DE19808030A1

DE19808030A1 - Mineral insulated supply line

Info

Publication number: DE19808030A1
Application number: DE19808030A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Scannell; Annette Dr Kipka
Original assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Current assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1998-09-24

Abstract

The invention relates to a mineral-insulated supply line for a sensor, comprising a sheath and at least one internal conductor located therein, said internal conductor being connected at its one end to a sensor element. The sheath contains a mineral powder as an insulation material. At least one internal conductor is made from a metal from the group tantalum, titanium, niobium, molybdenum, vanadium, zircon, rhenium or osmium, or from an alloy with a base of at least one of those metals in order to obtain a conductor for gas sensors which is resistant to high temperatures and to corrosion.

Description

Die Erfindung betrifft eine mineralisolierte Zuleitung für einen Sensor mit einem Mantel und min destens einem in dem Mantel angeordneten Innenleiter, der an seinem einen Ende mit einem Sensorelement oder dessen Zuleitung verbunden ist, wobei der Mantel als Isolationsmaterial ein mineralisches Pulver enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer solchen Zuleitung.The invention relates to a mineral insulated supply line for a sensor with a jacket and min at least one inner conductor arranged in the jacket, which at one end with a Sensor element or its feed line is connected, wherein the jacket as an insulation material contains mineral powder. The invention further relates to the use of such Supply.

Derartige Zuleitungen sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt. Beispielsweise in DE 43 30 447 A1 ist eine mineralisolierte Zuleitung für einen Temperatursensor beschrieben. Diese Zuleitung weist einen Innenleiter aus einer Nickel-Chrom-Legierung auf. Aus DE 69 942 ist eine ähnliche Zuleitung bekannt, bei der der Innenleiter Drähte aus einem Edelmetall aufweist, die von einem Mantel aus einer Nickel-Chrom- bzw. Nickel-Chrom-Eisen-Legierung umgeben sind. Ähnliche Zuleitungen sind aus DE 40 22 051 A1 und aus US-A-4,590,669 bekannt.Such supply lines are widely known from the prior art. For example in DE 43 30 447 A1 describes a mineral-insulated supply line for a temperature sensor. This lead has an inner conductor made of a nickel-chromium alloy. From DE 69 942 a similar lead is known in which the inner conductor has wires made of a noble metal, which are surrounded by a jacket made of a nickel-chrome or nickel-chrome-iron alloy are. Similar supply lines are known from DE 40 22 051 A1 and from US-A-4,590,669.

Diese mineralisolierten Zuleitungen werden bzw. für Widerstandsthermometer bzw. als Thermo elementdrähte benutzt. Sie machen sich die Eigenschaft des Meßelements zu nutze, daß des sen elektrischer Widerstand bzw. Thermospannung von der Temperatur des Materials abhängt.These mineral insulated supply lines are used for resistance thermometers or as thermo element wires used. They make use of the property of the measuring element that the electrical resistance or thermal voltage depends on the temperature of the material.

Für die Messung von Temperaturen werden die beschriebenen Leiter praktisch stromlos betrie ben. Es sind jedoch zunehmend Anwendungsmöglichkeiten von mineralisolierten Zuleitungen auch für andere Sensoren, beispielsweise für Gassensoren denkbar. Derartige Sensoren wei sen Sensorelemente auf mit Zu- und Ableitungen für Strom; diese Sensoren werden nicht strom los, sondern stromdurchflossen betrieben. Aus WO 95/18965 ist eine mineralisolierte Zuleitung bekannt, bei der der Innenleiter stromdurchflossen arbeitet. Dies bringt jedoch bei Verwendung der bekannten Zuleitungen Probleme mit sich, da diese, insbesondere bei höheren Temperatu ren, wie sie in Verbrennungsabgasen herrschen, im stromdurchflossenen Zustand sehr leicht korrodieren. Diese bekannten Materialien sind darüberhinaus relativ schlecht präzise verform bar, da eine unerwünschte Federwirkung auftritt. Die Materialien selbst weisen eine geringe Leit fähigkeit auf, so daß sie sich durch den Stromfluß zusätzlich erwärmen. Dies ist ebenfalls uner wünscht oder nachteilig.The described conductors are operated practically without current for the measurement of temperatures ben. However, there are increasing applications of mineral-insulated supply lines also conceivable for other sensors, for example for gas sensors. Such sensors white sen sensor elements with supply and discharge lines for electricity; these sensors are not powered going on, but operated with electricity. From WO 95/18965 is a mineral insulated supply line known, in which the inner conductor works with current flowing through it. However, this brings in use the known supply lines problems with them, especially at higher temperatures Ren, as they exist in combustion gases, very easily in the current-carrying state corrode. These known materials are also deformed relatively poorly precise bar, as an undesirable spring action occurs. The materials themselves have a low guideline ability so that they heat up further by the current flow. This is also unimportant desires or disadvantageous.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mineralisolierte Zuleitung bereitzustellen, deren Innenleiter auch im stromdurchflossenen Zustand als hochtemperatur- und korrosionsfe ste Anschlußmaterialien für Sensoren, insbesondere für Gassensoren geeignet sind.The object of the present invention is therefore to provide a mineral-insulated feed line, their inner conductors, even in the current-carrying state, as high temperature and corrosion-free Most connection materials for sensors, especially for gas sensors, are suitable.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens ein Innenleiter aus einem Metall aus der Gruppe Tantal, Titan, Niob, Molybdän, Vanadium, Zirkon, Rhenium, Osmium oder aus einer Legierung auf der Basis mindestens eines dieser Metalle gebildet ist. Eine solche Zuleitung ist sehr beständig gegen hohe Temperaturen und Korrosion, so daß sie zweckmäßi gerweise sogar als Zuleitung eines Heizers, der gegebenenfalls von einem Gassensor umfaßt wird, ausgebildet sein kann und geeignet ist, und wobei die Zuleitung direkt dem heißen Abgas und dessen korrosiver Wirkung ausgesetzt ist. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt daß derartige Innenleiter auch in stromdurchflossenem Zustand sehr beständig sind. Wenn eine solche Heizerzuleitung (als Anode) aus Titan gebildet ist, wie dies aus Kostengründen oder aus Gründen der Hochtemperaturbeständigkeit bevorzugt sein kann, sollte der zweite Innenleiter (Katode) vorzugsweise aus einer bekannten Eisen-Chrom-Nickel-Legierung gebildet sein. Bei Verwendung von beispielsweise Tantal als Anode kann für die Katode auch ein anderes Materi al gewählt werden.According to the invention this object is achieved in that at least one inner conductor from one Metal from the group tantalum, titanium, niobium, molybdenum, vanadium, zircon, rhenium, osmium or is formed from an alloy based on at least one of these metals. Such Supply line is very resistant to high temperatures and corrosion, so that it is expedient sometimes even as a supply line to a heater, which may include a gas sensor is, can be formed and is suitable, and wherein the feed line directly to the hot exhaust gas and is exposed to its corrosive effects. Surprisingly, it has been shown that such inner conductors are very stable even in the current-carrying state. When a such heater lead (as an anode) is made of titanium, as for cost reasons or from For reasons of high temperature resistance, the second inner conductor should be preferred (Cathode) should preferably be formed from a known iron-chromium-nickel alloy. At Using, for example, tantalum as the anode, another material can also be used for the cathode al can be chosen.

Für bestimmte Anwendungen ist es vorteilhaft, daß der mindestens eine Innenleiter einen für re duzierende Gase katalytisch wirksamen Oberzug vorzugsweise aus einem Edelmetall oder einer Edelmetall-Legierung aufweist. Dieser Überzug kann der Katalyse von reduzierenden Gasen (heißen Abgasen) insbesondere H₂, dienen. Vorteilhaft ist es weiterhin, daß der Mantel an sei nen beiden Enden geschlossen ist und lediglich Durchführungen für den mindestens einen In nenleiter aufweist, so daß das Isolationsmaterial geschützt ist. For certain applications, it is advantageous for the at least one inner conductor to have a coating which is catalytically active for reducing gases, preferably of a noble metal or a noble metal alloy. This coating can be used to catalyze reducing gases (hot exhaust gases), in particular H ₂ . It is also advantageous that the sheath is closed at both ends and only has bushings for the at least one inner conductor, so that the insulation material is protected.

Erfindungsgemäß kann die mineralisolierte Zuleitung für einen Gassensor zur Messung gasför miger Bestandteile in einem Gasgemisch und insbesondere für die Zuleitung eines Heizers des Gassensors verwendet werden.According to the invention, the mineral-insulated feed line for a gas sensor for measurement can be gas-fed Miger components in a gas mixture and in particular for the supply of a heater Gas sensor can be used.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigtAn exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to a drawing. In the drawing shows

Fig. 1 einen teilweisen Schnitt durch eine mineralisolierte Zuleitung, Fig. 1 is a partial sectional view of a mineral insulated supply line,

Fig. 2 eine Anordnung für einen Korrosionstest und Fig. 2 shows an arrangement for a corrosion test and

Fig. 3 eine weitere Anordnung für einen Korrosionstest. Fig. 3 shows a further arrangement for a corrosion test.

In Fig. 1 ist lediglich die mineralisolierte Zuleitung 1 dargestellt; die durch die mineralisolierte Zuleitung 1 verbundenen Bauelemente, also Auswerteelektronik und Sensorelement sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Sie sind dem Fachmann jedoch hinreichend bekannt.In Fig. 1 only the mineral insulated supply line 1 is shown; the components connected by the mineral-insulated supply line 1 , that is to say evaluation electronics and sensor element, are not shown for the sake of clarity. However, they are well known to the person skilled in the art.

Die mineralisolierte Zuleitung 1 weist einen Mantel 2 auf, der aus einem üblichen Metall, z. B. In conel gebildet ist. Innerhalb des Mantels 2 sind, in ein Isoliermaterial 3 eingebettet, mehrere In nenleiter 4 angeordnet. Als Isoliermaterial 3 kann beispielsweise Magnesiumoxid oder Aluminiu moxid verwendet werden. Die Innenleiter 4 sind aus Tantal gebildet. Sie weisen einen Überzug 5 aus Platin oder Palladium auf, der der Katalyse von reduzierenden Gasen dient. In einem wei teren Beispiel ist der als Katode dienende Innenleiter aus Inconel und der als Anode dienende Innenleiter aus Titan (oder aus Tantal) gebildet. An die Innenleiter ist auf der einen Seite, wie bereits dargestellt, mindestens ein Sensorelement angeschlossen. Ein solches Sensorelement zur Messung von gasförmigen Bestandteilen eines Gasgemisches weist einen Heizer auf, der an einen Innenleiter 4 (Anode - Titan) angeschlossen ist. Die Innenleiter 4 werden während der Messung stromdurchflossen, wobei durch den als Zuleitung des Heizers verwendeten Innenlei ter ein relativ hoher Strom fließt. Trotzdem sind die Innenleiter sehr beständig, sie korrodieren nicht und stellen daher zum einen eine zuverlässige Verbindung mit dem Sensorelement dar und ermöglichen zum anderen reproduzierbare Messungen über große Zeiträume hinweg.The mineral-insulated supply line 1 has a jacket 2 , which is made of a common metal, for. B. Is formed in conel. Within the jacket 2 , embedded in an insulating material 3 , a plurality of inner conductor 4 arranged. Magnesium oxide or aluminum oxide, for example, can be used as the insulating material 3 . The inner conductors 4 are formed from tantalum. They have a coating 5 made of platinum or palladium, which is used to catalyze reducing gases. In another example, the inner conductor serving as the cathode is made of Inconel and the inner conductor serving as the anode is made of titanium (or tantalum). As already shown, at least one sensor element is connected to the inner conductor on one side. Such a sensor element for measuring gaseous components of a gas mixture has a heater which is connected to an inner conductor 4 (anode - titanium). The inner conductor 4 is traversed by current during the measurement, a relatively high current flowing through the inner conductor used as the lead of the heater. Nevertheless, the inner conductors are very stable, they do not corrode and therefore on the one hand represent a reliable connection to the sensor element and on the other hand enable reproducible measurements over long periods of time.

Im folgenden wird die Korrosionsfestigkeit anhand von beispielhaften Tests gezeigt.The corrosion resistance is shown below using exemplary tests.

Corrosion test 1

Der Test wurde in einer in Fig. 2 dargestellten Anordnung durchgeführt. Als Anode A (zu prü fendes Material) wurde ein Draht mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm in einen Elekrolyt E getaucht. Der Elektrolyt E wurde aus einem synthetischen Abgaskondensat gebildet. Als Katode K wird ein Platindraht mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm verwendet. Sowohl Anode A als auch Katode K befinden sich teilweise im Elektrolyten E. Der Elektrolyt E enthält pro Liter 250 mg 96%ige H₂SO₄, 250 mg 37%iger HCl, 1 g NaCl, Rest destilliertes Wasser. Die Spannung zwischen Anode A und Katode K beträgt 15 Volt. Der zwischen Anode A und Katode K fließen de Strom wird gemessen und stellt ein Maß für die anodische Auflösung dar, da ein Strom nur bis zur Auflösung der Anode A fließt. In Tabelle 1 sind Versuchsergebnisse für einige Anoden materialien dargestellt, wobei die ersten drei Materialien dem Stand der Technik entsprechen und die letzten beiden Materialien (Tantal und Titan) erfindungsgemäße Materialien sind.The test was carried out in an arrangement shown in FIG. 2. As anode A (material to be tested), a wire with a diameter of approximately 1.5 mm was immersed in an electrolyte E. The electrolyte E was formed from a synthetic exhaust gas condensate. A platinum wire with a diameter of approximately 1.5 mm is used as the cathode K. Both anode A and cathode K are partly in electrolyte E. Electrolyte E contains 250 mg of 96% H ₂ SO ₄ , 250 mg of 37% HCl, 1 g of NaCl per liter, the rest of distilled water per liter. The voltage between anode A and cathode K is 15 volts. The current flowing between anode A and cathode K is measured and represents a measure of the anodic resolution, since a current only flows until the anode A is dissolved. Test results for some anode materials are shown in Table 1, the first three materials corresponding to the prior art and the last two materials (tantalum and titanium) being materials according to the invention.

Tabelle 1Table 1

Tabelle 1 ist zu entnehmen, daß die Materialien Tantal und Titan in der für die Erfindung rele vanten Umgebung wesentlich beständiger sind als die bekannten Materialien.Table 1 shows that the materials tantalum and titanium in the rele for the invention environment are much more stable than the known materials.

Corrosion test 2

In einem zweiten Korrosionstest wird im Gegensatz zu dem ersten Korrosionstest eine Gegen überstellung verschiedener mineralisolierter Kabel vorgenommen. Das mineralisolierte Kabel M weist einen Durchmesser von etwa 3,5 mm auf und enthält eine Anode A mit einem Durch messer von etwa 0,5 mm und eine Katode K, ebenfalls mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm. Es wird ein Elektrolyt E mit einer gleichen Zusammensetzung wie im Korrosionstest 1 verwendet. Das mineralisolierte Kabel M, aus dessen feuchtigkeitsdicht verschlossenem Ende mindestens die Anode A und die Katode K herausragen, befindet sich mit diesem Ende im Elek trolyten E. Die Spannung zwischen Anode A und Katode K beträgt wie in dem ersten Korrosi onstest 15 Volt. Der zwischen Anode A und Katode K fließende Strom wird gemessen und stellt ein Maß für die anodische Zersetzung (Korrosion) dar. Tabelle 2 zeigt in der ersten Zeile einen Test mit Materialien gemäß dem Stand der Technik (Inconel), sowohl als Anode A als auch als Katode K. In den folgenden drei Zeilen sind Versuche mit erfindungsgemäßen Anodenmateriali en aufgeführt, wobei als Katode unterschiedliche Materialien verwendet wurden.In a second corrosion test, in contrast to the first corrosion test, a counter is used transfer of various mineral insulated cables. The mineral insulated cable M has a diameter of about 3.5 mm and contains an anode A with a through knife of about 0.5 mm and a cathode K, also with a diameter of about 0.5 mm. It becomes an electrolyte E with the same composition as in the corrosion test 1 used. The mineral-insulated cable M, from its moisture-proof closed end protruding at least the anode A and the cathode K is located at this end in the elec trolytes E. The voltage between anode A and cathode K is as in the first corrosi on test 15 volts. The current flowing between anode A and cathode K is measured and adjusted Measure of the anodic decomposition (corrosion). Table 2 shows a test in the first line with materials according to the prior art (Inconel), both as anode A and as Katode K. In the following three lines are experiments with anode materials according to the invention s listed, whereby different materials were used as cathode.

Tabelle 2Table 2

Es ist der Tabelle 2 entnehmbar, daß mineralisolierte Kabel M, bei denen die Anode A aus ei nem erfindungsgemäßen Material gebildet ist, eine wesentlich längere Lebensdauer und damit höhere Korrosionsfestigkeiten aufweisen, als aus dem Stand der Technik bekannte Materialien. Dabei scheint die Lebensdauer der Anode A nicht oder nicht wesentlich von dem als Katode K verwendeten Material abhängig zu sein.It can be seen from Table 2 that mineral-insulated cables M in which the anode A is made of egg nem material according to the invention is formed, a much longer life and thus have higher corrosion resistance than materials known from the prior art. The lifespan of anode A does not appear to be, or does not appear to be significantly different from, that of cathode K. used material to be dependent.

Claims

1. Mineral-insulated feed line for a sensor with a jacket and at least one inner conductor arranged in the jacket, which element is connected at one end to a sensor element or its feed line, the jacket containing a mineral powder as insulation material, characterized in that at least an inner conductor ( 4 ) made of a metal from the group consisting of tantalum, titanium, niobium, molybdenum, vanadium, zirconium, rhenium, osmium or an alloy based on at least one of these metals.

2. Mineral-insulated feed line according to claim 1, characterized in that the at least one inner conductor ( 4 ) has a catalytically active coating ( 5 ) for reducing gases, preferably made of a noble metal or a noble metal alloy.

3. Mineral insulated supply line according to claim 1 or 2, characterized in that the man tel ( 2 ) is closed at both ends and only bushings for the min least has an inner conductor ( 4 ).

4. Mineral-insulated supply line according to one of claims 1 to 3, characterized in that the inner conductor formed from a metal from the group tantalum, titanium, niobium, molybdenum, vanadium, zirconium, rhenium, osmium or an alloy based on at least one of these metals ( 4 ) is designed as a supply line for a heater.

5. Use of a mineral-insulated feed line according to one of claims 1 to 4 for one Gas sensor for measuring gaseous components in a gas mixture.

6. Use according to claim 5 as a lead of a heater of the gas sensor.