DE19747977C2 - 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 An­ schlusskontakten 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 An­ schlusskontakten kontaktieren. Der Kontaktsockel wird in der Regel aus einem temperaturfesten Glas gefertigt und hat einem Metallrand, mit dem er mit dem Anschlussstück mit einem bei hoher Temperatur schmelzenden Lot befestigt ist. Die Anschlusskontakte ragen bei dem bekannten Temperatursensor in eine Keramikvergussmasse ein. Innerhalb der Keramikvergussmasse sind die An­ schlusskontakte mit den Anschlussdrähten des Messelementes verschweißt.

Nachteilig bei dem bekannten Temperatursensor ist, dass er sehr kosteninten­ siv zu fertigen ist und dass die Anschlusskontakte sehr heiß werden. Die hohe Temperatur an den Anschlusskontakten erfordert eine temperaturfeste Gestal­ tung von an den Anschlusskontakten angeschlossenen elektrischen Leitungen.

Ein anderer Temperaturfühler ist aus DE 88 04 012.7 U1 bekannt, der für die Messung vergleichsweise niedriger Temperaturen vorgesehen ist. Bei diesem Temperaturfühler ist ein Raum zwischen einem aus Kunststoff gebildeten Grundkörper, der eine metallene Hülse mit einem Meßelement trägt, und einem Isolierteil mit Dichtungs- und Isoliermittel, das einen hohen Wärmeleitwert be­ sitzen soll, ausgefüllt.

Weiterhin offenbart DE 43 39 631 A1 einen Temperatursensor zur Messung vergleichsweise niedriger Temperaturen, bei dem ein Kontaktsockel mit einem Anschlußdrähte eines Meßelements führend aufnehmenden Tragkörper ein einziges Bauteil bildend verbunden ist. Eine thermische Entkopplung zwischen Kontaktsockel und einem das Meßelement aufnehmenden Rohr ist hier nicht gegeben.

Darüber hinaus sind aus dem Firmenprospekt "Hartmann & Braun, Frank­ furt/Main: Gerade Thermoelemente; 1957" verschiedene genormte Thermo­ elemente bekannt, die sich durch die Wahl des Werkstoffes (Metall, Keramik) für ein Außenrohr unterscheiden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Temperatursensor der ein­ gangs genannten Art so zu gestalten, dass er besonders kostengünstig zu fer­ tigen ist und eine hohe Temperatur an den Anschlusskontakten weitgehend vermieden wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Kontaktsockel und dem das Rohr aufnehmenden Bereich des Anschlussstücks ein einen Luftspalt aufweisender Isolator angeordnet ist.

Durch diese Gestaltung wird von dem Rohr auf das Anschlussstück übertrage­ ne 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 Ver­ gussmasse das Messelement zumindest teilweise umhüllt. Die keramische Vergussmasse fixiert zum einen das Messe­ lement 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 Mess­ elements 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 Temperatursensor gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt,

Fig. 2, 3 weitere Ausführungsformen des Temperatursensors gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt einen Temperatursen­ sor gemäß der Erfindung 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 An­ schlusskontakte 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 Ver­ gussmasse 13 in dem Rohr 2 befestigt. Die Anschlussdrähte 11 verlaufen in einem elektrisch nicht leitenden Isolier­ rohr 14 aus Keramik, das bis kurz vor die Anschlusskon­ takte 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 Anschlusskon­ takte 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 Temperatursensors gemäß der Erfindung, bei dem das Anschluss­ stück 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 Temperatursensors gemäß der Erfindung. 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 An­ schlusskontakten (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 die Anschlussdrähte (11) des Messelements (12) in dem Rohr (2) führt.