DE4418472A1 - Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten mit einem in oder auf einem Trägerteil fixierten und durch eine einseitig geschlossene Hülse gekapselten Sensorelement, wobei das Sensorelement Anschlußdrähte aufweist, die zumindest teilweise in die Hülse und/oder in das Trägerteil hineinragen.

Sonden zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten gemäß der vorstehend genannten Art sind aus der Informationsschrift "Degussa Meßtechnik" Titel: Punktförmige Temperaturmessung mit Widerstandsthermometern, von Joachim Scholz, Vortrag Tempcon Konferenz London, Juni 1978, bekannt. Aus dieser Informationsschrift, bzw. aus diesem Vortrag ist bekannt, sogenannte Widerstandsthermometer in einer Hülse anzuordnen, wobei der Widerstandsdraht beispielsweise um einen Glasstab herum gewickelt ist.

Der Zwischenraum zwischen bewickeltem Glasstab und Hülse ist mit isolierendem Material oder mit Sand gefüllt.

Solche Temperatursensoren finden Einsatz in der industriellen Prozeßtechnik, überall dort, wo für eine optimale Prozeßsteuerung eine genaue Kenntnis der Temperatur benötigt wird. Die Anforderungen an die für diese Meßaufgabe eingesetzten Temperatursensoren sind: ein robuster Aufbau, hohe Vibrations- und Temperaturschockbeständigkeit, und Unempfindlichkeit gegen chemisch aggressive Medien. Unter anderem aus dem letztgenannten Grund sind die eigentlichen Sensorelemente in Hülsen verkapselt. Die Einbringung des eigentlichen Sensorelementes in die Hülse wirft jedoch eine Reihe von Problemen auf. Ist ein Sensorelement lose in einer solchen Hülse, beispielsweise in einem Metallrohr angeordnet, so führt dies zu dem Nachteil, daß die Sonde insgesamt keine Vibrationsbeständigkeit aufweist. Ferner können durch die von außen generierten Vibrationen des Sensorelementes oder der Anschlußdrähte Kurzschlüsse entstehen. Für den Fall, daß die Hülse nicht aus Metall besteht, würden solche Vibrationen dennoch auf Dauer eine Zerstörung des Sensorelementes oder der Anschluß Kontaktierungen bewirken. Bei Temperatursensoren der bekannten Art ist es darüber hinaus auch bekannt, den Sensor innerhalb der Hülse in eine Wärmeleitpaste einzubetten. Der Nachteil hierbei ist, daß die verfügbaren Wärmeleitpasten die obere Einsetztemperatur zu allermeist auf 200 Grad Celsius begrenzen. Von daher gibt es im Stand der Technik noch eine weitere Variante, bei dem der verbleibende Zwischenraum zwischen Sensor und Hülse mit Sand gefüllt wird. Der Nachteil hierbei ist, daß der Sand, meist aus Al₂O₃ bestehend, mit der Zeit verrutschen kann, und die Anschlußdrähte und die Passivierung des Sensors zerreiben können. Zusammengefaßt ergibt sich bei Temperatursensoren der bekannten Art, nur eine mangelhafte Vibrationsbeständigkeit und nur eine relativ geringe Temperaturbeständigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten dahingehend weiterzubilden, daß diese für einen Temperaturbereich über 200 Grad Celsius geeignet ist, und bei der die vorstehend genannten Nachteile insgesamt beseitigt sind.

Die gestellte Aufgabe ist bei einer Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Sensorelement als Dünnfilmwiderstand ausgebildet ist, und das Trägerteil aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, und daß Mittel vorgesehen sind, über welche das Sensorelement vom Boden und von der Innenwand der Hülse beabstandet gehalten wird.

Zum einen ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung eines Dünnfilmwiderstandes als Sensorelement eine beträchtliche Erhöhung des Temperaturspektrums. Das heißt, die Sonde kann bei wesentlich höheren Temperaturen eingesetzt werden als Sonden bekannter Art. Der Dünnfilmwiderstand besteht in bekannter Weise aus einem entsprechend strukturierten dünnen Metallfilm, welcher auf einem Substrat abgeschieden ist. Dieses Sensorelement ist erfindungsgemäß auf einem Trägerteil aus einem elektrisch isolierenden Material fixiert und es sind weiterhin Mittel vorgesehen, über welche das Sensorelement vom Boden und von der Innenwand der Hülse beabstandet gehalten wird.

Dadurch ist eine Auffüllung des Zwischenraumes, d. h. eine Aussandung nicht mehr notwendig. Damit entfallen sämtliche Nachteile, die sich aus dem vorstehend genannten Stand der Technik ergaben. Darüber hinaus wird die ganze Sonde vibrationsunempfindlich, temperaturschockbeständig, und unempfindlich gegen chemisch aggressive Medien. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Trägerteil zur Aufnahme des Sensors so angelegt, daß die Anschlußdrähte hindurchverlaufend sind. Die Beabstandung zwischen Sonde und Innenwand und Boden der Hülse wird dadurch erreicht, daß das Trägerteil eine Eintiefung aufweist, in welcher das Sensorelement zumindest teilweise aufgenommen angeordnet ist. Durch die Eintiefung wird die Beabstandung des Sensorelementes von der Innenwand erreicht. In zwei Ausgestaltungen der Erfindung wird des weiteren erreicht, daß das Sensorelement auch vom Boden der Hülse beabstandet gehalten wird. In einer Ausführung der Erfindung wird dies durch eine an der Hülse anzubringende Verengung bewerkstelligt, die im montierten Zustand das Sensorelement direkt oder das Trägerteil samt Sensorelement mechanisch fixiert. Die zweite Ausgestaltung besteht darin, daß das Trägerteil eine derartige Eintiefung aufweist, daß das Sensorelement in dieser angeordnet ist, und das Trägerteil eine ansatzförmige Verlängerung aufweist, so daß das Sensorelement vom Boden der Hülse beabstandet gehalten ist. Für beide Ausführungsformen eignet es sich in erfindungsgemäßer Weise, das Trägerteil als Zweilochkapillare auszubilden durch diese hindurch die Anschlußdrähte anzulegen. Die Eintiefungen der Trägerteile dienen in entsprechender Weise zur Aufnahme der Sensorelemente. Die Zweilochkapillare kann dabei wegen der geforderten Temperaturunempfindlichkeit und Vibrationsbeständigkeit aus Al₂O₃ bestehen. In vorteilhafter Ausgestaltung besteht die Hülse aus Metall.

Trägerteil, Sensor und Metallhülse sind dabei so zu dimensionieren, daß das Trägerteil, beispielsweise in Form der Zweilochkapillare, in das Metallrohr bzw. die Hülse eingesteckt werden kann, wobei der Sensor das Metallrohr an der Innenwand nicht berühren darf. Dies ist auch dahingehend zu dimensionieren, daß die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der aus den unterschiedlichen Materialen bestehenden Komponenten mitberücksichtigt werden. Letzteres wird erreicht, indem man den Sensor schmaler als den Rohrinnendurchmesser wählt. Durch eine Verengung im Metallrohr wird die Kapillare arretiert, so daß der Sensor nicht auf dem Metallrohrboden aufsetzen kann. Sensor und Kapillare bzw. Träger bilden somit eine Einheit. Der Sensor ist auch bei extremen Temperaturwechseln oder Vibrationen hinreichend geschützt. Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird das beispielsweise als Al₂O₃-Zweilochkapillare ausgebildete Trägerteil einseitig zumindest im Bereich der Spitze abgeflacht, und die Anschlußdrähte werden durch die Kapillare hindurchgeführt. Das Hindurchführen der Anschlußdrähte durch die Kapillare hindurch ist im übrigen auch in der ersten Ausführungsform der Erfindung gewählt, so daß die Anschlußdrähte vollkommen geschützt angeordnet sind. Der Sensor bzw. das Sensorelement wird mit Keramikkleber auf den abgeflachten Teil der Kapillare gekittet. Der abgeflachte Teil ist etwas länger als der Sensor, so daß bei der Montage der abgeflachte Teil der Kapillare und nicht der Sensor auf dem Metallrohrboden aufsetzt. Das heißt, die Verlängerung des abgeflachten Teiles der Kapillare bildet die in den Patentansprüchen angegebene einsatzförmige Verlängerung des Trägerteiles.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 erste Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zweite Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in erster Ausgestaltungsvariante der Erfindung eine einseitig geschlossene Hülse 1, welche hier aus Metall besteht. In diese Hülse 1 eingeschoben ist das Trägerteil 2, welches hier aus einer Zweilochkapillare besteht. An der Spitze 2′ der Zweilochkapillare bzw. des Trägerteiles ist eine Eintiefung 2″ in Form eines Schlitzes eingebracht. In dieser Eintiefung sitzt das Sensorelement 3. Dieses Sensorelement besteht hier aus einem Dünnfilmwiderstand. Durch die Kapillaren des Trägerteiles, sprich durch die Zweilochkapillare hindurch, sind die Anschlußdrähte 4 angelegt. Von außen ist an entsprechender Stelle eine Verengung 5 auf die Hülse eingebracht. Diese Verengung 5 kann beispielsweise durch eine Einpressung erzeugt werden. Sie ist so plaziert, daß eine Berührung des Sensorelementes mit dem Boden 1′ der Hülse 1 vermieden wird. Durch die hier entsprechend angeordnete Eintiefung 2″ wird darüber hinaus die Beabstandung des Sensorelementes von den übrigen Innenwandbereichen der Hülse 1 bewerkstelligt. Herausgezeichnet ist zu Fig. 1 eine Draufsicht auf die Spitze 2′ des Trägerteiles 2. Hierbei soll nur verdeutlicht werden, wie die Eintiefung 2″ in das Trägerteil eingebracht ist, nämlich als Schlitz. Des weiteren sind die Eintrittsöffnungen in die Kapillaren 6 zu sehen. Dargestellt ist die Ansicht ohne Sensorelement.

Fig. 2 zeigt die zweite Variante der Erfindung. Hierbei ist ebenfalls eine Hülse vorgesehen, welche einseitig geschlossen ist und aus Metall besteht. Das Trägerteil 2 ist hier ebenfalls in die Hülse eingeschoben und besteht auch aus einer Zweilochkapillare, bestehend aus Al₂O₃.

Durch die Kapillare hindurch sind die Anschlußdrähte 4 wie in Fig. 1 angelegt. Das Sensorelement 3 sitzt in einer Eintiefung 2″ des Trägerteiles 2. Jedoch ist hierbei das Trägerteil einseitig abgeflacht, und das Sensorelement sitzt in der Eintiefung 2″ derartig plaziert, daß weder die Innenwand noch der Boden der Hülse berührt werden kann. Um eine Berührung mit dem Boden der Hülse zu verhindern, ist die Eintiefung derartig ausgebildet, daß das Trägerteil insgesasmt eine ansatzförmige Verlängerung 7 aufweist, die eine Berührung des Sensorelementes 3 mit dem Boden 1′ der Hülse 1 verhindert. Eine detaillierte Darstellung des Trägerteiles 2 ist auch in Fig. 2 nochmals herausgezogen dargestellt. Hierbei soll dargestellt sein, daß die Eintiefung als einseitige Abflachung vorgesehen ist, in der das Sensorelement plaziert wird.

Claims (8)

1. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten mit einem in oder auf einem Trägerteil fixierten und durch eine einseitig geschlossene Hülse gekapselten Sensorelement, wobei das Sensorelement Anschlußdrähte aufweist, die zumindest teilweise in die Hülse und/oder in das Trägerrohr hineinragen, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3) als Dünnfilmwiderstand ausgebildet ist und das Trägerteil (2) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und daß Mittel (5, 7) vorgesehen sind, über welche das Sensorelement (3) vom Boden (1′) und von der Innenwand der Hülse (1) beabstandet gehalten wird.

2. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußdrähte (4 ) durch das Trägerteil (2) hindurchverlaufend angelegt sind.

3. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, über welche das Sensorelement vom Boden der Hülse beabstandet gehalten wird, aus einer außen an der Hülse einzubringenden Verengung (5) besteht, die im montierten Zustand das Sensorelement (3) direkt, oder das Trägerteil (2) samt Sensorelement (3) mechanisch fixiert.

4. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (2) eine Eintiefung (2″) aufweist, in welcher das Sensorelement (3) zumindest teilweise aufgenommen ist.

5. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (2) eine derartige Eintiefung (2″) aufweist, daß das Sensorelement (3) in dieser angeordnet ist, und das Trägerteil (2) eine ansatzförmige Verlängerung (7) aufweist, so daß das Sensorelement (3) vom Boden (1′) der Hülse (1) beabstandet gehalten ist.

6. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (2) eine Zweilochkapillare ist, durch die hindurch die Anschlußdrähte (4) angelegt sind und in welche die Eintiefung (2″) in entsprechender Weise angebracht ist.

7. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweilochkapillare aus Al₂O₃ besteht.

8. Sonde zur Temperaturmessung von Gasen oder Flüssigkeiten nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (1) aus Metall besteht.