DE202011001280U1 - Universal high temperature element - Google Patents
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Abstract
Thermoelektrischer Temperaturfühler (1) mit einem Thermoelement (3), umfassend eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung (2) mit Thermoleitern (2.3, 2.4), welche an einer Messseite zu einer temperatursensitiven Thermoperle (2.5) verschweißt sind und an der Messseite von einem Schutzelement (6) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schutzelement (6) ein aus Keramik gebildetes Schalenelement (7) angeordnet ist, welches eine zu der Thermoperle (2.5) korrespondierende Aussparung (7.1) umfasst, in welche die Thermoperle (2.5) zumindest teilweise hineinragt.Thermoelectric temperature sensor (1) with a thermocouple (3), comprising a temperature-resistant and mechanically flexible sheathed cable (2) with thermoconductors (2.3, 2.4), which are welded on one measuring side to form a temperature-sensitive thermal bead (2.5) and on the measuring side by a protective element (6) are surrounded, characterized in that a shell element (7) made of ceramic is arranged in the protective element (6) which comprises a recess (7.1) corresponding to the thermal bead (2.5) into which the thermal bead (2.5) at least partially protrudes.
Description
Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Temperaturfühler mit einem Thermoelement, umfassend eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung mit Thermoleitern, welche an einer Messseite zu einer temperatursensitiven Thermoperle verschweißt sind und an der Messseite von einem Schutzelement umgeben sind.The invention relates to a thermoelectric temperature sensor with a thermocouple, comprising a temperature-resistant and mechanically flexible sheathed cable with thermal conductors, which are welded to a measuring side to a temperature-sensitive Thermoperle and are surrounded on the measurement side of a protective element.
Derartige Temperaturfühler mit einem Thermoelement sind geeignet für den Einsatz in Abgasstrecken von Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Aufladung mittels Turbolader und/oder Kompressoren. Turbolader und Kompressoren müssen im Allgemeinen vor Überhitzung geschützt werden. Dazu werden Temperaturfühler im Turbolader- bzw. Kompressorgehäuse angeordnet und mit Auswerteeinrichtungen verschaltet. Bei Messanordnungen in mit Dieselkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren sind Schutz- und Messeinrichtungen auf Temperaturen zwischen 600° und 900°C eingestellt. Bei mit Benzinkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren mit Turbolader und Kompressoren beträgt die Schutztemperatur ungefähr 1100°C. Die Temperatur im Turbolader wird neben der Verwendung als Abschaltwert auch als Regelgröße im Zusammenhang mit anderen Messsignalen eines Abgas- und Ansaugstranges zur Steuerung des Verbrennungsmotors verwendet.Such temperature sensors with a thermocouple are suitable for use in exhaust gas lines of internal combustion engines, especially when turbocharged and / or supercharged. Turbochargers and compressors generally need to be protected from overheating. For this purpose, temperature sensors are arranged in the turbocharger or compressor housing and interconnected with evaluation devices. In measuring arrangements in diesel engines fueled combustion engines protection and measuring devices are set to temperatures between 600 ° and 900 ° C. For petrol-powered turbocharged internal combustion engines and compressors, the protection temperature is approximately 1100 ° C. The temperature in the turbocharger is used in addition to the use as Abschaltwert also as a controlled variable in conjunction with other measurement signals of an exhaust and intake manifold for controlling the internal combustion engine.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche und vielfältige Ausführungen von Temperaturfühlern bekannt, welche für einen Einsatz bei derartig hohen Temperaturen vorgesehen sind. Die Temperaturfühler sind hinsichtlich eines verwendeten Temperatursensors, einer Anzahl der verwendeten Temperatursensoren und hinsichtlich einer Konstruktion und Technologie unterscheidbar.Numerous and varied designs of temperature sensors are known from the prior art, which are intended for use at such high temperatures. The temperature sensors are distinguishable in terms of a temperature sensor used, a number of the temperature sensors used, and a design and technology.
Aus der
Weiterhin wird in der
Aus der
Ferner sind aus der
Die oben genannten Ausführungen weisen beim Dauereinsatz von 1100°C eine zu geringe Lebensdauer sowie eine zu hohe Sensordrift auf.The above-mentioned versions have a too long service life and too high a sensor drift when used continuously at 1100 ° C.
Die
Die
Des Weiteren offenbart die
Aus der
Die
Aus der
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten thermoelektrischen Temperaturfühler anzugeben, welcher auch bei Temperaturen von bis zu 1200°C oder mehr verwendbar ist, zur Erfassung schneller Temperaturmessänderungen geeignet ist, eine geringe Ausfallrate aufweist und in großen Einbaulängen fertigbar ist.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved thermoelectric temperature sensor, which is even at temperatures of up to 1200 ° C or more usable, is suitable for detecting rapid changes in temperature measurements, has a low failure rate and in large installation lengths manufacturable ,
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem thermoelektrischen Temperaturfühler gelöst, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved with a thermoelectric temperature sensor having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Der thermoelektrische Temperaturfühler umfasst ein Thermoelement, welches eine temperaturbeständige und mechanisch flexible Mantelleitung mit Thermoleitern umfasst, welche an einer Messseite zu einer temperatursensitiven Thermoperle verschweißt ist und an dieser Messseite von einem Schutzelement umgeben ist. Erfindungsgemäß ist in dem Schutzelement ein aus insbesondere gut Wärme leitender Keramik gebildetes Schalenelement angeordnet, welches eine zu der Thermoperle korrespondierende Aussparung umfasst, in welche die Thermoperle zumindest teilweise hineinragt.The thermoelectric temperature sensor comprises a thermocouple, which comprises a temperature-resistant and mechanically flexible sheathed cable with thermo conductors, which is welded to a measuring side to a temperature-sensitive Thermoperle and is surrounded on this measurement side of a protective element. According to the invention, a shell element formed from a ceramic which is particularly good in heat conduction is arranged in the protective element, which comprises a recess corresponding to the thermal barrel into which the thermal sleeve at least partially protrudes.
Gegenüber den aus den Stand der Technik bekannten Lösungen zeichnet sich der erfindungsgemäße Temperaturfühler aufgrund der Ausbildung und Anordnung des Schutzelements durch einen verbesserten Schutz vor dem zu messenden Medium, insbesondere Heißgasmedium, aus, woraus sich eine hohe Lebensdauer und Langstabilität des Temperaturfühlers ergeben. Daraus resultierend werden Drifterscheinungen des Temperaturfühlers vermieden oder zumindest vermindert, so dass der Temperaturfühler auch zur Verwendung bei Temperaturen von bis zu 1200°C oder mehr verwendbar ist. Weiterhin ist eine zusätzliche umhüllende Anordnung geschlossener oder perforierter Zusatzschutzrohre um die Thermoperle nicht erforderlich, so dass eine Messdynamik des Thermoelements und somit des Temperaturfühlers nicht eingeschränkt ist. Hieraus ergibt sich, dass auch schnelle Temperaturänderungen exakt erfassbar sind.Compared with the solutions known from the prior art, the temperature sensor according to the invention is characterized by an improved protection against the medium to be measured, in particular hot gas medium due to the design and arrangement of the protective element, resulting in a long life and long-term stability of the temperature sensor. As a result, drifting phenomena of the temperature sensor are avoided or at least reduced, so that the temperature sensor is also usable for use at temperatures of up to 1200 ° C or more. Furthermore, an additional enveloping arrangement closed or perforated additional protection tubes around the Thermoperle is not required, so that a measurement dynamics of the thermocouple and thus the temperature sensor is not limited. It follows that even rapid temperature changes can be detected exactly.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Thermoperle berührungsfrei in die Aussparung hineinragend angeordnet, so dass eine freie Bewegung der Thermoperle möglich ist und Beeinflussungen der Thermoperle durch das Schutzelement vermieden werden.According to an advantageous development, the thermal sleeve is arranged without contact protruding into the recess, so that a free movement of the thermal sleeve is possible and influences of the thermal sleeve are avoided by the protective element.
Ferner ist die Keramik in einer Weiterbildung aus hochverdichtetem Bornitrid mit hexagonaler oder kubischer Kristallstruktur gebildet. Das Bornitrid ist in einer weiteren Ausgestaltung gesintert. Die Versinterung erfolgt derart, dass die Keramik durch einen Thermoschock in einen pulverförmigen Zustand zurückversetzbar ist. Somit ist das Schalenelement zu einem besonders guten Schutz der Thermoperle geeignet und zerfällt bei starken Temperaturwechseln bzw. Temperaturschocks in einfacher Weise. Aufgrund der kubischen oder hexagonalen Kristallstruktur ist eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischer Isolationsfähigkeit der Keramik realisierbar. Hieraus resultiert in besonders vorteilhafter Weise eine besonders schnelle Reaktion der Temperatursensoren auf Temperaturänderung und daraus folgend eine hohe mögliche Messdynamik mit minimierten Totzeiten.Furthermore, the ceramic is formed in a development of highly compressed boron nitride with a hexagonal or cubic crystal structure. The boron nitride is sintered in a further embodiment. The sintering takes place in such a way that the ceramic can be returned to a powdery state by a thermal shock. Thus, the shell element is suitable for a particularly good protection of Thermoperle and disintegrates in case of severe temperature changes or temperature shocks in a simple manner. Due to the cubic or hexagonal crystal structure, a particularly good thermal conductivity with simultaneously high electrical insulation capability of the ceramic can be realized. This results in a particularly advantageous manner, a particularly rapid response of the temperature sensors to temperature change and consequently a high possible measurement dynamics with minimized dead times.
Zur einfachen Erzeugung des Schalenelements ist die Keramik gemäß einer Weiterbildung vorzugsweise in einen Boden des Stützelements eingepresst. Daraus folgend sind das Schutzelement und das Schalenelement als gemeinsames Bauteil erzeugbar und handhabbar.For easy production of the shell element, the ceramic is preferably pressed according to a development in a bottom of the support element. As a result, the protective element and the shell element can be produced and handled as a common component.
Die Keramik des Schalenelements genügt hinsichtlich elektrischer und wärmetechnischer Eigenschaften nicht dem Wiedemann-Franzschen Gesetz. Hierbei weist das aus der Keramik gebildete Schalenelement insbesondere eine Kugelschalenform, besonders bevorzugt eine Halbkugelschalenform auf, so dass sich von der Thermoperle aus zu einer der Thermoperle abgewandten Außenseite des Schutzelements gleiche Abstände ergeben, aus welchen sich gleiche thermische Strecken und Widerstände für alle zur Temperaturerfassung relevanten Oberflächenbereiche der Thermoperle ergeben. Dabei ist ein Kugelradius des Schalenelements besonders bevorzugt einem Innenradius des Schutzelements, wobei das Schutzelement gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung einen zu dem Schalenelement korrespondierenden, halbkugelförmigen Boden aufweist.The ceramic of the shell element is not sufficient in terms of electrical and thermal properties of the Wiedemann-Franz's law. In this case, the shell element formed from the ceramic in particular a spherical shell shape, particularly preferably a hemispherical shell shape, so that from the Thermoperle facing away from the Thermoperle outside of the protective element equal distances result, from which equal thermal paths and resistors for all relevant for temperature detection Surface areas of the Thermoperle result. In this case, a spherical radius of the shell element is particularly preferably an inner radius of the protective element, wherein the protective element according to a advantageous development has a corresponding to the shell element, hemispherical bottom.
In einer Ausgestaltung sind das Schalenelement und das Schutzelement als Verbundbauteil ausgebildet, wobei die Keramik als Pulver oder als Suspension in das Schutzelement eingebracht und anschließend verdichtet ist. Insbesondere ist die Keramik in das Schutzelement, beispielsweise mittels eines Stempels, eingepresst. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, das Schalenelement auch bei sehr kleinen Abmessungen des Schutzelements zu erzeugen und sehr genau in dem Schutzelement anzuordnen und auszurichten.In one embodiment, the shell element and the protective element are formed as a composite component, wherein the ceramic is introduced as a powder or as a suspension in the protective element and then compressed. In particular, the ceramic is pressed into the protective element, for example by means of a punch. This advantageously results in the possibility to produce the shell element even with very small dimensions of the protective element and to arrange and align very accurately in the protective element.
Besonders bevorzugt ist das Schutzelement als Schutzhülse mit einem im Querschnitt halbkreisförmigen Boden ausgebildet, welche mit der Mantelleitung verschweißt und/oder verpresst ist, wobei zumindest eine Schweißnaht und/oder die Verpressung in einem abgehämmerten Bereich der Mantelleitung, in welchem insbesondere ein Konus ausgebildet ist, erzeugbar ist. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise die Möglichkeit einer einfachen Rundschweißbarkeit der Schutzhülse mit der Mantelleitung.Particularly preferably, the protective element is designed as a protective sleeve with a semicircular cross-section in the bottom, which is welded to the sheathed cable and / or pressed, wherein at least one weld and / or the compression in a hammered area of the sheathed cable, in which in particular a cone is formed, can be generated. This results in an advantageous way, the possibility of a simple Rundschweißbarkeit the protective sleeve with the sheathed cable.
In einer Weiterbildung sind die Mantelleitung und das Schutzelement von einem zumindest die Schweißnaht überdeckenden gemeinsamen Stützelement umgeben, wobei das Stützelement kraft-, stoff- und/oder formschlüssig mit der Mantelleitung und/oder dem Schutzelement verbunden ist. Das Stützelement ist vorzugsweise weiterhin im oberen Teil, in welchem sich ein Prozessanschluss befindet, mit der Mantelleitung verbunden. In einer besonderen Ausführung ist das Stützelement mit der Mantelleitung im Zwischenbereich einer Verjüngung und der Schweißnaht verpresst, so dass keine weiteren Befestigungen zwischen Mantelleitung und dem Stützelement erforderlich sind. Weist das Stützelement eine vorgegebene Länge auf, so ist mit dem Stützelement weiterhin eine Befestigung und/oder Fixierung der Thermoausgleichsleitung realisierbar.In a further development, the sheath line and the protective element are surrounded by a common support element covering at least the weld seam, wherein the support element is non-positively, materially and / or positively connected to the sheathed cable and / or the protective element. The support element is preferably further in the upper part, in which there is a process connection, connected to the sheathed cable. In a particular embodiment, the support element is pressed with the sheathed cable in the intermediate region of a taper and the weld, so that no further attachments between the sheathed cable and the support element are required. If the support element has a predetermined length, fastening and / or fixing of the thermal compensation line can furthermore be realized with the support element.
Zur elektrischen Signalauswertung ist die Mantelleitung in einer Ausgestaltung an einem der Messseite abgewandten Ende mit einer Thermoausgleichsleitung verbunden.For electrical signal evaluation, the sheath line is connected in one embodiment at an end facing away from the measurement side with a thermal compensation line.
Besonders bevorzugt ist das Schutzelement derart ausgebildet, dass Verbindungsbereiche, in welchen Leitungselemente der Thermoausgleichsleitung mit Thermoleitern der Mantelleitung verbunden sind, von dem Stützelement umgeben oder überdeckt sind. Somit ist mittels des Stützelements zusätzlich zur Überdeckung der Schweißnaht zwischen dem Schutzelement und dem Mantelelement auch eine Überdeckung der Verbindungsbereiche und somit ein Schutz derselben realisierbar.Particularly preferably, the protective element is designed such that connecting regions, in which line elements of the thermal compensation line are connected to thermal conductors of the sheathed cable, are surrounded or covered by the support element. Thus, by means of the support element, in addition to the covering of the weld seam between the protective element and the jacket element, an overlapping of the connection areas and thus a protection thereof can also be realized.
In einer zweckmäßigen Ausführung ragen aus der Mantelleitung an der Messseite die Thermoleiter hindurch und sind dort verschweißt. Somit ist die gebildete Thermoperle außerhalb der Mantelleitung angeordnet und nicht von dieser verdeckt, so dass die hohe mögliche Messdynamik des Temperaturfühlers weiter verbessert ist.In an expedient embodiment, the thermal conductors protrude from the sheathed cable on the measuring side and are welded there. Thus, the formed Thermoperle is located outside of the sheath line and not covered by this, so that the high potential measurement dynamics of the temperature sensor is further improved.
Weiterhin ist die Mantelleitung an einem der Messseite abgewandten Ende insbesondere mittels eines Vergussmittels und/oder Dichtungsmittels dicht verschlossen und somit vor eindringenden Fremdstoffen, insbesondere Feuchtigkeit und Staub, geschützt. Bei dem Verguss- und/oder Dichtungsmittel handelt es sich in einem Ausführungsbeispiel um so genanntes Glaslot.Furthermore, the sheathed cable is tightly closed at one end remote from the measuring side, in particular by means of a casting agent and / or sealing agent, and thus protected against penetration of foreign substances, in particular moisture and dust. The potting and / or sealing agent is in one embodiment, so-called glass solder.
Vorzugsweise ist die Mantelleitung zusätzlich von einem der Messseite abgewandten Ende zur Messseite hin einfach oder mehrfach verjüngt ausgebildet Aus der verjüngten Ausbildung resultiert, dass der Temperaturfühler zumindest an der Messseite sehr kompakt ausgebildet ist und eine geringe thermische Masse aufweist.Preferably, the sheathed cable is additionally designed to be simply or multiply tapered from the end facing away from the measurement side toward the measurement side. The tapered design results in the temperature sensor being very compact at least on the measurement side and having a low thermal mass.
Hierbei ist vorzugsweise auch das Stützelement einfach oder mehrfach verjüngt ausgebildet, wobei zur Erzeugung einer besonders passgenauen Ausbildung des Stützelements zur Mantelleitung das Stützelement und die Mantelleitung gleichzeitig verformt werden.In this case, the support element is preferably designed to be singly or multiply tapered, the support element and the covering lead being simultaneously deformed in order to produce a particularly accurately fitting design of the support element for the covering lead.
In einer weiteren Ausgestaltung sind das Schalenelement und das Schutzelement als Verbundbauteil ausgebildet, wobei die Keramik als Pulver oder als Suspension in das Schutzelement eingebracht und anschließend verdichtet ist. Insbesondere ist die Keramik in das Schutzelement, beispielsweise mittels eines Stempels, eingepresst. Daraus resultiert in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, das Schalenelement auch mit sehr kleinen Abmessungen des Schutzelements zu erzeugen und sehr genau in dem Schutzelement anzuordnen und auszurichten.In a further embodiment, the shell element and the protective element are formed as a composite component, wherein the ceramic is introduced as a powder or as a suspension in the protective element and then compressed. In particular, the ceramic is pressed into the protective element, for example by means of a punch. This results in an advantageous way the possibility to produce the shell element with very small dimensions of the protective element and to arrange and align very accurately in the protective element.
Weiterhin ist die Keramik nach der Verdichtung bevorzugt in dem Schutzelement aushärtbar und/oder zumindest teilweise sinterbar, um das Schalenelement mit einer vorgegeben Stabilität zu erzeugen, wobei die Aushärtung mittels chemischer, thermischer, mechanischer und/oder anderer Verfahren erfolgt.Furthermore, after densification, the ceramic is preferably curable in the protective element and / or at least partially sinterable in order to produce the shell element with a predetermined stability, wherein the curing takes place by means of chemical, thermal, mechanical and / or other methods.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehenCorresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals
In
Innerhalb des Temperaturfühlers
Die Mantelleitung
An einer der Messseite abgewandten Seite ragen die Thermoleiter
Das Isolationselement
Das Stützelement
Zum Schutz der Thermoperle
Das Schalenelement
Das Stützelement
Das Schutzelement
Dabei erfolgt die Verschweißung in der Art, dass die Schweißnaht
An der der Medienseite abgewandten Seite des Temperaturfühlers
In
Hierzu ist das Mantelrohr
Das Schutzelement
An dem der Thermoperle
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 22
- Mantelleitungsheathed cable
- 2.12.1
- Mantelrohrcasing pipe
- 2.22.2
- BereichArea
- 2.32.3
- Thermoleiterthermal conductor
- 2.42.4
- Thermoleiterthermal conductor
- 2.52.5
- ThermoperleThermo Perle
- 2.62.6
- Innenpulverinterior powder
- 33
- Thermoelementthermocouple
- 44
- ThermoausgleichsleitungThermal compensating line
- 4.14.1
- Leitungselementline element
- 4.24.2
- Leitungselementline element
- 4.34.3
- Verbindungsbereichconnecting area
- 4.44.4
- Verbindungsbereichconnecting area
- 4.54.5
- Isolationselementinsulation element
- 4.64.6
- Isolationselementinsulation element
- 4.74.7
- Isolationselementinsulation element
- 55
- Stützelementsupport element
- 66
- Schutzelementprotection element
- 77
- Schalenelementshell element
- 7.17.1
- Aussparungrecess
- 88th
- Längsrillelongitudinal groove
- 99
- SchweißnahtWeld
- 1010
- Vergussmittelpotting
- 1111
- Rillegroove
- 1212
- Fühlersteckersensor connector
- 1313
- GegensteckerMating connector
- 13.1 13.1
- Rastelementlocking element
- 1414
- Prozessanschlussprocess connection
- 1515
- Rillegroove
- 1616
- SchweißnahtWeld
- 1717
- Prozessanschlussprocess connection
- B1B1
- BereichArea
- B2B2
- BereichArea
- B4B4
- BereichArea
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202011001280U DE202011001280U1 (en) | 2011-01-10 | 2011-01-10 | Universal high temperature element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202011001280U1 true DE202011001280U1 (en) | 2012-04-18 |
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Family Applications (1)
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DE202011001280U Expired - Lifetime DE202011001280U1 (en) | 2011-01-10 | 2011-01-10 | Universal high temperature element |
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Legal Events
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---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20120606 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20140117 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |