DE202008008256U1

DE202008008256U1 - Surface structured temperature sensor

Info

Publication number: DE202008008256U1
Application number: DE200820008256
Authority: DE
Original assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Current assignee: Temperaturmesstechnik Geraberg GmbH
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-06-19
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2018-06-20

Abstract

Temperaturfühler zur Messung hoher Temperaturen gasförmiger und flüssiger Medien mit einem temperaturabhängigen Messelement und einem metallischen Fassungsteil, wobei das Fassungsteil mit Prozessanschlussbauteilen verbunden ist und das unteres Ende des Fassungsteiles als Mantel (4) ausgebildet ist und in das zu messende Medium ragt und im Inneren des Fassungsteiles Innenleitungsdrähte (7) verlaufen, die das Messelement mit einem elektrischen Anschluss verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (4) in dem Bereich, in dem das temperaturabhängige Messelement angeordnet ist, mit einer 20 ... 80 μm tiefen Mikrostruktur versehen ist.temperature sensor for measuring high temperatures gaseous and liquid Media with a temperature-dependent measuring element and a metallic socket part, wherein the socket part with process connection components is connected and the lower end of the socket part as a coat (4) is formed and projects into the medium to be measured and inside of the socket part inner conductor wires (7) extend, the connect the measuring element to an electrical connection, characterized that the jacket (4) in the area in which the temperature-dependent Measuring element is arranged, with a 20 ... 80 microns deep Microstructure is provided.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Messung hoher Temperaturen gasförmiger und/oder flüssiger Medien mit einem temperaturabhängigen Messelement und einem metallischen Fassungsteil, wobei das Fassungsteil mit Prozessanschlussbauteilen verbunden ist und das unteres Ende des Fassungsteiles als Schutzrohr ausgebildet ist und in das zu messende Medium ragt und im Inneren des Fassungsteiles Innenleitungsdrähte verlaufen, die das Messelement mit einem elektrischen Anschluss verbinden.The The invention relates to a temperature sensor for measuring high Temperatures of gaseous and / or liquid media with a temperature-dependent measuring element and a metallic Holder part, wherein the socket part with process connection components is connected and the lower end of the socket part as a protective tube is formed and projects into the medium to be measured and inside of the socket part inner conductor wires run, the Connect the measuring element to an electrical connection.

Die Erfindung ist für den Einsatz in technischen Prozessen mit hohen Temperaturen, vorzugsweise in Abgastemperatursträngen von Hochleistungsmotoren oder in Verdichter- oder Diffusoraggregaten von Gasturbinen, geeignet.The Invention is for use in technical processes at high temperatures, preferably in exhaust gas temperature strands of high-performance engines or in compressor or diffuser units of gas turbines, suitable.

Als Temperatursensoren können Messwiderstände oder Thermoelemente verwendet werden. Vorwiegend sind sie als Thermoelemente ausgebildet. Derartige Temperaturfühler zeichnen sich durch eine günstige Thermometerdynamik, d. h. durch niedrige T₅₀- und T₉₀-Zeitprozentkennwerte aus.As temperature sensors measuring resistors or thermocouples can be used. Mostly they are designed as thermocouples. Such temperature sensors are characterized by favorable thermometer dynamics, ie by low T ₅₀ and T _90-time percentage characteristics.

Die US 2 611 791 beschreibt einen Temperaturfühler, insbesondere zur Messung von hohen Temperaturen von Gasen in Strahltriebwerken. In einem Keramikkörper sind dabei zwei elektrische Leitungen in Bohrungen längs des Keramikkörpers angeordnet. Die Leitungen sind mittels innerhalb der Bohrungen angeordneter Einsätze kontaktlos zum Keramikkörper gelagert und an einem Ende des Keramikkörpers außerhalb desselben miteinander verbunden. Die Einsätze können elastisch und/oder aus Harz ausgebildet sein.The US 2 611 791 describes a temperature sensor, in particular for measuring high temperatures of gases in jet engines. In a ceramic body while two electrical lines are arranged in bores along the ceramic body. The lines are mounted by means arranged within the holes inserts contactless to the ceramic body and connected to one another at one end of the ceramic body. The inserts may be elastic and / or made of resin.

In US 6 059 453 wird ein Temperaturfühler zur Temperaturmessung in einem Fluid beschrieben, der ein temperaturabhängig ansprechendes elektrisches Element aufweist, das durch eine Saphirummantelung teilweise verkapselt ist. Die Saphirummantelung und das elektrische Element sind desweiteren umgeben von einer Keramikumhüllung, welche dem Fluid ausgesetzt wird. Die Keramikumhüllung ist für bestimmte Gase durchlässig, für welche die Saphirummantelung undurchlässig ist. Zwei zu dem elektrischen Element führende Leitungen sind dabei gegeneinander elektrisch und thermisch durch einen Isolator isoliert, der vorzugsweise aus einem Keramikmaterial besteht. Die Leiter können desweiteren mit isolierendem Silikon ummantelt sein.In US 6 059 453 For example, there is described a temperature sensor for measuring temperature in a fluid having a temperature responsive electrical element partially encapsulated by a sapphire sheath. The sapphire sheath and the electrical element are further surrounded by a ceramic sheath which is exposed to the fluid. The ceramic envelope is permeable to certain gases for which the sapphire sheath is impermeable. Two leads leading to the electrical element are electrically and thermally isolated from each other by an insulator, which preferably consists of a ceramic material. The conductors can also be covered with insulating silicone.

Nach DE 102 38 628 B4 ist ein Hochtemperatursensor bekannt, bei dem mindestens einer der Innenleitungsdrähte mit einer hochtemperaturbeständigen Isolation versehen ist und sich im Schutzrohr ein Keramikformkörper mit einer Keramikpulverfüllung befindet, dem Anteile von Sauerstoff abgebenden Oxiden beigemischt sind.To DE 102 38 628 B4 a high temperature sensor is known in which at least one of the inner conductor wires is provided with a high temperature resistant insulation and in the protective tube is a ceramic molded body with a ceramic powder filling, the proportions of oxygen-releasing oxides are mixed.

Nachteilig sind bei den beschriebenen Anordnungen neben der aufwendigen und damit kostenintensiven Herstellung auch, dass jeweils nur einzelnen der auftretenden Belastungen begegnet wird, so dass die Ursachen für Messfehler und Funktionsstörungen messtechnischer, elektrischer oder mechanischer Art nicht generell beseitigt werden. Insbesondere wird die obere Einsatztemperaturgrenze nicht erreicht, auch wenn die messdynamischen und statisch-thermischen Anforderungen erfüllt sind.adversely are in the described arrangements in addition to the complex and Thus, cost-intensive production also that only individual the occurring loads is met, so the causes for measurement errors and malfunctions metrological, electrical or mechanical nature are not generally eliminated. In particular, the upper operating temperature limit is not reached, even if the measuring dynamic and static-thermal requirements are fulfilled.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der optimale messdynamische und statisch-thermische Eigenschaften auch bei hohen Einsatztemperaturen erreichbar sind. Ferner soll der Temperaturfühler lange Standzeiten ermöglichen.Of the Invention is the object of a device of the initially mentioned type, with the optimal measuring dynamic and static-thermal Properties are achievable even at high operating temperatures. Furthermore, the temperature sensor should allow long service life.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.According to the invention the object with a device having the features specified in claim 1 contains, solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.

Gegenstand der Erfindung sind auch Merkmalskombinationen bei denen die in der Beschreibung und/oder in den Ansprüchen angegebenen Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.object The invention also feature combinations in which in the Description and / or specified in the claims individual features be combined with each other as desired.

Der erfindungsgemäße Temperaturfühler verfügt über einen metallischen Mantel, welcher im Bereich des Temperatursensors mit einer Mikrostruktur versehen ist.Of the inventive temperature sensor has a metallic shell, which in the region of the temperature sensor provided with a microstructure.

Vorzugsweise befindet sich die Mikrostruktur im Bereich des verformten Mantelteils.Preferably the microstructure is in the area of the deformed shell part.

Die Mikrostruktur kann als Längsraster parallel zur Schutzrohrachse oder als Kreuzraster ausgebildet sein.The Microstructure can be used as a longitudinal grid parallel to the protective tube axis or be designed as a cross grid.

Ferner kann die Mikrostruktur als einfaches oder gegenläufiges Schraubenraster ausgebildet sein.Further The microstructure can be simple or opposite Be formed screw grid.

Die Mikrostruktur hat vorzugsweise ein Tiefen-Breitenverhältnis von 1:1, bei einer Tiefe und einer Breite von 20 ... 80 μm bei Schutzrohrdurchmessern von 2 ... 4,5 mm. Damit gelingt es, die Wärmeübertragung und damit auch das Ansprechverhalten gegenüber bekannten Anordnungen zu verbessern.The Microstructure preferably has a depth-to-width ratio of 1: 1, at a depth and a width of 20 ... 80 microns with protective tube diameters of 2 ... 4.5 mm. This succeeds, the Heat transfer and thus the response to to improve known arrangements.

Wie in Wagner: Wärmeübertragung, Vogel Buchverlag, 5. Auflage, S. 64 ff , beschrieben, verändern sich beim Vorbeiströmen eines Fluids an einem Köper die Strömungsverhältnisse in der Nähe des Körpers und es entsteht eine so genannte Strömungsgrenzschicht. Es ist vorteilhaft, die Strukturtiefe und/oder die Strukturbreite der Mikrostruktur kleiner auszubilden als die sich am Messfühler ausbildende Strömungsgrenzschicht des zu messenden strömenden Mediums.As in Wagner: Heat Transfer, Vogel Buchverlag, 5th edition, p. 64 ff , described, change when flowing past a fluid at one Twill the flow conditions in the vicinity of the body and it creates a so-called flow boundary layer. It is advantageous to make the structure depth and / or the structure width of the microstructure smaller than the flow boundary layer of the flowing medium to be formed on the sensor.

Zweckmäßig ist es, dass sich an die Mikrostruktur im vorderen Teil des Schutzrohres eine kugelförmig abgestumpfte Spitze anschließt.expedient it is that attach to the microstructure in the front part of the protective tube a spherical blunt tip connects.

Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Mikrostruktur mit einer dünnen Zusatzschicht versehen ist. Die Zusatzschicht besteht vorzugsweise aus Bariumnitrid oder aus einer Karbidschicht. Sie verhindert die Korrosion und Verschmutzung des Schutzrohres und gewährleistet damit, dass das verbesserte Ansprechverhalten über die Lebensdauer des Temperaturfühlers erhalten bleibt.A advantageous embodiment provides that the microstructure provided with a thin additional layer. The additional layer is preferably made of barium nitride or a carbide layer. It prevents corrosion and contamination of the protective tube and thus ensures that the improved response over the life of the temperature sensor is maintained.

Vorteilhaft weist die Zusatzschicht der Mikrostruktur eine Schichtstärke von 10 ... 20 nm auf.Advantageous the additional layer of the microstructure has a layer thickness from 10 ... 20 nm.

Ferner ist es möglich, dass die Schicht der Mikrostruktur eine Relevanz zur Wellenlänge der Wärmestrahlung besitzt, d. h. die Farbe beeinflusst im Bereich der Wärmestrahlung die Absorptions- und Reflexionseigenschaften der Schutzrohrspitze.Further it is possible that the layer of microstructure a Has relevance to the wavelength of heat radiation, d. H. the color affects in the area of heat radiation the absorption and reflection properties of the protective tube tip.

Insbesondere ist die Mikrostruktur so ausgeführt, dass die aufgebrachte farbrelevante Schicht bei hohen Temperaturen einen hohen Reflexionsgrad besitzt.Especially is the microstructure designed so that the applied color-relevant layer has a high reflectance at high temperatures.

Die Mikrostruktur befindet sich bei einer vorteilhaften Ausführung auf einem konisch verformten Schutzrohrteil mit sechskantförmigen oder runden Querschnitt. Die Verformung kann mehrfach erfolgt sein.The Microstructure is in an advantageous embodiment on a conically shaped protective tube part with hexagonal or round cross-section. The deformation can be done several times.

Die Mikrostruktur kann lastertechnisch oder mikrolithografisch hergestellt werden.The Microstructure can be produced by load technology or microlithography become.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Mikrostruktur durch eine Energiepulsung behandelt wird. Damit kann eine Reinigung von Oxidbestandteilen sowie eine rissfreie Oberfläche erzeugt werden.A advantageous embodiment of the invention Method provides that the microstructure by an energy pulse is treated. This can be a cleaning of oxide constituents as well a crack-free surface can be generated.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung werden eine günstige t₉₀-Zeit bei relativ dicken Schutzrohrwandungen sowie eine hohe Langzeitstabilität bei hohen Temperaturen und Strömungsbelastungen erreicht.With the arrangement according to the invention, a favorable t ₉₀ time is achieved with relatively thick protective tube walls as well as a high long-term stability at high temperatures and flow loads.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The Invention will be described below with reference to exemplary embodiments explained in more detail.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In show the accompanying drawings:

1 Ansicht und Untersicht auf eine Ausführung mit einfacher Verjüngung, 1 View and soffit of a version with simple rejuvenation,

2 Ansicht und Draufsicht auf eine Ausführung mit zweifacher Verjüngung, 2 View and top view of a version with double rejuvenation,

3 eine Ausführung mit Beschichtung
und 4 eine Ausführung mit Zusatzschutzrohr. 3 a version with coating
and 4 a version with additional protective tube.

In 1 ist eine Ausführung mit einer Verjüngung dargestellt. Die Seitenansicht 1a zeigt ein Mantelthermoelement 6, das im unteren Bereich eine Messspitze 3 aufweist. Die Messspitze 3 enthält die medienseitige Lötstelle eines Thermoelementes und besteht aus einer vorderen Verjüngung 2 und dem Abschlusskegel 1. Am entgegen gesetzten Ende ragen die freien Drahtenden 7 aus dem Mantelthermoelement 6 heraus. An der vorderen Verjüngung 2 wurde der Durchmesser des Schutzrohres auf 2 ... 4,5 mm verringert und mit einer streifenförmigen Mikrostruktur 5 versehen. Die Mikrostruktur 5 besteht aus linienförmigen Vertiefungen mit einem Seiten-Tiefen-Verhältnis von 1:1, wobei die Tiefe und Breite jeweils 20 ... 80 μm betragen. Wie der in 1b gezeigter Untersicht zu entnehmen ist, weist die vordere Verjüngung 2 einen sechseckförmigen Querschnitt 10 auf. Die Strukturtiefe und/oder die Strukturbreite der Mikrostruktur 5 sind vorteilhaft kleiner ausgebildet als die Dicke der sich am Messfühler ausbildenden Strömungsgrenzschicht, insbesondere kleiner als die Hälfte der Dicke der Strömungsgrenzschicht.In 1 an embodiment with a taper is shown. The side view 1a shows a jacket thermocouple 6 , which at the bottom of a measuring tip 3 having. The measuring tip 3 contains the media-side solder joint of a thermocouple and consists of an anterior taper 2 and the final cone 1 , At the opposite end the free wire ends protrude 7 from the jacket thermocouple 6 out. At the front rejuvenation 2 the diameter of the protective tube was reduced to 2 ... 4.5 mm and with a strip-shaped microstructure 5 Mistake. The microstructure 5 consists of linear depressions with a side-to-depth ratio of 1: 1, the depth and width being 20 ... 80 μm, respectively. In again 1b shown underside, shows the front taper 2 a hexagonal cross-section 10 on. The structure depth and / or the structure width of the microstructure 5 are advantageously formed smaller than the thickness of the flow boundary layer forming on the measuring sensor, in particular smaller than half the thickness of the flow boundary layer.

2 zeigt eine Ausführung, bei der das Schutzrohr 4 mit einer zweifachen Verjüngung versehen ist. Dadurch ist es möglich, eine starke Verjüngung kostengünstig und mit geringerer Materialbeanspruchung herzustellen. Die Mikrostruktur 5 ist an der vorderen Verjüngung 2 angebracht, wie aus 2a ersichtlich ist. Die Lage der freien Drahtenden 7 der Zweifach-innenleiter des Thermoelementes ist in 2b dargestellt. 2 shows an embodiment in which the protective tube 4 is provided with a double rejuvenation. This makes it possible to produce a strong taper cost and with less material stress. The microstructure 5 is at the front rejuvenation 2 attached, like out 2a is apparent. The location of the free wire ends 7 the double inner conductor of the thermocouple is in 2 B shown.

3 zeigt einen Temperaturfühler, bei dem der sich im Medium befindende Teil des Mantels 4 mit einer dünnen Beschichtung 12 versehen ist. Die Beschichtung 12 besteht aus einer schmutzabweisenden, hochtemperaturstabilen Zusatzschicht und weist eine Dicke von 10 ... 20 nm auf. Als Beschichtungsmaterial kann Nitrid, Karbid, Boroxid oder ein Gemisch dieser Stoffe verwendet werden. Mit einer derartigen Beschichtung kann eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer bei Messungen in aggressiven Medien und bei hohen Temperaturen erreicht werden. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich die Beschichtung 12 auf den gesamten in das Messmedium ragenden Teil des Temperaturfühlers. Die Befestigung mit dem Prozess erfolgt mit Hilfe des Bundes 11 mit Überwurf. 3 shows a temperature sensor, in which the located in the medium part of the jacket 4 with a thin coating 12 is provided. The coating 12 consists of a dirt-repellent, high-temperature-stable additional layer and has a thickness of 10 ... 20 nm. As the coating material, nitride, carbide, boron oxide or a mixture of these substances can be used. With such a coating, a significant increase in the life of measurements in aggressive media and at high temperatures can be achieved. In the example shown, the coating extends 12 on the entire projecting into the medium of the temperature sensor. The attachment to the process takes place with the help of the federal government 11 with a wrap.

In 4 ist ein vollständiger Temperaturfühler dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Mikrostruktur 5 auf einem Zusatzschutzrohr 9, welches die Form einer Hülse aufweist, angebracht. Das Zusatzschutzrohr 9 ist auf den vorderen Teil des Mantels 4 aufgeschoben. Diese Bauart ermöglicht ein kostengünstiges Anbringen der Mikrostruktur. Auf den Mantel 4 befindet sich die verstellbare Verschraubung 8, mit der der Prozessanschluss erfolgt.In 4 a complete temperature sensor is shown. In this embodiment, the microstructure is 5 on an additional protective tube 9 , which has the shape of a sleeve mounted. The additional protective tube 9 is on the front part of the coat 4 postponed. This design allows a cost-effective mounting of the microstructure. On the coat 4 is the adjustable screw 8th , with which the process connection takes place.

11: Abschlusskegeldegree cone
22: vordere Verjüngungfront rejuvenation
33: MessspitzeProbe
44: Mantelcoat
55: Mikrostrukturmicrostructure
66: MantelthermoelementSheathed thermocouple
77: freie Drahtendenfree wire ends
88th: verstellbare Verschraubungadjustable screw
99: ZusatzschutzrohrAdditional protective tube
1010: sechskantförmige Verformunghexagonal deformation
1111: Bund mit ÜberwurfFederation with a wrap
1212: Beschichtungcoating

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 2611791 [0004]
- US 6059453 [0005]
- DE 10238628 B4 [0006]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

- Wagner: Heat Transfer, Vogel Buchverlag, 5th edition, p. 64 et seq. [0017]

Claims

Temperature sensor for measuring high temperatures of gaseous and liquid media with a temperature-dependent measuring element and a metallic socket part, wherein the socket part is connected to process connection components and the lower end of the socket part as a shell ( 4 ) is formed and projects into the medium to be measured and inside the socket part inner conductor wires ( 7 ), which connect the measuring element to an electrical connection, characterized in that the jacket ( 4 ) is provided in the region in which the temperature-dependent measuring element is arranged, with a 20 ... 80 microns deep microstructure.

Temperature sensor according to claim 1, characterized in that the structural depth of the microstructure ( 5 ) is less than the thickness of a flow boundary layer forming on the probe.

Temperature sensor according to claim 2, characterized in that the structural depth of the microstructure ( 5 ) is less than half the thickness of the flow boundary layer.

Temperature sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the region of the jacket ( 4 ), in which the microstructure ( 5 ) is arranged, is tapered.

Temperature sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the microstructure ( 5 ) is stripe- or pimple-shaped and has a depth-to-width ratio of 1: 1, with a depth and a width of 20 ... 80 .mu.m.

Temperature sensor according to one of the preceding claims, characterized in that on the medium facing part of the jacket ( 4 ) on which the microstructure ( 5 ), a closing cone ( 1 ).

Temperature sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the microstructure ( 5 ) with a thin coating ( 12 ) is made of a dirt-repellent and high-temperature-stable material of a layer thickness in the range of 10 ... 20 nm.

Temperature sensor according to claim 7, characterized in that the coating ( 12 ) consists of nitride, carbide, boron oxide or a mixture of these substances.

Temperature sensor according to claim 7, characterized the coating consists of barium nitride.

Temperature sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the microstructure ( 5 ) has a thermal color which has a high reflectance at high temperatures.