb des Einsatzes installiert ist. Das zweite wärmeleitfähige Material hat einen Wärmedehnungskoeffizienten, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der ersten Temperatur in die Innenbohrung eingeführt werden kann und bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur, mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Temperatursondenbaugruppe bereitgestellt. Das Verfahren weist die Ausbildung einer Innenbohrung in einem Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material auf, wobei die Innenbohrung einen Innendurchmesser bei einer ersten Temperatur hat, so dass das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist die Ausbildung eines Einsatzes aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material mit einem Außendurchmesser, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser bei der ersten Temperatur, und einem inneren Hohlraum, der so dimensioniert ist, dass ein Temperatursensor untergebracht werden kann, und Verkleben des Temperatursensors im inneren Hohlraum. Das Verfahren weist ferner das Einführen des Einsatzes in die Innenbohrung des Gehäuses bei der ersten Temperatur auf, um eine Temperatursondenbaugruppe zu bilden, und das Aussetzen der Temperatursondenbaugruppe einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, auf. Das zweite wärmeleitfähige Material hat einen Wärmedehnungskoeffizienten, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der zweiten Temperatur mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Temperatursondenbaugruppe bereitgestellt. Das Verfahren weist das Bohren einer Innenbohrung in einem Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material auf, wobei die Innenbohrung einen Innendurchmesser bei einer ersten Temperatur im Bereich von ca. –40°F (–40°C) bis ca. –100°F (–73,33°C) hat, so dass das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist und die Herstellung eines Einsatzes durch spanende Bearbeitung oder Stanzen aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material mit einem Außendurchmesser, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser bei der ersten Temperatur, und einem inneren Hohlraum, der so dimensioniert ist, dass ein Widerstandstemperaturgerät-(RTD)Element untergebracht werden kann. Das Verfahren weist ferner das Verkleben des RTD-Elements im inneren Hohlraum, das Koppeln von Signalleitungen mit dem RTD-Element und das Einführen des Einsatzes in die Innenbohrung des Gehäuses bei der ersten Temperatur auf, um eine Temperatursondenbaugruppe zu bilden. Die Temperatursondenbaugruppe wird dann einer zweiten Temperatur ausgesetzt, die höher als oder ungefähr gleich ca. 32°F (0°C) ist, wobei das zweite wärmeleitfähige Material einen Wärmedehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der zweiten Temperatur mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht einer Temperatursondenbaugruppe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Seitenansicht eines zylindrischen Einsatzes gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Draufsicht des zylindrischen Einsatzes von 2.
4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer Temperatursondenbaugruppe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperatursensorsonde und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Die Temperatursensorsonde kann zur sehr genauen und extrem schnellen Messung der Temperaturen korrosiver Medien wie geschmolzenes Jod, Chlor, Ammoniak, basisches Wasserstoffperoxid u. a. verwendet werden, ohne durch die Medien eine Zustandsverschlechterung zu erfahren oder zerstört zu werden. Die Temperatursensorsonde hat einen wärmeleitfähigen Einsatz, in dem ein Widerstandstemperaturgerät-(RTD)Element (z. B. ein Präzisionsdünnfilm-Sensorgerät) untergebracht ist. Der wärmeleitfähige Einsatz kann in eine zentrale Langbohrung eines wärmeleitfähigen Gehäuses (oder Mantels) durch ein offenes Ende bis zu einem geschlossenen Ende des Gehäuses eingeführt werden, so dass er am Innendurchmesser des Gehäuses anliegt.
Sowohl der Innendurchmesser des Gehäuses als auch der Außendurchmesser des Einsatzes können so spanend bearbeitet werden, dass sie bei einer ersten Temperatur (z. B. ca. –40°F (–40°C) bis ca. –100°F (–73,33°C)) im Wesentlichen gleich sind. Das wärmeleitfähige Material des Einsatzes ist so gewählt, dass es einen Wärmedehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der des wärmeleitfähigen Materials des Gehäuses. Der Einsatz kann deshalb bei einer ersten Temperatur in das Gehäuse eingeführt werden, um eine Temperatursondenbaugruppe zu bilden. Die Temperatursondenbaugruppe kann dann nach der ersten Temperatur einer zweiten Temperatur (z. B. einer Raumtemperatur höher als oder gleich ca. 32°F (0°C)) ausgesetzt werden, die höher ist als die erste Temperatur.
Mit dem Anstieg der Umgebungstemperatur dehnt sich der Einsatz rascher aus als das Gehäuse, was in einem extremen Passsitz bei höheren Temperaturen und einer wiederholbaren schnellen Temperaturkonstante resultiert. Die vorliegende Erfindung stellt eine hohe Ausbeute (z. B. 95%), ein rasches Ansprechverhalten (z. B. eine Ansprechzeit von mindestens ca. 250 msec oder schneller bei einzelnen Sonden) und deutlich geringere Kosten als derzeitige Implementierungen bereit. Die zweite Temperatur kann so gewählt werden, dass sich der Einsatz hinreichend ausdehnen kann und mit Passsitz im Gehäuse sitzt, ohne dass ein wärmeleitfähiges Klebemittel erforderlich ist. Die zweite Temperatur sollte den oberen Temperaturgrenzwert der Sonde nicht überschreiten, der vom oberen Temperaturgrenzwert des Dünnfilm-RTD-Elements bestimmt wird. Wenn die zweite Temperatur den oberen Temperaturgrenzwert des Dünnfilm-RTD überschreitet, muss das Dünnfilm-RTD-Element evtl. neu kalibriert werden, oder es kann dauerhaft beschädigt sein. Ein beschädigtes Element kann nicht neu kalibriert werden, da es aufgrund der Schichtentrennung zwischen dem Dünnfilm-RTD-Element und dem zugehörigen Substrat möglicherweise nicht linear anspricht.
1 zeigt eine Schnittansicht in Längsrichtung einer Temperatursensorsonde 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Die Sonde 10 enthält ein äußeres Gehäuse 12 (oder einen Mantel), in dem eine Bohrung 14 begrenzt ist, die als Schutzschild fungiert, und das aus einem ersten wärmeleitfähigen Material wie Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder einer beliebigen Variation einer Legierung wie Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder einer anderen leitfähigen Legierung besteht. Das Gehäuse 12 ist bei diesem Beispiel zylindrisch, da sich diese Form bei bestimmten Anwendungen zu einer günstigeren Konfiguration eignet. Bei anderen Beispielen kann die Form des Gehäuses 12 natürlich anders sein, um für die betreffende Anwendung eine bessere Leitfähigkeit zu bieten. Außerdem können der Durchmesser, die Wanddicke und die Länge des Gehäuses 12 anwendungsspezifisch sein. Bei einem Aspekt der Erfindung hat das Gehäuse 12 einen Außendurchmesser von 1/8 Zoll (3,18 mm), einen Innendurchmesser von 0,095 Zoll (2,413 mm) und eine Länge von 6 Zoll (15,24 cm).
Das Gehäuse 12 kann ein geschlossenes Ende 16 und ein offenes Ende 18 haben. Das geschlossene Ende 16 kann über eine Verschlusskappe geschlossen sein, die an ein Ende des Gehäuses 12 angeschweißt ist und es abschließt. Bei einem Aspekt der Erfindung hat die Verschlusskappe eine Dicke von 0,01 Zoll (0,254 mm). Das Gehäuse 12 kann wahlweise eine einzelne integrierte Baugruppe sein, deren Innendurchmesser spanend bearbeitet ist (z. B. mittels einer Elektroerosions-(Electrical Discharge Machining(EDM)Vorrichtung), um die Innenbohrung 14 aus einem massiven zylindrischen Materialstück zu bilden. Ein RTD-Element oder ein Dünnfilmsensor (z. B. ein Dünnfilm-Präzisions-RTD-Element) (nicht dargestellt) ist im Innern eines Einsatzes 20 installiert, der mit innigem Kontakt zum geschlossenen Ende 16 des Gehäuses 12 eingeführt ist. Der Einsatz 20 kann eine zylindrische Form haben, in der ein innerer Hohlraum ausgebildet ist, um das RTD-Element oder den Dünnfilmsensor darin aufzunehmen.
Ein Paar Verbindungsleiter 22 ist elektrisch mit dem RTD-Element oder dem Dünnfilmsensor im Einsatz 20 gekoppelt und aus diesem herausgeführt. Die Verbindungsleiter können aus nicht isoliertem blankem Draht aus 95% Au und 5% Pd bestehen. Ein zylindrisches Isolierelement 24 (z. B. ein Keramikisolator) ist im Gehäuse 12 in der Nähe des Sensors und des Einsatzes 20 positioniert und erstreckt sich wie dargestellt über die Länge des Gehäuses 12. Das Isolierelement 24 kann innerhalb des Gehäuses 12 durch einen Hochtemperaturfüllstoff 26 befestigt sein, der bei Raumtemperatur aufgebracht und dann bei einer höheren Temperatur, die durch die obere Betriebstemperatur des RTD-Elements oder Dünnfilmsensors begrenzt wird, aushärtet. Das Isolierelement 24 mit dem eingebetteten RTD-Element oder Dünnfilmsensor ist über ein Hochtemperatur-Klebemittel 28 verklebt, um die Sonde 10 unter Umgebungsbedingungen mit starker Vibration (z. B. bis zu ca. 20 g oder darüber) zu schützen und zu verstärken. Die Leiter 22 erstrecken sich aus dem RTD-Element durch das Isolierelement 24 und aus dem offenen Ende 18 des Gehäuses 12. Die Leiter 22 können elektrisch mit einer elektrischen Buchse (nicht dargestellt) gekoppelt werden, die am offenen Ende 18 angebracht ist, um dem Sensor im Einsatz 20 ein konstantes Präzisionsstromsignal zu liefern. Obwohl für die Sonde 10 eine Sensorkonfiguration mit zwei Leitern dargestellt ist, versteht es sich, dass auch eine Konfiguration mit drei oder vier Leitern für Messungen mit höherer Präzision verwendet werden kann.
Der Einsatz 20 besteht aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material, dessen Wärmedehnungskoeffizient größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials. Der Einsatz 20 stellt einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Sensor im Einsatz 20 und dem Gehäuse 12 bereit. Der Einsatz 20 kann aus im Wesentlichen reinem Silber bestehen, das ein guter Wärmeleiter ist und außerdem einen relativ hohen Wärmedehnungskoeffizienten hat. Alternativ kann der Einsatz 20 aus geglühtem Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Molybdän oder Magnesium bestehen, vorausgesetzt, der Wärmedehnungskoeffizient des Einsatzmaterials ist höher als der Wärmedehnungskoeffizient des Gehäuses 12. Es ist zu beachten, dass der für den Einsatz gewählte Materialtyp die Zeitkonstante proportional zum betreffenden Koeffizienten der Wärmeleitung beeinflussen kann.
Der Einsatz 20 hat einen Außendurchmesser, der bei einer ersten Temperatur im Wesentlichen der gleiche ist wie der oder im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser (z. B. innerhalb ±0,0001 Zoll (0,00254 mm)) des Gehäuses 12. Die erste Temperatur kann z. B. im Bereich von ca. –40°F (–40°C) bis ca. –100°F (–73,33°C) liegen (z. B. –70°F (–56,67°C)). Deshalb kann der Einsatz 20 gleitend in die Bohrung 14 des Gehäuses 12 eingeführt und am geschlossenen Ende 16 des Gehäuses 12 angeordnet werden, wenn sowohl das Gehäuse 12 als auch der Einsatz 20 der ersten Temperatur ausgesetzt sind. Das Gehäuse 12 und der Einsatz 20 können dann aus der Umgebung mit der ersten Temperatur (z. B. Gefrierschrank) genommen und einer zweiten Umgebungstemperatur, die höher als die erste Temperatur ist, ausgesetzt werden.
Bei ansteigender Umgebungstemperatur dehnt sich der Einsatz 20 schneller aus als das Gehäuse 12, was in einem extremen Passsitz des Einsatzes 20 im Gehäuse 12 bei höheren Temperaturen resultiert und eine zum RTD-Element gehörige wiederholbare schnelle Temperaturkonstante bereitstellt (so werden z. B. Lufttaschen, die die Zeitkonstante der Baugruppe nachteilig beeinflussen, wirksam beseitigt und es besteht kein Bedarf für ein Klebemittel). Die zweite Temperatur kann z. B. eine Raumtemperatur sein, die höher als oder gleich ca. 32°F (0°C) ist. Die zweite Temperatur kann so gewählt werden, dass sich der Einsatz 20 ausreichend ausdehnen kann und mit Passsitz innerhalb des Gehäuses 12 sitzt, ohne den oberen Temperaturgrenzwert der Sonde 10 zu überschreiten.
2 ist eine Vorderansicht einer zylindrischen Einsatzbaugruppe 30 gemäß einem Aspekt der Erfindung und 3 ist eine Draufsicht der zylindrischen Einsatzbaugruppe 30 von 2. Die zylindrische Einsatzbaugruppe 30 enthält ein Dünnfilm-Sensorgerät 32, das axial in einem inneren rechteckigen Hohlraum 42 an der oberen Wand 38 des zylindrischen Einsatzes 34 angeordnet ist. Der zylindrische Einsatz 34 enthält eine zylindrische Außenwand 36, deren Außendurchmesser bei der oben genannten ersten Temperatur auf im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Innendurchmesser eines Temperatursondengehäuses spanend bearbeitet ist. Der innere rechteckige Hohlraum 42 ist auf solche Abmessungen bearbeitet, dass er dass Dünnfilm-Sensorgerät 32 (z. B. Präzisionsdünnfilm-Platinelement) aufnehmen kann. Das Dünnfilm-Sensorgerät 32 wird im inneren rechteckigen Hohlraum 42 senkrecht oder axial angeordnet und dann vergossen und ausgehärtet, wobei ein Silbersuspensions-Vergussmittel 44 verwendet wird. Das Silbersuspensions-Vergussmittel 44 kann einem im U.S.-Patent 6,592,253 B2 mit dem Titel ”Precision Temperature Probe Having a Fast Response”, ähnlich sein, das in seiner Gesamtheit hiermit einbezogen wird. Es versteht sich, dass der Hohlraum 42 rund sein kann, aber ein rechteckiger Hohlraum unter Anwendung der EDM-Bearbeitungstechnologie würde einen besseren Sitz für die Form des Dünnfilm-Sensorgeräts 32 bieten und die erforderliche Menge des Silbersuspensions-Vergussmittels verringern, das die Zeitkonstante nachteilig beeinflussen kann. Eine Bodenwand 40 definiert das geschlossene Ende des zylindrischen Einsatzes 34.
Das geschlossene Ende des zylindrischen Einsatzes 34 und die zylindrische Außenwand 36 können eine Oberfläche haben, die im Wesentlichen die Oberfläche einer Innenbohrung eines Gehäuses eines Temperatursondenendes einer Temperatursonde berührt, um die Wärmeübertragung vom Temperatursondengehäuse zum Dünnfilm-Sensorgerät 32 zu erleichtern. Das Dünnfilm-Sensorgerät 32 kann ein Keramiksubstrat enthalten, auf dem ein Ohm'sches Element angebracht und von einem Isolator bedeckt ist. Bei einer Ausführungsform, die ein nicht einschränkendes Beispiel darstellt, kann das Dünnfilm-Sensorgerät eine Dicke von 1,3 mm, eine Breite von 2,0 mm und eine Länge von 2,3 mm haben. Ein Ohmsches Element kann ein Ohm'sches Platinelement mit einem Widerstand von 100 Ω sein, aber auch aus anderen Materialien wie Platin, Nickel, Nickel-Eisen, Kupfer u. a. bestehen.
Angesichts der oben beschriebenen baulichen und funktionalen Merkmale lässt sich das Verfahren anhand von 4 besser verdeutlichen. Es versteht sich, dass die dargestellten Arbeitgänge bei anderen Ausführungsformen in einer anderen Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Arbeitgängen erfolgen können.
4 zeigt ein Verfahren 50 zur Herstellung einer Temperatursondenbaugruppe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Bei 52 wird ein Gehäuse oder ein Mantel aus einem ersten wärmeleitfähigen Material spanend bearbeitet, um eine Bohrung zu definieren, die sich bei einer ersten Temperatur mit einem vorgegebenen Innendurchmesser z. B. innerhalb ±0,0001 Zoll (0,00254 mm) durch einen Abschnitt des Gehäuses erstreckt. Die erste Temperatur kann z. B. im Bereich von ca. –40°F (–40°C) bis ca. –100°F (–73,33°C) liegen (z. B. –70°F (–56,67°C)). Das erste wärmeleitfähige Material kann z. B. Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder eine beliebige Variation einer Legierung aus Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder eine andere leitfähige Legierung sein. Das Gehäuse kann gereinigt, die Innenwände des Gehäuses elektropoliert und das Gehäuse erneut gereinigt werden, um den durch das Elektropolieren entstandenen Abrieb zu entfernen. Die Außenoberfläche des Einsatzes kann ebenfalls elektropoliert werden, um einen innigen und engen Kontakt mit der Innenoberfläche des Gehäuses sicherzustellen.
Bei 54 wird ein Einsatz aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material bei der ersten Temperatur auf einen vorgegebenen Außendurchmesser z. B. innerhalb ±0,0001 Zoll (0,00254 mm) spanend bearbeitet oder gestanzt, der im Wesentlichen mit dem Innendurchmesser des Gehäuses bei der ersten Temperatur übereinstimmt. Außerdem wird ein innerer rechteckiger Hohlraum im Einsatz gebildet, der so dimensioniert ist, dass er ein Dünnfilm-Präzisions-RTD-Element aufnehmen kann. Das zweite wärmeleitfähige Material hat einen Wärmedehnungskoeffizienten, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials. Der Einsatz kann aus Silber, geglühtem Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Molybdän oder Magnesium bestehen, vorausgesetzt, der Wärmedehnungskoeffizient des Einsatzmaterials ist höher als der Wärmedehnungskoeffizient des Gehäuses. Der Einsatz kann. gereinigt, die Außenwände des Einsatzes elektropoliert und der Einsatz erneut gereinigt werden, um den durch das Elektropolieren entstandenen Abrieb zu entfernen. Die Außenoberfläche des Einsatzes kann ebenfalls elektropoliert werden, um einen innigen und engen Kontakt mit der Innenoberfläche des Gehäuses sicherzustellen. Das Verfahren 50 geht dann zu 56 weiter.
Bei 56 wird ein RTD-Element in den Hohlraum des Einsatzes eingeführt, verklebt und ausgehärtet, um eine Einsatzbaugruppe zu bilden, z. B. unter Verwendung eines Silbersuspensions-Vergussmittels, wie einen im U.S.-Patent Nr. 6,592,253 B2 offenbarten Typ, das in seiner Gesamtheit hiermit einbezogen wird. Die Zeitkonstante des RTD-Elements kann dann verifiziert werden. Bei 58 werden die Signalleitungen durch den Keramikisolator installiert und mit dem RTD-Element gekoppelt. Bei 60 werden das Gehäuse und die Einsatzbaugruppe auf der ersten Temperatur stabilgeglüht. Bei 62 kann die Einsatzbaugruppe mit dem Dünnfilm-RTD-Element in die Bohrung des Gehäuses eingeführt und am Boden oder dem geschlossenen Ende des Gehäuses angeordnet werden, um eine Temperatursondenbaugruppe zu bilden. Bei 64 wird die Temperatursondenbaugruppe aus der ersten Umgebungstemperatur entfernt und einer zweiten Temperatur, die höher als die erste ist, ausgesetzt. Die zweite Temperatur kann z. B. eine Raumtemperatur sein, die höher als oder gleich ca. 32°F (0°C) ist. Die zweite Temperatur kann so gewählt werden, dass sich der Einsatz ausreichend ausdehnen kann und mit Passsitz innerhalb des Gehäuses sitzt. Es sei darauf hingewiesen, dass der obere Temperaturgrenzwert der Sonde vom oberen Temperaturgrenzwert des Dünnfilm-RTD-Elements, bestimmt wird, so dass das Dünnfilm-RTD-Element neu zu kalibrieren wäre, wenn der obere Temperaturgrenzwert der Sonde überschritten wird. Andere Materialien für RTD-Elemente können u. a. Nickel, Nickel-Eisen und Kupfer sein.
Die Zeitkonstante des RTD-Elements kann dann verifiziert werden. Die unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten des Einsatzes und des Gehäuses bewirken einen kraftschlüssigen und sehr engen Sitz des Dünnfilm-Präzisions-RTD-Elements am Boden des Gehäuses, ohne den Einschluss von Lufttaschen. Der Sitz wird mit ansteigender Temperatur enger, wodurch die Bildung feinster Risse durch Luft aufgrund von Wärmestößen, Temperaturwechselbeanspruchung, Vibration oder Stoßbelastung sehr unwahrscheinlich und in der Praxis unmöglich wird. Zur Verstärkung des Keramikisolators kann dann ein Dichtmittel bereitgestellt werden. Die Zeitkonstante des RTD-Elements kann dann verifiziert werden. Das Verfahren geht dann zu 66 weiter, um zusätzliche Tests mit der Temperatursonde auszuführen, wie Wärmestoß- und Temperaturwechselbeanspruchungstest sowie Vibrations- und Stoßtests, um zu verifizieren, dass sich die Zeitkonstante des RTD-Elements nicht als Ergebnis der Wärme- oder Vibrationsspannungen verschlechtert hat.
Die obige Beschreibung betrifft Beispiele der vorliegenden Erfindung. Es ist natürlich nicht möglich, jede denkbare Kombination aus Bauteilen oder Verfahren im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, aber für den Durchschnittsfachmann ist ersichtlich, dass zahlreiche weitere Kombinationen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die vorliegende Erfindung soll daher alle derartigen Änderungen, Modifikationen und Variationen abdecken, die dem Geist der beiliegenden Ansprüche entsprechen und in dessen Gültigkeitsbereich fallen.

Claims

Temperatursondenbaugruppe, aufweisend: ein Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material mit einem Innendurchmesser, der durch eine Innenbohrung definiert ist, wobei das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist; einen Einsatz aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material, der in der Innenbohrung angeordnet ist und einen Außendurchmesser hat, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser des Gehäuses bei einer ersten Temperatur; einen Temperatursensor, der innerhalb des Einsatzes installiert ist; wobei der das zweite wärmeleitfähige Material einen Wärmedehnungskoeffzienten hat, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der ersten Temperatur in die Innenbohrung eingeführt werden kann und bei einer zweiten Temperatur, die höher ist als die erste Temperatur, mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der der Einsatz aus im Wesentlichen reinem Silber besteht.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der der Einsatz entweder aus geglühtem Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Molybdän oder Magnesium besteht.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse aus einer beliebigen Variation von Legierungen aus Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder einer anderen leitfähigen Legierung besteht.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der die erste Temperatur im Bereich von ca. –40°C bis ca. –73,33°C liegt.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 5, bei der die erste Temperatur ca. –56,67°C beträgt.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 5, bei der die zweite Temperatur höher ist als oder gleich ca. 0°C.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse und der Einsatz eine zylindrische Form haben, wobei der Einsatz an einem Ende des Gehäuses und in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse angeordnet ist.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 1, bei der der Temperatursensor ein Widerstandstemperaturelement ist, das entweder aus Platin, Nickel, Nickel-Eisen oder Kupfer besteht.
Sondenbaugruppe nach Anspruch 9, bei der das Widerstandstemperaturelement ein Präzisionsdünnfilmelement ist, das entweder aus Platin, Nickel, Nickel-Eisen oder Kupfer besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Temperatursondenbaugruppe, wobei das Verfahren aufweist: Ausbilden einer Innenbohrung in einem Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material, wobei die Innenbohrung einen Innendurchmesser bei einer ersten Temperatur hat, so dass das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist; Ausbilden eines Einsätzes aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material mit einem Außendurchmesser, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser bei der ersten Temperatur, und einem inneren Hohlraum, der so dimensioniert ist, dass ein Temperatursensor untergebracht werden kann; Verkleben des Temperatursensors im inneren Hohlraum; Einführen des Einsatzes in die Innenbohrung des Gehäuses bei der ersten Temperatur, um eine Temperatursondenbaugruppe zu bilden; und Aussetzen der Temperatursondenbaugruppe einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, wobei das zweite wärmeleitfähige Material einen Wärmedehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der zweiten Temperatur mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Einsatz entweder aus Silber, geglühtem Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Molybdän oder Magnesium besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Gehäuse aus einer beliebigen Variation von Legierungen aus Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder einer anderen leitfähigen Legierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die erste Temperatur im Bereich von ca. –40°C bis ca. –73,33°C liegt und die zweite Temperatur höher als oder gleich ca. 0°C ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Temperatursensor ein Dünnfilm-Präzisionswiderstandselement ist, das entweder aus Platin, Nickel, Nickel-Eisen oder Kupfer besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Ausbildung einer Innenbohrung in einem Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material die spanende Bearbeitung der Innenbohrung mittels einer Elektroerosionsvorrichtung und die Ausbildung eines Einsatzes aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material, dessen Außendurchmesser bei der ersten Temperatur im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser, sowie einen inneren Hohlraum aufweist, der so dimensioniert ist, dass er einen Temperatursensor aufnehmen kann, wobei der Außendurchmessers wie der innere Hohlraum mit rechteckiger Form mittels einer Elektroerosionsvorrichtung arbeitet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Temperatursondenbaugruppe, wobei das Verfahren aufweist: Bohren einer Innenbohrung in einem Gehäuse aus einem ersten wärmeleitfähigen Material, wobei die Innenbohrung einen Innendurchmesser bei einer ersten Temperatur im Bereich von ca. –40°C bis ca. –73,33°C hat, so dass das Gehäuse einen unperforierten Mantel aufweist; spanende Bearbeitung oder Stanzen eines Einsatzes aus einem zweiten wärmeleitfähigen Material mit einem Außendurchmesser, der im Wesentlichen gleich ist dem Innendurchmesser bei der ersten Temperatur, und einem innren Hohlraum, der so dimensioniert ist, dass ein Widerstandstemperaturelement untergebracht werden kann; Verkleben des Widerstandstemperaturelement im inneren Hohlraum mit einem Silbersuspensions-Vergussmittel; Koppeln von Signalleitungen mit dem Widerstandstemperaturelement; Einführen des Einsatzes in die Innenbohrung des Gehäuses bei der ersten Temperatur, um eine Temperatursondenbaugruppe zu bilden; und Aussetzen der Temperatursondenbaugruppe einer zweiten Temperatur, die höher als oder ungefähr gleich ca. 0°C ist, wobei das zweite wärmeleitfähige Material einen Wärmedehnungskoeffizienten hat, der größer ist als der des ersten wärmeleitfähigen Materials, so dass der Einsatz bei der zweiten Temperatur mit Passsitz in der Innenbohrung sitzt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Einsatz entweder aus Silber, geglühtem Kupfer, Gold, Aluminium, Wolfram, Molybdän oder Magnesium besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Gehäuse aus einer beliebigen Variation von Legierungen aus Inconel, Edelstahl, Hastelloy, Kupfer, Messing oder einer anderen leitfähigen Legierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die spanende Bearbeitung der Innenbohrung die Bearbeitung der Innenbohrung mittels einer Elektroerosionsbearbeitungsvorrichtung und die spanende Bearbeitung oder das Stanzen des Einsatzes die Bearbeitung des Außendurchmessers mit einer Elektroerosionsbearbeitungsvorrichtung und des inneren Hohlraums mit rechteckiger Form mit einer Elektroerosionsbearbeitungsvorrichtung aufweist.