DE112019000625T5

DE112019000625T5 - Temperatursensor und Temperaturmessvorrichtung

Info

Publication number: DE112019000625T5
Application number: DE112019000625.8T
Authority: DE
Inventors: Motoki Sato; Takahiro Ogura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2020-11-05
Also published as: CN111684246A; JP6992553B2; WO2019151166A1; US20200363271A1; JP2019132725A; US11454551B2

Abstract

Ein Temperatursensor (1) umfasst ein Paar von Thermoelementdrähten (2), eine Temperaturmessstelle (3), welche durch Verbinden von Spitzenenden des Paares von Thermoelementdrähten (2) miteinander gebildet ist, ein Außenrohr (4) mit einem Spitzenende (401), in dem die Temperaturmessstelle (3) gehalten ist, einen Isolator (5), welcher das Paar von Thermoelementdrähten (2) von dem Außenrohr (4) isoliert, und eine Glasdichtung (6), welche in ein Basisende (402) des Außenrohrs (4) gefüllt ist. Das Paar von Thermoelementdrähten (2), welches in dem Außenrohr (4) angeordnet ist, besitzt Oberflächen, bei welchen jeweils Passivschichten (22) aufgrund der Oxidation der metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten (2) ausgebildet sind.

Description

[Querverweis auf verwandte Anmeldung]
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2018-015627 , die am 31. Januar 2018 eingereicht wurde und deren gesamte Beschreibung hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Temperatursensor, welcher die Temperatur eines Messzielgases unter einer Messumgebung misst, und eine T emperaturmessvorrichtung.
[Allgemeiner Stand der Technik]
Temperatursensoren mit einem Paar von Thermoelementdrähten werden zum Messen der Temperatur von Abgas verwendet, das beispielsweise durch das Abgasrohr eines Fahrzeugs strömt. Ein solches Paar von Thermoelementdrähten ist am Inneren eines Außenrohrs in einem Zustand fixiert, in dem dieses durch einen Isolator, beispielsweise aus Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid, isoliert ist. Das Außenrohr besitzt ein Spitzenende, welches durch ein metallisches Material verschlossen ist, und ein Basisende, welches durch eine Dichtung, beispielsweise aus Glas oder einem Harz, verschlossen ist. Indem das Innere des Außenrohrs von der Außenseite isoliert wird, wird verhindert, dass das Paar von Thermoelementdrähten durch Sauerstoff oder ähnliches oxidiert wird.
Beispielsweise offenbart PTL 1 ein Mantelthermoelement, bei dem die Spitzenenden eines Paares von Thermoelementdrähten und eine Temperaturmessstelle mit einem elektrisch leitenden Material hoher Härte beschichtet sind. Eine Entladungsbeschichtung dieser Komponenten stellt sicher, dass weniger Wärme in die Spitzenenden der Thermoelementdrähte eingebracht wird und sich die Temperaturmesseigenschaften der Thermoelementdrähte weniger ändern.
[Zitierungsliste]
[Patentliteratur]
[PTL 1] JP 2016-211855 A
[Kurzfassung der Erfindung]
Bei den Mantelthermoelementen von Temperatursensoren herkömmlicher Bauart oder von PTL 1 ist das Außenrohr durch ein Dichtungselement abgedichtet, um das Eindringen von Sauerstoff oder dergleichen von außen in das Außenrohr zu verhindern. Bei dem Herstellungsprozess von Temperatursensoren kann jedoch Luftsauerstoff in das Außenrohr eindringen. Der in das Außenrohr eingedrungene Sauerstoff kann während der Verwendung des Temperatursensors die metallischen Materialien auf den Oberflächen der Thermoelementdrähte allmählich oxidieren.
Bis zur Bildung von Passivschichten (Oxidschichten) auf den Oberflächen der Thermoelementdrähte durch Oxidation können sich daher die Materialzusammensetzungen der Thermoelementdrähte verändert haben. Dies liegt daran, dass die Materialien, welche die Thermoelementdrähte bilden, für die Bildung der Passivschichten verwendet werden. Wenn die Temperatur mit einem solchen Temperatursensor gemessen wird, kann daher die in den Thermoelementdrähten erzeugte elektromotorische Kraft einen Fehler aufweisen und somit die vom Temperatursensor gemessene Ausgangstemperatur fehlerhaft sein.
Die in PTL 1 offenbarte Beschichtung ist nur an den Spitzenenden der Thermoelementdrähte und der Temperaturmessstelle und nicht an anderen Abschnitten als den Spitzenenden der Thermoelementdrähte bei dem Außenrohr ausgebildet. Daher können in PTL 1 andere Abschnitte als die Spitzenenden der Thermoelementdrähte im Außenrohr durch den in das Außenrohr eingedrungenen Sauerstoff oxidiert werden.
Die vorliegende Offenbarung wurde vorgenommen, um einen Temperatursensor, der ein geringeres Auftreten von Fehlern bei der Ausgangstemperatur gewährleistet, und ein Temperaturmessvorrichtung bereitzustellen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt in einem Temperatursensor, welcher umfasst:

ein Paar von Thermoelementdrähten, welche aus jeweiligen metallischen Materialien hergestellt sind, die sich voneinander unterscheiden;
eine Temperaturmessstelle, welche durch Verbinden von Spitzenenden des Paares von Thermoelementdrähten miteinander gebildet ist;
ein Außenrohr, welches aus einem metallischen Material hergestellt ist und ein Spitzenende und ein Basisende besitzt, wobei das Spitzenende die Temperaturmessstelle darin hält oder eine daran montierte Spitzenendabdeckung besitzt, in welcher die Temperaturmessstelle gehalten ist, wobei das Basisende ermöglicht, dass das Paar von Thermoelementdrähten davon vorsteht;
einen Isolator, welcher aus einem isolierenden Material hergestellt und in dem Außenrohr angeordnet ist, um das Paar von Thermoelementdrähten von dem Außenrohr zu isolieren und das Paar von Thermoelementdrähten an dem Außenrohr zu fixieren; und
eine Glasdichtung, welche aus einem Glasmaterial hergestellt und in zumindest ein Element aus dem Basisende des Außenrohrs und einem Halter, der an dem Basisende des Außenrohrs montiert ist, gefüllt ist, um das Außenrohr abzudichten, wobei
das Paar von Thermoelementdrähten, welches in dem Außenrohr angeordnet ist, Oberflächen aufweist, bei welchen jeweils Passivschichten aufgrund einer Oxidation der metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten ausgebildet sind.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt in einer Temperaturmessvorrichtung mit einem Temperatursensor und einer Steuerungseinheit, welche elektrisch mit dem Temperatursensor verbunden ist und zur Temperaturmessung verwendet wird, die durch den Temperatursensor durchgeführt wird, wobei:

der Temperatursensor umfasst:
- ein Paar von Thermoelementdrähten, welche aus jeweiligen metallischen Materialien hergestellt sind, die sich voneinander unterscheiden;
- eine Temperaturmessstelle, welche durch Verbinden von Spitzenenden des Paares von Thermoelementdrähten miteinander gebildet ist;
- ein Außenrohr, welches aus einem metallischen Material hergestellt ist und ein Spitzenende und ein Basisende aufweist, wobei das Spitzenende die Temperaturmessstelle darin hält oder eine daran montierte Spitzenendabdeckung besitzt, in welcher die Temperaturmessstelle gehalten ist, wobei das Basisende ermöglicht, dass das Paar von Thermoelementdrähten davon vorsteht;
- einen Isolator, welcher aus einem isolierenden Material hergestellt und in dem Außenrohr angeordnet ist, um das Paar von Thermoelementdrähten von dem Außenrohr zu isolieren und das Paar von Thermoelementdrähten an dem Außenrohr zu fixieren; und
- eine Glasdichtung, welche aus einem Glasmaterial hergestellt und in zumindest ein Element aus dem Basisende des Außenrohrs und einem Halter, der an dem Basisende des Außenrohrs montiert ist, gefüllt ist, um das Außenrohr abzudichten,
- das Paar von Thermoelementdrähten, welches in dem Außenrohr angeordnet ist, Oberflächen aufweist, bei welchen jeweils Passivschichten aufgrund einer Oxidation der metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten ausgebildet sind; und
- die Steuerungseinheit derart konfiguriert ist, dass diese eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor auf der Grundlage von Änderungen der elektromotorischen Kraft berechnet, die in dem Paar von Thermoelementdrähten erzeugt wird, und einen Fehler korrigiert, welcher bei der Ausgangstemperatur aufgrund der ausgebildeten Passivschichten auftritt.

Bei dem Temperatursensor gemäß dem ersten Aspekt werden auf den Oberflächen eines Paares von Thermoelementdrähten absichtlich Passivschichten ausgebildet, so dass weitere Passivschichten auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten während der Verwendung des Temperatursensors weniger wahrscheinlich ausgebildet werden. Insbesondere werden bei der Herstellung des Temperatursensors die metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten absichtlich oxidiert, um Passivschichten auf den Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten zu bilden. In dem Zustand, in dem der Temperatursensor hergestellt worden ist, wird das Paar von Thermoelementdrähten, auf dem die Passivschichten ausgebildet wurden, in dem Außenrohr gehalten und von der Außenseite isoliert.
Selbst wenn also zu der Zeit der Verwendung des Temperatursensors Sauerstoff in das Außenrohr eingeführt wurde, verhindert das Vorhandensein der Passivschichten eine weitere Oxidation des Paares von Thermoelementdrähten durch den Sauerstoff. Daher wird verhindert, dass das Paar von Thermoelementdrähten während der Verwendung des Temperatursensors weitere Änderungen in seiner Materialzusammensetzung erfährt. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass Fehler in der elektromotorischen Kraft, die während der Verwendung des Temperatursensors bei dem Paar von Thermoelementdrähten erzeugt wird, auftreten.
Entsprechend treten bei dem Temperatursensor gemäß einem vorstehend dargelegten Aspekt in der vom Temperatursensor gemessenen Ausgangstemperatur weniger wahrscheinlich Fehler auf.
Die Temperaturmessvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt umfasst die Steuerungseinheit, welche für die von dem Temperatursensor durchgeführte Temperaturmessung verwendet wird. Die Steuerungseinheit ist derart konfiguriert, dass diese eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor auf der Grundlage von Änderungen der elektromotorischen Kraft berechnet, die während der Verwendung des Temperatursensors bei dem Paar von Thermoelementdrähten erzeugt wird. Die Steuerungseinheit wird für den Temperatursensor verwendet, der über das Paar von Thermoelementdrähten verfügt, auf denen die Passivschichten entsprechend ausgebildet sind. Die Steuerungseinheit ist derart konfiguriert, dass diese einen Fehler korrigiert, der bei der Ausgangstemperatur aufgrund der Ausbildung der Passivschichten auftritt.
Daher kann die Steuerungseinheit eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor berechnen, wobei Fehler berücksichtigt werden, die bei der elektromotorischen Kraft des Paares von Thermoelementdrähten aufgrund der Bildung der Passivschichten auftreten können. Entsprechend ist es bei der Temperaturmessvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt weniger wahrscheinlich, dass bei der vom Temperatursensor gemessenen Ausgangstemperatur Fehler auftreten, und die Ausgangstemperatur kann für den Temperatursensor genauer berechnet werden.
Es ist anzumerken, dass die eingeklammerten Bezugszeichen, die den Komponenten in einem Aspekt und einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung zugeordnet sind, auf die Korrespondenz mit den Bezugszeichen in den Abbildungen hinweisen, auf die in der Ausführungsform Bezug genommen wird, und die Komponenten nicht nur auf den Inhalt der Ausführungsform beschränken.
Figurenliste
Die Ziele, Eigenschaften oder Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden in der folgenden Beschreibung, die sich speziell auf die beigefügten Abbildungen bezieht, näher erläutert. Die Abbildungen der vorliegenden Offenbarung sind wie folgt.

1 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Hauptteil eines Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform darstellt.
3 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Abschnitt in der Nähe einer Temperaturmessstelle gemäß einer Ausführungsform darstellt.
4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV von 1.
5 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Hauptteil eines weiteren Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform darstellt.
6 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Abschnitt in der Nähe eines Basisendes eines weiteren Außenrohrs gemäß einer Ausführungsform darstellt.
7 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Abschnitt in der Nähe eines Basisendes eines weiteren Außenrohrs gemäß einer Ausführungsform darstellt.
8 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Hauptteil eines weiteren Temperatursensors gemäß einer Ausführungsform darstellt.
9 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Block für eine Glasdichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
10 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen der gemessenen Temperatur und dem Fehler gemäß einer Ausführungsform darstellt.
11 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Vorbereiten eines Mantelthermoelements darstellt, das einen Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform bildet.
12 ist eine Abbildung, welche einen Mantelstift, der in einem Prozess zum Vorbereiten eines Mantelthermoelements verwendet wird, gemäß einer Ausführungsform darstellt.
13 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einer Heiztemperatur und einer Heizzeit gemäß einer Ausführungsform darstellt.
14 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem ein Teil eines Isolators von dem Basisende eines Mantelstiftes bei einem Prozess zum Vorbereiten eines Mantelthermoelements gemäß einer Ausführungsform abgeschabt bzw. abgekratzt bzw. gelöst wurde.
15 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem eine Temperaturmessstelle an den Spitzenenden eines Paares von Thermoelementdrähten in einem Prozess zum Vorbereiten eines Mantelthermoelements gemäß einer Ausführungsform gebildet wurde.
16 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem eine Spitzenendabdeckung am Spitzenende eines Außenrohrs montiert und ein Block am Basisende des Außenrohrs in einem Prozess zum Vorbereiten eines Mantelthermoelements platziert wurde, gemäß einer Ausführungsform.
17 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem ein Paar von Thermoelementdrähten in einem Prozess zum Vorbereiten eines weiteren Thermoelements gemäß einer Ausführungsform in ein Außenrohr eingeführt wurde.
18 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem eine Glasdichtung bei einem Prozess zum Vorbereiten eines weiteren Thermoelements gemäß einer Ausführungsform in das Basisende eines Außenrohrs eingefüllt wurde.
19 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem ein Isolator bei einem Prozess zum Vorbereiten eines weiteren Thermoelements gemäß einer Ausführungsform in ein Außenrohr gefüllt wurde.
20 ist eine Abbildung, welche einen Zustand darstellt, in dem eine Temperaturmessstelle an den Spitzenenden eines Paares von Thermoelementdrähten in einem Prozess zum Vorbereiten eines weiteren Thermoelements gemäß einer Ausführungsform ausgebildet wurde.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Unter Bezugnahme auf die Abbildungen werden bevorzugte Ausführungsformen des Temperatursensors und der Temperaturmessvorrichtung, wie vorstehend dargelegt, beschrieben.
<Ausführungsformen>
Die 1 und 2 zeigen einen Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform mit einem Paar von Thermoelementdrähten 2, einer Temperaturmessstelle 3, einem Außenrohr 4, einer Spitzenendabdeckung 42, einem Isolator 5 und einer Glasdichtung 6. Das Paar von Thermoelementdrähten 2 sind aus jeweiligen metallischen Materialien bzw. Werkstoffen hergestellt, die sich voneinander unterscheiden. Die Temperaturmessstelle 3 wird durch Verbinden der Spitzenenden des Paares von Thermoelementdrähten 2 ausgebildet. Das Außenrohr 4, das aus einem metallischen Material hergestellt ist, besitzt ein Spitzenende 401, an dem die Spitzenendabdeckung 42 montiert ist, um die Temperaturmessstelle 3 darin zu halten, und ein Basisende 402, welches es dem Paar von Thermoelementdrähten 2 ermöglicht, daraus hervorzustehen. Die Spitzenendabdeckung 42 ist an einer Spitzenende-Außenperipherie des Außenrohrs 4 montiert und verschließt das Außenrohr 4 auf einer Spitzenendseite X1.
Der Isolator 5, der aus einem isolierenden Material hergestellt ist, ist innerhalb des Außenrohrs 4 angeordnet, um das Paar von Thermoelementdrähten 2 vom Außenrohr 4 zu isolieren und das Paar von Thermoelementdrähten 2 am Außenrohr 4 zu fixieren. Die Glasdichtung 6, die aus einem Glasmaterial hergestellt ist, ist in das Basisende 402 des Außenrohrs 4 eingefüllt, um das Außenrohr 4 von der Innenseite davon abzudichten. Wie in 3 gezeigt ist, bilden sich auf den jeweiligen Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2, die im Außenrohr 4 angeordnet sind, aufgrund einer Oxidation der metallischen Materialien auf den Oberflächen der Thermoelementdrähte 2 Passivschichten 22.
2 zeigt eine Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, welche neben dem Temperatursensor 1 eine Steuerungseinheit 8 umfasst, die elektrisch mit dem Temperatursensor 1 verbunden ist und zur Temperaturmessung verwendet wird, die durch den Temperatursensor 1 durchgeführt wird. Die Steuerungseinheit 8 ist derart konfiguriert, dass diese eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor 1 auf der Grundlage von Änderungen der elektromotorischen Kraft berechnet, die in dem Paar von Thermoelementdrähten 2 erzeugt wird, und einen Fehler korrigiert, welcher bei der Ausgangstemperatur aufgrund der ausgebildeten Passivschichten 22 auftritt.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, bezieht sich die Spitzenendseite X1 des Temperatursensors 1 der vorliegenden Ausführungsform auf eine Seite, auf welcher die Temperaturmessstelle 3 im Außenrohr 4 in einer axialen Richtung X entlang der Mittelachse des Außenrohrs 4 vorgesehen ist. Die Basisendseite X2 bezieht sich auf eine entgegengesetzte Seite zur Spitzenendseite X1 in der axialen Richtung X.
Im Folgenden werden der Temperatursensor 1 und die Temperaturmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
(Temperatursensor 1)
2 zeigt einen Temperatursensor 1 zur Verwendung in Fahrzeugen zur Messung der Temperatur eines Fluids, welches durch ein Ansaugrohr oder ein Abgasrohr einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs strömt. Der Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform ist in einem Abgasrohr 15 angeordnet und wird zur Messung der Temperatur des Abgases als ein Messzielgas G unter einer Messumgebung, welches durch das Abgasrohr 15 strömt, verwendet. Die Temperatur des Abgases wird von der Steuerungseinheit (elektronische Steuerungseinheit) 8 bei der Steuerung der Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine verwendet. Beispielsweise kann die Temperatur des Abgases zur Erfassung der Temperatur eines im Abgasrohr angeordneten Abgasreinigungskatalysators verwendet werden. Der Temperatursensor 1 kann beispielsweise in einem Ansaugrohr eines Abgasrückführungsdurchlasses angeordnet sein, in dem das Abgas im Abgasrohr in das Ansaugrohr zurückgeführt wird.
Wie in 12 gezeigt ist, sind das Paar von Thermoelementdrähten 2, das Außenrohr 4 und der Isolator 5, welche in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, integral als ein Mantelstift 12 ausgebildet. Der Temperatursensor 1 besitzt einen Hauptteil, welcher als ein Mantelthermoelement 11 mit dem Paar von Thermoelementdrähten 2, der Temperaturmessstelle 3, dem Außenrohr 4, dem Isolator 5 und der Glasdichtung 6 ausgebildet ist. 4 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung X des Mantelthermoelements 11 und des Mantelstiftes 12.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Temperatursensor 1 auch ein erstes Gehäuse 71 und ein zweites Gehäuse 72, die beide das Mantelthermoelement 11 auf der Innenseite halten, eine basisendseitige Abdeckung 73, welche an dem zweiten Gehäuse 72 montiert ist, und eine Buchse 74, die im Inneren der basisendseitigen Abdeckung 73 gehalten ist. Das erste Gehäuse 71 ist an der Außenperipherie des Außenrohrs 4 montiert, während das zweite Gehäuse 72 an der Außenperipherie des ersten Gehäuses 71 montiert ist. Das zweite Gehäuse 72 ist an einem Montageloch montiert, das an einem Abgasrohr 15 vorgesehen ist. Die Buchse 74 hält eine Anschlussklammer 75, die mit dem Paar von Thermoelementdrähten 2 verbunden ist.
(Außenrohr 4)
Das Außenrohr 4, welches auch als ein Mantelrohr oder ein Metallmantel bezeichnet wird, ist aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Edelstahl (SUS oder NCA) oder einer hitzebeständigen Legierung auf Ni-Basis (NCF), hergestellt. Wie in 12 gezeigt ist, nutzt das Außenrohr 4 das Außenrohr des Mantelstiftes 12 mit einer zylindrischen Gestalt. Das Spitzenende 401 des Außenrohrs 4 ist mit einem metallischen Material verschlossen. Wie in 1 gezeigt ist, ist das Spitzenende 401, das heißt, das Spitzenende eines zylindrischen Teils 41 des Außenrohrs 4, der vorliegenden Ausführungsform durch die an der Außenperipherie des Spitzenendes 401 angebrachte Spitzenendabdeckung 42 verschlossen. Wie in 5 gezeigt ist, kann das Spitzenende 401 des Außenrohrs 4 durch eine Abdeckung 42A verschlossen sein, die von dem Spitzenende 401 des zylindrischen Teils 41 kontinuierlich ausgebildet ist. Die Abdeckung 42A kann aus einem Metallstück ausgebildet sein, die an das Spitzenende des zylindrischen Teils 41 des Außenrohrs 4 geschweißt ist.
Wie in 6 gezeigt ist, kann am Basisende 402 des Außenrohrs 4 ein Halter 43 zum Anordnen einer Tafel 60 bzw. eines Blocks 60 bzw. eines Stücks 60 für die Glasdichtung 6 montiert sein. Der Halter 43 besitzt eine Trichtergestalt und eine obere Öffnung 431 mit einem Innendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser des Außenrohrs 4. Der Halter 43 dient zum Einfüllen eines Glasmaterials, das heißt, einer geschmolzenen Tafel 60 bzw. eines geschmolzenen Blocks 60, in das Basisende 402 des Außenrohrs 4. Der Halter 43 kann auf die Außenperipherie des Basisendes 402 des Außenrohrs 4 aufgepresst sein, oder kann auf die Außenperipherie des Basisendes 402 des Außenrohrs 4 gequetscht und an diesem fixiert oder angeschweißt sein.
Die Größe des Blocks 60, der in dem Halter 43 angeordnet wird, kann größer sein als die Größe davon in dem Fall, in dem dieser in dem Basisende 402 des Außenrohrs 4 angeordnet wird. Wenn der in dem Halter 43 angeordnete Block 60 als ein Glasmaterial geschmolzen wird, kann das Glasmaterial vom Inneren des Halters 43 in das Basisende 402 des Außenrohrs 4 strömen. Daher kann eine große Menge des Glasmaterials geschmolzen werden und das Glasmaterial kann ausreichend zu dem Basisende 402 des Außenrohrs 4 geführt werden. Entsprechend kann das Außenrohr 4 von der Innenseite davon durch die Glasdichtung 6 wirkungsvoller abgedichtet werden.
Wie in 7 gezeigt ist, kann bei Verwendung des Halters 43 die Glasdichtung 6 in den Halter 43 gefüllt werden, um das Basisende 402 des Außenrohrs 4 abzudichten. In diesem Fall kann der Innendurchmesser des Halters 43 größer sein als dieser des Außenrohrs 4. Durch Füllen des Halters 43 mit der Glasdichtung 6 kann ein höherer Kompressionseffekt ausgeübt und eine höhere Luftdichtheit beim Außenrohr 4 sichergestellt werden. Auch kann in diesem Fall die Zeit des Abschabens eines Teils des Isolators 5 vom Basisende des Mantelstiftes 12 (das Basisende 402 des Mantelrohrs 4) eingespart werden. Die Glasdichtung 6 ist in den Halter 43 bevorzugter bis zu dem Niveau des maximalen Durchmessers davon gefüllt. In diesem Fall kann ein noch höherer Kompressionseffekt ausgeübt und eine noch höhere Luftdichtheit im Außenrohr 4 wirkungsvoll sichergestellt werden.
(Paar von Thermoelementdrähten 2)
Das Paar von Thermoelementdrähten 22 sind aus jeweiligen metallischen Materialien hergestellt, die sich voneinander unterscheiden, so dass der Seebeck-Effekt angewendet werden kann. Das Paar von Thermoelementdrähten 2 der vorliegenden Ausführungsform bildet ein N-Typ-Thermoelement (Mantelthermoelement 11). Mit dieser Konfiguration kann der Temperaturmessbereich des Temperatursensors 1 leicht vergrößert werden. Der Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform kann die Temperatur eines Messzielgases G mit einer Temperatur von 1.000 °C oder mehr messen. Die Thermoelementdrähte 2 besitzen einen positiven Schenkel aus Nicrosil, einer Legierung, die als Hauptbestandteile Ni (Nickel), Cr (Chrom) und Si (Silizium) aufweist. Die Thermoelementdrähte 2 besitzen einen negativen Schenkel aus Nisil, einer Legierung, die Ni (Nickel) und Si (Silizium) als Hauptbestandteile umfasst.
Das Paar von Thermoelementdrähten 2 besitzen jeweils einen Durchmesser in dem Bereich von ϕ 0,01 mm bis ϕ 2,0 mm. Die Durchmesser des Paares von Thermoelementdrähten 2 der vorliegenden Ausführungsform sind zueinander gleich. Der Durchmesser kann zwischen dem positiven und negativen Schenkel der Thermoelementdrähte 2 unterschiedlich sein. Es ist schwierig, die Durchmesser der Thermoelementdrähte 2 auf weniger als ϕ 0,01 mm zu reduzieren, sowohl aus Sicht der Produktion als auch der Festigkeit. Falls die Durchmesser der Thermoelementdrähte 2 größer als ϕ 2,0 mm sind, nimmt die Größe des Mantelthermoelements 11 zu, wodurch das Ansprechverhalten, die Montierbarkeit und dergleichen des Temperatursensors 1 nachteilig beeinflusst werden können.
Wie in den 1 und 3 gezeigt ist, besitzt das Paar von Thermoelementdrähten 2 der vorliegenden Ausführungsform Oberflächen, auf denen Passivschichten 22 entsprechend ausgebildet sind. Die Passivschichten 22 werden durch Oxidation der elektrisch leitfähigen metallischen Materialien, welche die jeweiligen Thermoelementdrähte 2 bilden, ausgebildet. Die Passivschichten 22 dienen als Schutzschichten, welche verhindern, dass die metallischen Materialien mit Sauerstoff in Kontakt kommen und oxidiert werden. Das Paar von Thermoelementdrähten 2 besitzt leitfähige Abschnitte 21 aus metallischen Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit innerhalb der jeweiligen Passivschichten 22.
Die Passivschicht 22, welche auf der Oberfläche des positiven Schenkels der Thermoelementdrähte 2 der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, weist Cr-Oxid oder Ni-Oxid auf, welches durch Oxidation von Cr oder Ni in dem metallischen Material gebildet wird und in der größten Menge enthalten ist. Mit dieser Konfiguration kann auf einfache Art und Weise eine Passivschicht 22 mit einer erforderlichen Dicke ausgebildet werden. Der Ausdruck „in der größten Menge enthalten“ bezieht sich darauf, dass der Gehalt des Cr-Oxids oder Ni-Oxids unter den Oxiden, welche die Passivschicht bilden, am höchsten ist. Die Passivschicht 22 des positiven Schenkels der Thermoelementdrähte 2 kann ein Oxid, wie beispielsweise Si-Oxid, aufweisen, welches sich von dem Cr-Oxid oder dem Ni-Oxid unterscheidet. Alternativ kann im Wesentlichen die gesamte Passivschicht 22 des positiven Schenkels der Thermoelementdrähte 2 aus dem Cr-Oxid oder dem Ni-Oxid ausgebildet sein.
Die Passivschicht 22, welche auf der Oberfläche des negativen Schenkels der Thermoelementdrähte 2 der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, weist Ni-Oxid auf, das durch Oxidation von Ni in dem metallischen Material gebildet wird und in der größten Menge enthalten ist. Mit dieser Konfiguration kann auf einfache Art und Weise eine Passivschicht 22 mit einer erforderlichen Dicke ausgebildet werden. Der Ausdruck „in der größten Menge enthalten“ bezieht sich darauf, dass der Gehalt des Ni-Oxids unter den Oxiden, welche die Passivschicht bilden, am höchsten ist. Die Passivschicht 22 des negativen Schenkels der Thermoelementdrähte 2 kann ein Oxid, wie beispielsweise Si-Oxid, aufweisen, welches sich von dem Ni-Oxid unterscheidet. Alternativ kann im Wesentlichen die gesamte Passivschicht 22 des negativen Schenkels der Thermoelementdrähte 2 aus dem Ni-Oxid ausgebildet sein.
Die Passivschichten 22 der vorliegenden Ausführungsform werden durch Oxidation der Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 ausgebildet, bevor das Außenrohr 4 von der Innenseite davon durch die Glasdichtung 6 abgedichtet wird. Mit dieser Konfiguration können die Passivschichten 22 auf einfache Art und Weise ausgebildet werden. Die Passivschichten 22 werden durch eine thermische Verarbeitung des Paares von Thermoelementdrähten 2, integral mit dem Außenrohr 4 und dem Isolator 5 als ein Mantelstift 12, ausgebildet. Bei dem Isolator 5, der in dem Außenrohr 4 des Temperatursensors 1 gedichtet ist, sind zwischen den Pulverteilchen Zwischenräume bzw. Spalte ausgebildet, durch welche Sauerstoff (Luft) mit dem Paar von Thermoelementdrähten 2 in Kontakt kommen kann.
Die Passivschichten 22 der Thermoelementdrähte 2 der vorliegenden Ausführungsform besitzen jeweils eine Dicke in dem Bereich von 0,3 µm bis 10 µm. Die Passivschichten 22 der vorliegenden Ausführungsform sind über die gesamten Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 ausgebildet. Wenn die Passivschichten 22 jeweils eine Dicke in dem Bereich von 0,3 µm bis 10 µm aufweisen, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Schichten weiter wachsen, und weniger wahrscheinlich, das sich diese abtrennen bzw. lösen. Die Passivschichten 22 müssen nicht notwendigerweise mit einer gleichmäßigen Dicke über die gesamten Thermoelementdrähte 2 ausgebildet sein. Die Passivschichten 22 können jeweils eine Dicke aufweisen, die sich zwischen Abschnitten der Thermoelementdrähte 2 unterscheidet. Auch in diesem Fall liegen die Dicken der Passivschichten 22 bei Abschnitten der Thermoelementdrähte 2 bei dem Außenrohr 4 jedoch vorzugsweise in dem Bereich von 0,3 µm bis 10µm.
Falls die Passivschichten 22 jeweils eine Dicke von weniger als 0,3 µm aufweisen, kann die Oxidation der metallischen Materialien, welche die Thermoelementdrähte 2 bilden, während der Verwendung des Temperatursensors 1 voranschreiten und die Dicke kann dazu neigen, zuzunehmen. In diesem Fall besteht auch eine Sorge, dass die Thermoelementdrähte 2 wahrscheinlich Abschnitte aufweisen, in denen fast keine Passivschichten 22 ausgebildet sind. Falls die Passivschichten 22 jeweils eine Dicke von mehr als 10 µm aufweisen, können sich die Passivschichten 22 während der Verwendung des Temperatursensors 1 ablösen.
Es ist anzumerken, dass das Paar von Thermoelementdrähten 2 verschiedene andere Arten von Thermoelementen als den Typ N bilden kann. Beispielsweise kann das Paar von Thermoelementdrähten 2 ein K-Typ-Thermoelement mit einem positiven Schenkel aus Chromel, einer Legierung mit Ni und Cr als Hauptbestandteile, und einem negativen Schenkel aus Alumel, einer Legierung mit Ni, Al und Si als Hauptbestandteile, bilden. In diesem Fall kann Cr-Oxid oder Ni-Oxid auf dem positiven Schenkel der Thermoelementdrähte 2 ausgebildet sein. Auch Al-Oxid, Si-Oxid oder Ni-Oxid kann auf dem negativen Schenkel der Thermoelementdrähte 2 ausgebildet sein.
Wie in 2 gezeigt ist, ist das Paar von Thermoelementdrähten 2 parallel zueinander in das Außenrohr 4 eingefügt. Das Paar von Thermoelementdrähten 2 ist aus dem Außenrohr 4 in Richtung hin zu der Basisendseite X2 herausgezogen und über die Anschlussklammer 75 und Leitungen 76, die bei dem Temperatursensor 1 vorgesehen sind, mit der externen Steuerungseinheit 8 verbunden. Die Steuerungseinheit 8 kann einer Sensorsteuerungseinheit (SCU) entsprechen, die mit einer Maschinensteuerungseinheit (ECU) verbunden ist. Die Steuerungseinheit 8 kann als eine Maschinensteuerungseinheit gestaltet sein.
(Temperaturmessstelle 3)
Wie in 2 gezeigt ist, wird die Temperaturmessstelle 3, welche auch als eine Heißstelle bezeichnet wird, durch Vereinigen des metallischen Materials, welches den positiven Schenkel des Paares von Thermoelementdrähten 2 bildet, mit dem metallischen Material, welches den negativen Schenkel davon bildet, in einer Kugelgestalt ausgebildet. Der Temperatursensor 1 besitzt ein Temperaturmessspitzenende 10, welches die Temperaturmessstelle 3 und die die Temperaturmessstelle 3 umschließende Spitzenendabdeckung 42 umfasst. Das Paar von Thermoelementdrähten 2 des Temperatursensors 1 ist über die Anschlussklammer 75, die Leitungen 76 und dergleichen mit einem Verstärker in der Steuerungseinheit 8 verbunden, um eine Schaltung zur Temperaturmessung zu bilden. In der Steuerungseinheit 8 ist eine Vergleichs- bzw. Referenzstelle ausgebildet, welche bei dem Paar von Thermoelementdrähten 2 entgegengesetzt zu der Temperaturmessstelle 3 angeordnet ist. Die Temperaturdifferenz zwischen der Temperaturmessstelle 3 und der Referenzstelle erzeugt eine elektromotorische Kraft in dem Paar von Thermoelementdrähten 2.
Wie in 1 gezeigt ist, befindet sich die Temperaturmessstelle 3 der vorliegenden Ausführungsform in einer Gasphase K in der Spitzenendabdeckung 42, welche auf dem Spitzenende 401 des Außenrohres 4 montiert ist. Wie in 8 gezeigt ist, kann die Temperaturmessstelle 3 über einen Füllstoff 51, der im Inneren der Spitzenendabdeckung 42 angeordnet ist, an der Spitzenendabdeckung 42 fixiert sein. Der Füllstoff 51 besteht aus einem isolierenden Metalloxid. Spitzenenden 201 des Paares von Thermoelementdrähten 2 und die Temperaturmessstelle 3 sind so angeordnet, dass diese von einer Spitzenendöffnung 411 des zylindrischen Teils 41 des Außenrohrs 4 hin zu der Spitzenendseite X1 vorstehen.
(Isolator 5)
Wie in 1 gezeigt ist, ist der Isolator 5 aus einem Pulver eines Metalloxids, wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), hergestellt. Der Spalt zwischen der Innenperipherie bzw. dem Innenumfang des Außenrohrs 4 und den Außenumfängen des Paares von Thermoelementdrähten 2 ist mit einem Pulver des Isolators 5 gefüllt. Zwischen den Pulverteilchen des Isolators 5 sind Zwischenräume ausgebildet. Das Pulver des Isolators 5 wurde beim Formen des Mantelstiftes 12 komprimiert, um den Durchmesser davon zu verringern. Das Paar von Thermoelementdrähten 2 ist/sind durch das Pulver des Isolators 5 in dem Außenrohr 4 gehalten.
(Glasdichtung 6)
Die Glasdichtung 6 ist aus Glas auf Bi-Basis mit Bi (Wismut) oder Glas auf Pb-Basis mit Pb (Blei) hergestellt. Das Glas auf Bi-Basis weist Bi₂O₃ (Wismutoxid) als einen Hauptbestandteil, weitere Oxide und dergleichen auf. Weitere Oxide können B₂O₃, SrO, ZnO und BaO umfassen. Das Glas auf Pb-Basis weist PbO (Bleioxid) als einen Hauptbestandteil, weitere Oxide und dergleichen auf. Weitere Oxide können B₂O₃, SrO, ZnO und SiO₂ umfassen.
Die Glasdichtung 6 wird durch Schmelzen eines Festkörper-Glasblocks 60 und anschließendes Erstarren des geschmolzenen Blocks 60 erhalten. Bei Verwendung von Glas auf Bi- oder Pb-Basis kann der Block 60 geschmolzen werden, indem dieser beispielsweise auf 400 °C bis 700 °C erhitzt wird. Wie in 9 gezeigt ist, besitzt der Block 60 eine Größe, die zum Einsetzen in das Basisende 402 des Außenrohrs 4 oder den Halter 43 geeignet ist. Der Block 60 besitzt zwei Einführungslöcher 601, durch die das Paar von Thermoelementdrähten 2 entsprechend eingeführt werden kann/können.
(Steuerungseinheit 8)
Die Steuerungseinheit 8 verfügt über einen Verstärker, der für die vom Temperatursensor 1 durchgeführte Temperaturmessung verwendet wird, und einen Computer, welcher eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor 1 auf der Grundlage der elektromotorischen Kraft berechnet, die in dem Paar von Thermoelementdrähten 2 erzeugt wird. Die folgende Ausgangstemperatur und die korrigierte Ausgangstemperatur werden vom Computer berechnet. Die Änderung der in dem Paar von Thermoelementdrähten 2 erzeugten elektromotorischen Kraft wird von der Steuerungseinheit 8 in eine Änderung der Ausgangstemperatur umgewandelt. In der Steuerungseinheit 8 wird ein Kennfeld erstellt, welches die elektromotorische Kraft mit der Ausgangstemperatur korreliert. In der Steuerungseinheit 8 wird die vom Temperatursensor 1 gemessene Temperatur des Messzielgases G gemäß der Größe der elektromotorischen Kraft als eine Ausgangstemperatur ausgegeben.
Der Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform umfasst das Paar von Thermoelementdrähten 2, auf denen die Passivschichten 22 entsprechend ausgebildet sind. Daher besitzen die leitfähigen Abschnitte 21 des Paares von Thermoelementdrähten 2 eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Querschnittsfläche der leitfähigen Abschnitte allgemein verwendeter Temperatursensoren, bei denen keine Passivschichten 22 auf dem Paar von Thermoelementdrähten 2 ausgebildet sind. Daher wird die elektromotorische Kraft, die im Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform erzeugt wird, als etwas kleiner betrachtet als die elektromotorische Kraft, die in den allgemein verwendeten Temperatursensoren 1 erzeugt wird.
Bei dem Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform kann die von der Steuerungseinheit 8 ausgegebene Ausgangstemperatur einen Fehler aufweisen, der darauf zurückzuführen ist, dass die Passivschichten 22 auf dem Paar von Thermoelementdrähten 2 ausgebildet sind. In diesem Zusammenhang ist das in der Steuerungseinheit 8 der vorliegenden Ausführungsform erstellte Kennfeld so konfiguriert, dass nach Korrektur eines Fehlers, der in der Ausgangstemperatur aufgrund der Bildung der Passivschichten 22 hervorgerufen würde, eine korrigierte Ausgangstemperatur gemäß der in dem Paar von Thermoelementdrähten 2 erzeugten elektromotorischen Kraft ausgegeben wird.
Insbesondere wird die Temperatur eines Gases, das auf eine vorbestimmte Prüftemperatur eingestellt ist, unter Verwendung des Paares von Thermoelementdrähten 2 gemessen, auf denen die Passivschichten 22 ausgebildet sind, um die Differenz zwischen der gemessenen Ausgangstemperatur und der Prüftemperatur als eine Grundlage für die Korrektur zu verwenden. Die Ausgangstemperatur wird durch Ändern des Kennfeldes korrigiert, in dem die elektromotorische Kraft mit der Ausgangstemperatur korreliert ist, so dass es keine Differenz zwischen der gemessenen Ausgangstemperatur und der Prüftemperatur geben wird. Mit anderen Worten, die Ausgangstemperatur wird durch Ändern der für die elektromotorische Kraft berechneten Ausgangstemperatur korrigiert.
Die Ausgangstemperatur kann durch die folgende lineare Schätzkorrektur korrigiert werden. Wie in 10 gezeigt ist, wird ein Fehler ΔT zwischen einer Prüftemperatur Tm und einer gemessenen Ausgangstemperatur T1 berechnet. Dann wird in einem Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem gemessenem Temperaturbereich (°C) und dem Fehler (°C) zeigt, eine Gerade L, die durch 0 °C verläuft, das heißt, die Temperatur der Referenzstelle als eine Referenztemperatur T0 des Temperatursensors 1, und ΔT °C eingezeichnet. Die Gerade L besitzt eine Neigung ΔT/Tm. Eine korrigierte Ausgangstemperatur T2, die auf einer linearen Schätzkorrektur basiert, kann aus T2 = T1 + T1 × ΔT/Tm berechnet werden, wobei T1 einer Ausgangstemperatur entspricht, die bei jeder Temperaturmessung erhalten wird.
Eine Neigung ΔTa/Tm der Geraden L kann auch wie folgt berechnet werden. Insbesondere wird die Prüftemperatur Tm als eine Mehrzahl unterschiedlicher Temperaturen aufgefasst, und für jede der Mehrzahl von Prüftemperaturen Tm wird ein Fehler ΔT zwischen der gemessenen Ausgangstemperatur T1 und der Prüftemperatur Tm berechnet. Dann kann die Neigung ΔTa/Tm der Geraden L unter Verwendung eines Mittelwertes ΔTa der Fehler ΔT berechnet werden. Alternativ kann für eine Mehrzahl von Prüftemperaturen Tm ein Fehler ΔT zwischen einer gemessenen Ausgangstemperatur T1 und einer Prüftemperatur Tm berechnet werden, und die Fehler ΔT können einer Regressionsanalyse als eine durch 0 °C verlaufende Gerade unterzogen werden, um die Neigung als eine Neigung einer Geraden zu verwenden.
Die Ausgangstemperatur T1 kann auch durch Berechnen eines Fehlerverhältnisses α, das heißt, durch Berechnen, wie sich eine gemessene Ausgangstemperatur T1 von einer Prüftemperatur Tm unterscheidet, und Multiplizieren der Ausgangstemperatur T1 mit der Fehlerverhältnis α korrigiert werden. Das Fehlerverhältnis α kann berechnet werden als α = Tm/T1. In diesem Fall kann eine korrigierte Ausgangstemperatur T2 berechnet werden, indem eine gemessene Ausgangstemperatur T1 mit dem Fehlerverhältnis α multipliziert wird, als T2 = T1 × α. Das Fehlerverhältnis α einer Ausgangstemperatur T1 relativ zu einer Prüftemperatur Tm kann für eine Mehrzahl von Prüftemperaturen Tm berechnet werden, und ein Mittelwert der Fehlerverhältnisse α kann als ein Fehlerverhältnis α verwendet werden.
(V orbereitungsverfahren)
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 11 wird ein Verfahren zum Vorbereiten des Mantelthermoelements 11 als ein Hauptteil des Temperatursensors 1 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird ein Mantelstift 12 mit einem Außenrohr 4, in dem ein Paar von Thermoelementdrähten 2 durch einen Isolator 5 gehalten sind, vorbereitet (Schritt S1 von 11). Wie in 12 gezeigt ist, ragt das Paar von Thermoelementdrähten 2 sowohl von der Spitzenendseite X1 als auch von der Basisendseite X2 des Mantelstiftes 12 heraus.
Dann wird der Mantelstift 12 für eine geeignete Zeit in einer Atmosphäre, in der Luft vorhanden ist, auf 500 °C bis 800 °C erwärmt (Schritt S2). In diesem Fall kommt die Luft über die Freiräume in dem Isolator 5 des Mantelstiftes 12 mit dem Paar von Thermoelementdrähten 2 in Kontakt und oxidiert die metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2. Dadurch bilden sich auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 Passivschichten 22 als Oxidschichten aus.
Beim Quittieren der Dicken der auf den Thermoelementdrähten 2 gebildeten Passivschichten 22 können die Heiztemperatur und die Heizzeit des Mantelstiftes 12 in geeigneter Weise bestimmt werden, so dass die Dicken in dem Bereich von 0,3 µm bis 10 µm liegen werden. Wie in 13 gezeigt ist, stehen Heiztemperatur und Heizzeit in einem solchen Verhältnis, dass eine höhere Heiztemperatur die Heizzeit entsprechend verkürzt. Beispielsweise kann die Heizzeit in dem Bereich von 0,5 Stunden bis 50 Stunden liegen. Bei einer Heiztemperatur von etwa 800 °C kann die Heizzeit etwa 0,5 Stunden betragen. Bei einer Heiztemperatur von etwa 500 °C kann die Heizzeit etwa 10 Stunden betragen.
Dann wird, wie in 14 gezeigt ist, in einem Zustand, in dem das Paar von Thermoelementdrähten 2 und das Außenrohr 4 gehalten sind, ein Teil des Isolators 5 von dem Basisende des Mantelstiftes 12 abgeschabt (Schritt S3). In diesem Fall kann der Isolator 5 durch Strahlen oder dergleichen abgeschabt werden. Nach dem Abschaben des Isolators 5 bleibt am Basisende 402 des Außenrohrs 4 ein Raum 403 übrig. Dann werden, wie in 15 gezeigt ist, die Spitzenenden 201 des von dem Spitzenende des Mantelstiftes 12 herausragenden Paares von Thermoelementdrähten 2 miteinander in Kontakt gebracht und unter Verwendung eines Lasers oder dergleichen vereinigt bzw. verschmolzen, so dass die Spitzenenden 201 miteinander verbunden werden, um dadurch eine Temperaturmessstelle 3 zu bilden (Schritt S4).
Dann wird, wie in 16 gezeigt ist, eine Spitzenendabdeckung 42 durch Schweißen, Crimpen oder dergleichen an dem Spitzenende 401 des Außenrohrs 4 des Mantelstiftes 12 montiert, die am Spitzenende 401 des Außenrohrs 4 fixiert ist (Schritt S5). In diesem Fall kann ein Füllstoff 51, bei dem es sich um ein pulverförmiges Metalloxid handelt, im Inneren der Spitzenendabdeckung 42 angeordnet werden, um die Temperaturmessstelle 3 an der Spitzenendabdeckung 42 zu fixieren (siehe 8). Es ist anzumerken, dass die Schritte S3 und S4 vor Schritt S2 durchgeführt werden können. Es ist anzumerken, dass die Schritte S4 und S5 vor Schritt S3 durchgeführt werden können.
Dann wird, wie in der Abbildung gezeigt ist, ein Block 60 zur Bildung der Glasdichtung 6 in dem Raum 403 am Basisende 402 des Außenrohrs 4 platziert (Schritt S6). In diesem Fall werden die Basisenden 202 des Paares von Thermoelementdrähten 2, die von dem Basisende 402 des Außenrohrs 4 vorstehen, entsprechend in die Durchgangslöcher 601 des Blocks 60 eingeführt. Dann werden das Basisende 402 des Außenrohrs 4 und der Block 60 erhitzt, um den Block 60 zu schmelzen (Schritt S7).
Dann, wenn das Aufheizen des Blocks 60 und dergleichen abgeschlossen wurde, wird der geschmolzene Block 60 abgekühlt und verfestigt, um eine Glasdichtung 6 auszubilden. Daher wird das Basisende 402 des Außenrohrs 4 durch die Glasdichtung 6 abgedichtet und das Innere des Außenrohrs 4 wird durch die Glasdichtung 6 von der Außenseite isoliert. Auf diese Art und Weise wird ein Mantelthermoelement 11 als ein Hauptbestandteil des Temperatursensors 1 vorbereitet.
(Passivschichten 22)
Der Mantelstift 12 wird ausgebildet, indem für das Außenrohr 4, in dem das Paar von Thermoelementdrähten 2 und der Isolator 5 angeordnet sind, schrittweise eine durchmesserreduzierende Verarbeitung durchgeführt wird. Die durchmesserreduzierende Verarbeitung wird im Allgemeinen in einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt, die fast keinen Sauerstoff enthält, um eine Oxidation der Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 zu verhindern. Aus diesem Grund sind auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 in dem Mantelthermoelement 11 für allgemein verwendete Temperatursensoren 1 keine Passivschichten 22 ausgebildet.
Bei dem Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 bewusst Passivschichten 22 ausgebildet. Zu diesem Zweck kann ein Teil der durchmesserreduzierenden Verarbeitung des für den Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Mantelstiftes 12 statt in einer reduzierenden Atmosphäre in einer oxidierenden, sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt werden.
(Weiteres Vorbereitungsverfahren)
Das Thermoelement 11 kann auch wie folgt vorbereitet werden, ohne einen Mantelstift 12 zu verwenden. Zunächst werden, wie in 17 gezeigt ist, ein Paar von Thermoelementdrähten 2 in die Innenperipherie eines Außenrohrs 4 eingeführt. In diesem Fall wird das Paar von Thermoelementdrähten 2 für eine geeignete Zeit in einer Atmosphäre, in der Luft vorhanden ist, auf 500 °C bis 800 °C erhitzt, um Passivschichten 22 auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 auszubilden. Dann wird, wie in 18 gezeigt ist, eine Glasdichtung 6 unter Verwendung eines Blocks 60 in das Basisende 402 des Außenrohrs 4 gefüllt. Dann wird, wie in 19 gezeigt ist, die Richtung des Außenrohrs 4 umgedreht, so dass sich die Glasdichtung 6 unten befindet, und ein Isolator 5 wird von oberhalb der Glasdichtung 6 in das Außenrohr 4 gefüllt. Dann werden, wie in 20 gezeigt ist, Spitzenenden 201 des Paares von Thermoelementdrähten 2 miteinander vereinigt, um eine Temperaturmessstelle 3 zu bilden. Danach kann eine Spitzenendabdeckung 42 auf dem Spitzenende 401 des Außenrohrs 4 montiert werden, um dadurch ein Thermoelement 11 vorzubereiten.
(Vorteilhafte Effekte)
Bei dem Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform sind auf den Oberflächen eines Paares von Thermoelementdrähten 2 bewusst Passivschichten 22 ausgebildet, so dass während der Verwendung des Temperatursensors 1 weitere Passivschichten 22 weniger wahrscheinlich auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 ausgebildet werden. Insbesondere werden bei der Herstellung des Temperatursensors 1 die metallischen Materialien auf den Oberflächen eines Paares von Thermoelementdrähten 2 bewusst oxidiert, um Passivschichten 22 auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 zu bilden. In einem Zustand, in dem der Temperatursensor 1 fertiggestellt ist, wird das Paar von Thermoelementdrähten 2, auf dem die Passivschichten 22 ausgebildet sind, im Außenrohr 4 gehalten und von der Außenseite isoliert.
Falls sich also zu der Zeit der Verwendung des Temperatursensors 1 Sauerstoff im Außenrohr 4 befunden hat, verhindert das Vorhandensein der Passivschichten 22 eine weitere Oxidation des Paares von Thermoelementdrähten 2 durch den Sauerstoff. Daher wird verhindert, dass die Materialzusammensetzungen der leitenden Abschnitte 21 während der Verwendung des Temperatursensors 1 weitere Veränderungen des Paares von Thermoelementdrähten 2 erfahren. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, dass während der Verwendung des Temperatursensors 1 Fehler in der elektromotorischen Kraft auftreten, die in dem Paar von Thermoelementdrähten 2 erzeugt wird.
Entsprechend ist es bei dem Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform weniger wahrscheinlich, dass Fehler in der vom Temperatursensor 1 gemessenen Ausgangstemperatur auftreten.
Die Temperaturmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Steuerungseinheit 8, die zur Temperaturmessung verwendet wird, welche durch den Temperatursensor 1 durchgeführt wird. Die Steuerungseinheit 8 ist derart konfiguriert, dass diese einen Fehler korrigiert, der bei der Ausgangstemperatur aufgrund der Bildung der Passivschichten 22 auf dem Paar von Thermoelementdrähten auftritt. Daher kann die Steuerungseinheit 8 eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor 1 unter Berücksichtigung des Fehlers berechnen, der bei der elektromotorischen Kraft des Paares von Thermoelementdrähten 2 aufgrund der Bildung der Passivschichten 22 auftreten kann. Entsprechend ist es bei der Temperaturmessvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform weniger wahrscheinlich, dass Fehler in der vom Temperatursensor 1 gemessenen Ausgangstemperatur auftreten, und die Ausgangstemperatur kann für den Temperatursensor 1 genauer berechnet werden.
Bei den Temperatursensoren mit einem Mantelthermoelement der herkömmlichen Bauart wird das Paar von Thermoelementdrähten 2 in der Anfangsphase der Herstellung der Temperatursensoren in einen Zustand gebracht, in dem auf den Oberflächen davon fast keine Passivschichten 22 ausgebildet sind. Der Grund dafür liegt darin, dass die Passivschichten 22 Veränderungen in den Materialzusammensetzungen der leitfähigen Abschnitte 21 des Paares von Thermoelementdrähten 2 verursachen können, und dem Faktor entsprechen können, der die Messeigenschaften der Temperatursensoren unter Verwendung der Thermoelementdrähte 2 beeinträchtigt.
Wenn jedoch bei dem Herstellungsprozess des Temperatursensors 1 das Außenrohr 4 von der Innenseite davon durch Füllen der Glasdichtung 6 in das Spitzenende 402 des Außenrohrs 4 abgedichtet wird, kann Luft auf der Innenseite des Außenrohrs 4 zurückbleiben. Entsprechend kann, wenn der Temperatursensor 1 während der Verwendung durch das Messzielgas G erwärmt wird, der Sauerstoff in der Luft im Inneren des Außenrohrs 4 die Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 allmählich oxidieren. Wenn die Zeit der Verwendung des Temperatursensors 1 länger wird, kann daher ein größerer Fehler in der elektromotorischen Kraft des Paares von Thermoelementdrähten 2 auftreten, was einen noch größeren Fehler in der Ausgangstemperatur des Temperatursensors 1 verursacht.
Der Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform soll verhindern, dass sich die Ausgangscharakteristika des Temperatursensors 1 im Laufe der Zeit ändern, da mögliche Fehler, die bei der Ausgangstemperatur auftreten, allmählich größer werden. Bei dem Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform werden auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 in der Anfangsphase der Herstellung bewusst Passivschichten 22 ausgebildet. Falls der Temperatursensor 1 über einen langen Zeitraum verwendet wird, ist es entsprechend weniger wahrscheinlich, dass sich die Dicken der Passivschichten 22 des Paares von Thermoelementdrähten 2 ändern, und es ist weniger wahrscheinlich, dass sich die Ausgangscharakteristika des Temperatursensors 1 im Laufe der Zeit ändern.
Aus diesem Grund kann der Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessern. Mit anderen Worten, der Temperatursensor 1 der vorliegenden Ausführungsform wird mit geringerer Wahrscheinlichkeit Änderungen in der Sauerstoffkonzentration der im Außenrohr 4 verbleibenden Luft verursachen.
(Beispiele)
Das vorliegende Beispiel zeigt als ein Beispiel das Mantelthermoelement 11 des Temperatursensors 1 der Ausführungsform. Die auf dem Paar von Thermoelementdrähten 2 des Mantelthermoelements 11 ausgebildeten Passivschichten 22 wurden hinsichtlich der Dicke untersucht.
Das Paar von Thermoelementdrähten 2 des vorliegenden Beispiels wurde durch das N-Typ Mantelthermoelement 11 konfiguriert. Das Außenrohr 4 des vorliegenden Beispiels hatte einen Innendurchmesser von ϕ 2,3 mm und eine Dicke von 0,3 mm und bestand aus einem Material aus NCF601 (Super-Edelstahl). Der Isolator 5 des vorliegenden Beispiels war aus MgO-Pulver hergestellt. Die Glasdichtung 6 des vorliegenden Beispiels hatte einen Außendurchmesser von ϕ 1,5 mm, eine Länge von 1,5 mm und eine Porosität von 2,5 Vol-% und war aus Glas auf Pb-Basis (mit einem PbO-Gehalt von 70 Massen-%) hergestellt.
Bei der Vorbereitung des Mantelthermoelements 11 des vorliegenden Beispiels wurde ein Mantelstift 12 in einen Ofen mit einer Temperatur von 600 °C gelegt und 4 Stunden lang erhitzt. Es wurde bestätigt, dass Passivschichten 22 mit einer Dicke von 1,0 µm auf den Oberflächen des Paares von Thermoelementdrähten 2 gebildet wurden. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das Verfahren zum Vorbereiten des Restes des Mantelthermoelements 11 gleich wie bei der Ausführungsform.
Die vorliegende Offenbarung soll nicht so ausgelegt werden, dass diese auf die Ausführungsform beschränkt ist, sondern es können unterschiedliche Ausführungsformen konfiguriert werden, ohne von dem Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung soll verschiedene Modifikationen und weitere Modifikationen innerhalb der Äquivalenztheorie umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2018015627 [0001]
JP 2016211855 A [0005]

Claims

Temperatursensor (1), aufweisend: ein Paar von Thermoelementdrähten (2), welche aus jeweiligen metallischen Materialien hergestellt sind, die sich voneinander unterscheiden; eine Temperaturmessstelle (3), welche durch Verbinden von Spitzenenden des Paares von Thermoelementdrähten miteinander gebildet ist; ein Außenrohr (4), welches aus einem metallischen Material hergestellt ist und ein Spitzenende (401) und ein Basisende (402) besitzt, wobei das Spitzenende die Temperaturmessstelle darin hält oder eine daran montierte Spitzenendabdeckung (42) besitzt, in welcher die Temperaturmessstelle gehalten ist, wobei das Basisende ermöglicht, dass das Paar von Thermoelementdrähten davon vorsteht; einen Isolator (5), welcher aus einem isolierenden Material hergestellt und in dem Außenrohr angeordnet ist, um das Paar von Thermoelementdrähten von dem Außenrohr zu isolieren und das Paar von Thermoelementdrähten an dem Außenrohr zu fixieren; und eine Glasdichtung (6), welche aus einem Glasmaterial hergestellt und in zumindest ein Element aus dem Basisende des Außenrohrs und einem Halter (43), der an dem Basisende des Außenrohrs montiert ist, gefüllt ist, um das Außenrohr abzudichten, wobei das Paar von Thermoelementdrähten, welches in dem Außenrohr angeordnet ist, Oberflächen aufweist, bei welchen jeweils Passivschichten (22) aufgrund einer Oxidation der metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten ausgebildet sind.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Passivschichten jeweils eine Dicke in einem Bereich von 0,3 µm bis 10 µm aufweisen.
Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei: das Paar von Thermoelementdrähten ein N-Typ-Thermoelement bildet; das Paar von Thermoelementdrähten einen Positivschenkel-Thermoelementdraht umfasst, der Ni, Cr und Si aufweist; das Paar von Thermoelementdrähten einen Negativschenkel-Thermoelementdraht umfasst, der Ni und Si aufweist; die Passivschicht, die auf der Oberfläche des Positivschenkel-Thermoelementdrahts ausgebildet ist, Cr-Oxid oder Ni-Oxid mit einem höchsten Gehalt aufweist; und die Passivschicht, die auf der Oberfläche des Negativschenkel-Thermoelementdrahts ausgebildet ist, Ni-Oxid mit einem höchsten Gehalt aufweist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Passivschichten durch Oxidation der Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten vor dem Abdichten des Außenrohrs von der Innenseite davon durch die Glasdichtung ausgebildet sind.
Temperaturmessvorrichtung (100) mit einem Temperatursensor (1) und einer Steuerungseinheit (8), welche elektrisch mit dem Temperatursensor verbunden ist und zur Temperaturmessung verwendet wird, die durch den Temperatursensor durchgeführt wird, wobei: der Temperatursensor (1) aufweist: ein Paar von Thermoelementdrähten (2), welche aus jeweiligen metallischen Materialien hergestellt sind, die sich voneinander unterscheiden; eine Temperaturmessstelle (3), welche durch Verbinden von Spitzenenden des Paares von Thermoelementdrähten miteinander gebildet ist; ein Außenrohr (4), welches aus einem metallischen Material hergestellt ist und ein Spitzenende (401) und ein Basisende (402) besitzt, wobei das Spitzenende die Temperaturmessstelle darin hält oder eine daran montierte Spitzenendabdeckung (42) besitzt, in welcher die Temperaturmessstelle gehalten ist, wobei das Basisende ermöglicht, dass das Paar von Thermoelementdrähten davon vorsteht; einen Isolator (5), welcher aus einem isolierenden Material hergestellt und in dem Außenrohr angeordnet ist, um das Paar von Thermoelementdrähten von dem Außenrohr zu isolieren und das Paar von Thermoelementdrähten an dem Außenrohr zu fixieren; und eine Glasdichtung (6), welche aus einem Glasmaterial hergestellt und in zumindest ein Element aus dem Basisende des Außenrohrs und einem Halter (43), der an dem Basisende des Außenrohrs montiert ist, gefüllt ist, um das Außenrohr abzudichten, wobei das Paar von Thermoelementdrähten, welches in dem Außenrohr angeordnet ist, Oberflächen aufweist, bei welchen jeweils Passivschichten (22) aufgrund einer Oxidation der metallischen Materialien auf den Oberflächen des Paars von Thermoelementdrähten ausgebildet sind; und die Steuerungseinheit derart konfiguriert ist, dass diese eine Ausgangstemperatur für den Temperatursensor auf der Grundlage von Änderungen einer elektromotorischen Kraft berechnet, die in dem Paar von Thermoelementdrähten erzeugt wird, und einen Fehler korrigiert, welcher bei der Ausgangstemperatur aufgrund der ausgebildeten Passivschichten auftritt.