DE19747977A1 - Zur Messung von Temperaturen oberhalb 400 DEG C ausgebildeter Temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zur Messung von Temperaturen oberhalb 400°C ausgebildeten Temperatursensor mit einem Anschlußstück zur Halterung eines Anschlußkontakte tra­ genden Kontaktsockels und zur Aufnahme eines offenen En­ des eines einseitig geschlossenen Rohres und mit einem im Bereich des geschlossenen Endes des Rohres angeordneten Meßelement, welches mittels Anschlußdrähten mit den Anschlußkontakten elektrisch leitend verbunden ist, wobei das Rohr zur Anordnung in einem Meßraum und der den Kon­ taktsockel halternde Bereich des Anschlußstücks zur An­ ordnung außerhalb des Meßraums vorgesehen ist.

Solche Temperatursensoren werden beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zur Messung einer Abgasrückfüh­ rungstemperatur einer Brennkraftmaschine eingesetzt und sind aus der Praxis bekannt. Der Temperatursensor ist mit dem Anschlußstück zur Befestigung in einer Öffnung einer Wandung des Meßraums vorgesehen und dient zum Abdichten der Öffnung. Hierdurch läßt sich der Temperatursensor mittels preiswerter nichttemperaturfester elektrischer Leitungen an den Anschlußkontakten kontaktieren. Der Kontaktsockel wird in der Regel aus einem temperaturfe­ sten Glas gefertigt und hat einem Metallrand, mit dem er mit dem Anschlußstück mit einem bei hoher Temperatur schmelzenden Lot befestigt ist. Die Anschlußkontakte ra­ gen bei dem bekannten Temperatursensor in eine Keramikvergußmasse ein. Innerhalb der Keramikvergußmasse sind die Anschlußkontakte mit den Anschlußdrähten des Meßelementes verschweißt.

Nachteilig bei dem bekannten Temperatursensor ist, daß er sehr kostenintensiv zu fertigen ist und daß die Anschlußkontakte sehr heiß werden. Die hohe Temperatur an den Anschlußkontakten erfordert eine temperaturfeste Ge­ staltung von an den Anschlußkontakten angeschlossenen elektrischen Leitungen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Tempera­ tursensor der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß er besonders kostengünstig zu fertigen ist und eine hohe Temperatur an den Anschlußkontakten weitgehend ver­ mieden wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Kontaktsockel und dem das Rohr aufnehmenden Bereich des Anschlußstücks ein einen Luftspalt aufwei­ sender Isolator angeordnet ist.

Durch diese Gestaltung wird von dem Rohr auf das An­ schlußstück übertragene Wärmeenergie sehr langsam auf den Kontaktsockel übertragen. Da der den Kontaktsockel halternde Bereich des Anschlußstücks außerhalb des mit hoher Temperatur beaufschlagten Meßraum angeordnet ist, wird die Wärme von dem Kontaktsockel durch Konvektion mit der Umgebungsluft und über die an den Anschlußkontakten befestigten elektrischen Leitungen abgeleitet, bevor sich dieser stark aufheizt. Hierdurch hat der Kontaktsockel des erfindungsgemäßen Temperatursensors auch bei sich über eine große Zeitspanne erstreckenden Messungen eine geringere Temperatur als der Kontaktsockel des bekannten Temperatursensors. Dank der Erfindung erfordert der Tem­ peratursensor durch den Luftspalt als Isolator einen ge­ ringen Materialeinsatz und ist daher besonders kostengün­ stig herstellbar. Als Kontaktsockel läßt sich zudem ein im Vergleich zu temperaturfestem Glas preiswerteres Mate­ rial einsetzen, was zu einer weiteren Verringerung der Fertigungskosten des Temperatursensors führt.

Die Herstellung des Kontaktsockels ist besonders einfach und verursacht geringe Kosten, wenn dieser aus Kunststoff besteht.

Der erfindungsgemäße Temperatursensor gestaltet sich be­ sonders kostengünstig, wenn der Kontaktsockel aus dem Kunststoff PPS gefertigt ist.

Die Wärmeübertragung auf den Kontaktsockel von dessen Mantelfläche her läßt sich gemäß einer anderen vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung besonders gering hal­ ten, wenn der Kontaktsockel in seiner Mantelfläche eine umlaufende Nut zur Aufnahme eines Dichtrings hat.

Die Wärmeübertragung von dem Rohr zu dem Kontaktsockel läßt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbil­ dung der Erfindung weiter verringern, wenn der Isolator einen zwischen dem Kontaktsockel und einem Flansch des Rohres eingespannten Dichtring hat. Durch diese Gestal­ tung läßt sich eine direkte Verbindung des heißen Be­ reichs des Anschlußstücks mit dem Kontaktsockel vermei­ den.

Der Kontaktsockel hat gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung eine besonders kleine Anlagefläche an dem Anschlußstück, wenn der Kontaktsockel gegen einen Boden­ bereich einer Ausnehmung des Anschlußstücks vorgespannt ist und in seinem radial äußeren Bereich eine Fase auf­ weist. Dies trägt zu einer weiteren Verringerung der Wär­ meübertragung auf den Kontaktsockel bei.

Eine Wärmeübertragung innerhalb des Temperatursensors auf die Anschlußkontakte wird gemäß einer anderen vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung besonders gering ge­ halten, wenn die Verbindungen der Anschlußdrähte des Meßelementes mit den Anschlußkontakten in dem Luftspalt des Isolators angeordnet sind. Da die Anschlußdrähte im Vergleich zu den Anschlußkontakten, die mechanischen Be­ lastungen standhalten müssen, in der Regel besonders klein dimensioniert sind, vermögen hohe Temperaturen der Anschlußdrähte nur unwesentlich zu der Temperatur der Anschlußkontakte beizutragen.

Das Anschlußstück und das Rohr könnten beispielsweise wie bei dem bekannten Temperatursensor aus Messing gefer­ tigt sein. Messing hat jedoch eine hohe Wärmeleitfähig­ keit, so daß die Wärmeenergie von dem Rohr sehr schnell zu dem Kontaktsockel weitergeleitet wird. Zur weiteren Verringerung der Wärmeübertragung auf den Kontaktsockel trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn das Anschlußstück und das Rohr aus Stahl gefertigt sind. Zum Schutz vor Korrosion eignet sich hierfür insbesondere rostfreier Stahl.

Zur weiteren Verringerung der Fertigungskosten des erfin­ dungsgemäßen Temperatursensors trägt es bei, wenn das An­ schlußstück und das Rohr ein einziges Bauteil bildend gefertigt sind. Weiterhin ist durch diese Gestaltung das Rohr gegenüber dem Anschlußstück abgedichtet, so daß zusätzlich anzuordnende Dichtelemente an dieser Stelle nicht erforderlich sind.

Die Montage des erfindungsgemäßen Temperatursensors ge­ staltet sich besonders einfach, wenn der Kontaktsockel an dem Anschlußstück oder dem Rohr anliegende Zentrierstege aufweist. Hierdurch läßt sich zudem zwischen dem radial äußeren Bereich des Kontaktsockels und dem Anschlußstück ein Luftspalt anordnen, der zu einer weiteren Verbesse­ rung der Isolation des Kontaktsockels beiträgt.

Man könnte daran denken, den Kontaktsockel wie bei dem bekannten Temperatursensor mit einem Metallrand zu verse­ hen und an dem Anschlußstück festzulöten. Der erfin­ dungsgemäße Temperatursensor läßt sich jedoch besonders kostengünstig montieren, wenn der Kontaktsockel von einem umgebördelten Rand des Anschlußstücks hintergriffen und gegen das Anschlußstück vorgespannt ist. Das Umbördeln des Randes kann zudem bei einer Herstellung des Tempera­ tursensors in großen Stückzahlen einfach automatisiert werden.

Die Fertigung des Rohres des Temperatursensors ist vor­ teilhaft besonders einfach und präzise, wenn das Rohr im Tiefziehverfahren hergestellt ist.

Das Meßelement des Temperatursensors könnte z. B. ein Thermoelement sein. Es ist jedoch von besonderem Vorteil, wenn das Meßelement ein Widerstandselement besitzt, wo­ bei das Meßelement vorzugsweise ein NTC (Negative Tempe­ rature Coefficient)- oder ein PTC (Positive Temperature Coefficient)-Element aufweist. NTC- und PTC-Elemente ha­ ben vorteilhaft eine ausgeprägte negative bzw. positive Temperatur-Widerstands-Kurve.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Meßelement ein Widerstandselement auf, wobei der Widerstandswerkstoff Platin, Nickel, Molybdän oder Silicium beinhaltet. Derartige Widerstandswerkstoffe wei­ sen sich insbesondere durch einen sehr günstigen Kenn­ linienverlauf und durch eine Eignung für hohe Temperatu­ ren aus.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn eine keramische Vergußmasse das Meßelement zumindest teilweise umhüllt. Die keramische Vergußmasse fixiert zum einen das Meßelement in dem Rohr und gewährleistet zum anderen einen guten Wärmeübergang von dem zu messenden Medium bzw. dem Rohr auf das Meßelement.

Eine elektrische Isolierung der Anschlußdrähte des Meßelements voneinander und vom Rohr wird vorteilhaft sichergestellt, wenn ein keramisches Führungselement, das z. B. als Rohr ausgebildet sein kann oder in einfacher Weise ein Abstandshalter ist, die Anschlußdrähte des Meßelements in dem Rohr führt.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Temperatursensor in einem Längsschnitt,

Fig. 2, 3 weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Temperatursensors.

Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Temperatursen­ sor zur Messung von Temperaturen in einem Bereich von ca. 400°C bis ca. 600°C wie sie typischerweise z. B. als Abgasrückführungstemperaturen in einem Kraftfahrzeug auf­ treten mit einem Anschlußstück 1, in dem ein einseitig geschlossenes Rohr 2 eingesetzt ist. Das Anschlußstück 1 hat eine Ausnehmung 3 zur Aufnahme eines Kontaktsockels 4 mit Anschlußkontakten 5. Zwischen dem Kontaktsockel 4 und dem Anschlußstück 1 ist ein Isolator 6 mit einem Luftspalt 7 und einem Dichtring 8 angeordnet. Durch den Luftspalt 7 und den Dichtring 8 wird eine Wärmeübertra­ gung von dem Anschlußstück 1 auf den Kontaktsockel 4 ge­ ring gehalten und damit eine starke Erwärmung der Anschlußkontakte 5 vermieden. Eine Zentrierung des Kon­ taktsockels 4 gegenüber dem Rohr 2 erfolgt durch eintei­ lig mit dem Kontaktsockel 4 gefertigte Zentrierstege 9, 10. Die Zentrierstege 9, 10 dienen nur zur Vereinfachung der Montage des Temperatursensors. Hierdurch kann der Kontaktsockel 4 in dem Anschlußstück 1 ein großes Spiel in radialer Richtung haben. Dies trägt ebenfalls zur Ver­ ringerung der Wärmeübertragung von dem Anschlußstück 1 auf den Kontaktsockel 4 bei. Weiterhin führt eine Zerstö­ rung der Zentrierstege 9, 10 bei zu hohen Temperaturen am Anschlußstück 1 nicht zu einem Ausfall des Temperatur­ sensors.

Die Anschlußkontakte 5 sind über Anschlußdrähte 11 mit einem in dem Rohr 2 eingesetzten Meßelement 12 verbun­ den. Das Meßelement 12 ist durch eine keramische Vergußmasse 13 in dem Rohr 2 befestigt. Die Anschlußdrähte 11 verlaufen in einem elektrisch nicht leitenden Isolierrohr 14 aus Keramik, das bis kurz vor die Anschlußkontakte 5 geführt ist, und sind mit den Anschlußkontakten 5 verschweißt. Das Isolierrohr 14 wird ebenfalls von der keramischen Vergußmasse 13 gehalten. Der Kontaktsockel 4 wird von einem umgebördelten Rand 15 des Anschlußstücks 1 hintergriffen und gegen den im Bodenbereich der Ausneh­ mung 3 des Anschlußstücks angeordneten Dichtring 8 vor­ gespannt. Der Dichtring 8 spannt zudem einen Flansch 16 des Rohres 2 gegen den Bodenbereich der Ausnehmung 3 des Anschlußstücks 1 vor.

Das Anschlußstück 1 hat in seinem an das Rohr 3 angren­ zenden Bereich ein Außengewinde 17 und im Bereich des Kontaktsockels 4 einen zum Ansetzen eines Schrauben­ schlüssels vorgesehenen Sechskant 18. Hierdurch läßt sich der Temperatursensor in eine Öffnung eines nicht dargestellten Meßraums einschrauben. Das Rohr 2 ragt hierbei in den Meßraum hinein, während die Anschlußkontakte 5 außerhalb des Meßraums angeordnet sind. Der den Kontaktsockel 4 aufnehmende Bereich des Anschlußstücks 1 wird hierbei von der Umgebungsluft gekühlt, so daß eine über den Isolator 6 übertragene Wärmeenergie nicht zu ei­ nem starken Aufheizen der Anschlußkontakte 5 führt. Wei­ terhin kann der Kontaktsockel 4 durch die geringe Aufhei­ zung kostengünstig aus einem Kunststoff, wie beispiels­ weise PPS, gefertigt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Temperatursensors, bei dem das Anschlußstück 1 einteilig mit dem Rohr 2 gefertigt ist. Das Rohr 2 kann - wie auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 - beispielsweise im Tiefziehverfahren hergestellt werden. Der Kontaktsockel 4 hat eine radiale Nut 19 zur Aufnahme eines an dem Anschlußstück 1 anliegenden Dichtrings 20. Unterhalb des Kontaktsockels 4 ist ein einen Luftspalt 21 aufweisender Isolator 22 angeordnet. Weiterhin hat der Kontaktsockel 4 eine Fase 23, die zu einer sehr kleinen Anlagefläche des Kontaktsockels 4 an dem Anschlußstück 1 beiträgt, so daß die Wärmeübertragung auf den Kon­ taktsockel 4 besonders gering gehalten wird.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Temperatursensors. Der Temperatursensor un­ terscheidet sich von dem aus Fig. 2 dadurch, daß der Kontaktsockel 4 über einen Dichtring 24 gegen das An­ schlußstück 1 vorgespannt ist. Weiterhin wird der Kon­ taktsockel 4 gegenüber dem Anschlußstück 1 durch kleine Zentrierstege 25, 26 zentriert. Durch den Dichtring 24 und die Zentrierstege 25, 26 kann zwischen dem radial äu­ ßeren Bereich des Kontaktsockels 4 und dem Anschlußstück 1 ein Luftspalt 27 angeordnet sein, der ebenfalls zur Isolation des Kontaktsockels 4 beiträgt. Die Zentrierste­ ge 25, 26 dienen wie die Zentrierstege 9, 10 des Tempera­ tursensors aus Fig. 1 zur Erleichterung der Montage.

Claims (16)

1. Zur Messung von Temperaturen oberhalb 400°C ausgebil­ deter Temperatursensor mit einem Anschlußstück zur Hal­ terung eines Anschlußkontakte tragenden Kontaktsockels und zur Aufnahme eines offenen Endes eines einseitig ge­ schlossenen Rohres und mit einem im Bereich des geschlos­ senen Endes des Rohres angeordneten Meßelement, welches mittels Anschlußdrähten mit den Anschlußkontakten elek­ trisch leitend verbunden ist, wobei das Rohr zur Anord­ nung in einem Meßraum und der den Kontaktsockel haltern­ de Bereich des Anschlußstücks zur Anordnung außerhalb des Meßraums vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kontaktsockel (4) und dem das Rohr (2) aufnehmenden Bereich des Anschlußstücks (1) ein einen Luftspalt (7, 21) aufweisender Isolator (6, 22) angeord­ net ist.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kontaktsockel (4) aus Kunststoff besteht.

3. Temperatursensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kontaktsockel (4) aus dem Kunststoff PPS gefertigt ist.

4. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktsockel (4) in seiner Mantelfläche eine umlaufende Nut (19) zur Auf­ nahme eines Dichtrings (20) hat.

5. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (6) einen zwischen dem Kontaktsockel (4) und einem Flansch (16) des Rohres (2) eingespannten Dichtring (8) hat.

6. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktsockel (4) gegen einen Bodenbereich einer Ausnehmung (3) des An­ schlußstücks (1) vorgespannt ist und in seinem radial äußeren Bereich eine Fase (23) aufweist.

7. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Anschlußdrähte (11) des Meßelementes (12) mit den Anschlußkontakten (5) in dem Luftspalt (7, 21) des Isola­ tors (6, 22) angeordnet sind.

8. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (1) und das Rohr (2) aus Stahl gefertigt sind.

9. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußstück (1) und das Rohr (2) ein einziges Bauteil bildend gefertigt sind.

10. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktsockel (4) an dem Anschlußstück (1) oder dem Rohr (2) anliegen­ de Zentrierstege (9, 10, 25, 26) aufweist.

11. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktsockel (4) von einem umgebördelten Rand (15) des Anschlußstücks (1) hintergriffen und gegen das Anschlußstück (1) vorge­ spannt ist.

12. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) im Tiefziehverfahren hergestellt ist.

13. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (12) ein NTC-Element oder ein PTC-Element aufweist.

14. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (12) ein Widerstandselement aufweist, wobei der Wider­ standswerkstoff Platin, Nickel, Molybdän oder Silicium beinhaltet.

15. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine keramische Vergußmasse (13) das Meßelement (12) zumindest teilwei­ se umhüllt.

16. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramisches Führungselement (Isolierrohr 14) die Anschlußdrähte (11) des Meßelements (12) in dem Rohr (2) führt.