WO2011157467A1 - Vorrichtung zur erfassung einer temperatur eines strömenden fluiden mediums - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung einer temperatur eines strömenden fluiden mediums Download PDF

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WO2011157467A1
WO2011157467A1 PCT/EP2011/056534 EP2011056534W WO2011157467A1 WO 2011157467 A1 WO2011157467 A1 WO 2011157467A1 EP 2011056534 W EP2011056534 W EP 2011056534W WO 2011157467 A1 WO2011157467 A1 WO 2011157467A1
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sensor
temperature
fluid medium
temperature sensor
turbulator
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PCT/EP2011/056534
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Schmid
Michael Piwonski
Hasan Sert
Florian Mueller
Hartmut Stetter
Arno Clauss
Marc Rosenland
Ulrich Gralka
Lothar Diehl
Sascha Klett
Markus Linck
Marc Brueck
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • G01K1/18—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element for reducing thermal inertia
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow

Definitions

  • Temperature is an important parameter in numerous technical applications and processes which have to be detected by means of corresponding devices.
  • the temperature plays an important role in a control and / or regulation in process engineering, component protection or similar applications.
  • resistance temperature sensors or other types of temperature sensors can also be used.
  • thermocouples for example by means of thermocouples, a suitable for over 100 years
  • Temperature sensor used which are usually configured as a rod-shaped sensor and are brought into contact with the fluid medium. Through various mechanisms of heat transfer (for example, convection, heat conduction, or radiation) the sensor thermal energy is supplied to and / or dissipated by this, whereby the sensor has a temperature similar to the
  • thermocouple a thermocouple
  • NTC Temperature coefficient
  • PTC positive temperature coefficient
  • thermophysical properties of an electrical signal associated with the temperature This is further processed in a connected electronics.
  • the temperature sensor has a fixation, by means of which the sensor can be introduced vertically into a housing of a flow tube. Furthermore, the sensor has a sensor head with a plurality of
  • the Device is set up for detecting a temperature of a flowing fluid medium, for example a liquid or a gas, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the device comprises at least one temperature sensor which is adapted to be introduced into the flow of the fluid medium.
  • the temperature sensor may for example have at least one fastening device for fastening in a tube wall of a flow tube of the fluid medium. This may be, for example, one or more threads, by means of which the temperature sensor or a part of the temperature sensor can be screwed into the pipe wall.
  • the fastening device is preferably designed such that the attachment of the
  • Temperature sensor in the pipe wall is media-tight and / or pressure-tight.
  • the introduction can preferably be made such that the temperature sensor in "
  • Substantially perpendicular to the pipe wall is introduced into the same, so with a deviation of preferably less than 20 °, in particular less than 10 ° and particularly preferably less than 5 ° to the pipe wall, for example, to an axis of the flow tube.
  • the temperature sensor may be configured, for example, as a measuring finger, which projects completely or partially into the flow of the fluid medium.
  • Temperature sensor has a sensor body and a in the fluid medium
  • the sensor body may be designed to be substantially cylindrical and into the measuring head ends, or the measuring head may be applied to the sensor body at the end facing the fluid medium.
  • At least one sensor element for detecting a temperature of the fluid medium is received in the measuring head.
  • the sensor element can be, for example, one or more of the temperature sensors described above, for example an electrical sensor element, for example a
  • Temperature measuring resistor a resistor with a negative temperature coefficient, a resistor with a positive temperature coefficient, a thermocouple
  • thermocouple For example, based on the Seebeck effect thermocouple or another type of sensor element.
  • a plurality of sensor elements may also be accommodated, for example a plurality of sensor elements in the sensor
  • Measuring head and / or at other locations within the device In addition to the at least one sensor element for detecting the temperature, further sensor elements can be accommodated, for example one or more sensor elements for detecting a pressure of the fluid medium. Various configurations are possible.
  • the measuring head points to at least one of the fluid medium assigning
  • a turbulator element is a fundamentally arbitrary element which is set up in order to bring about turbulence in the flow of the fluid medium.
  • Turbulator elements may include and / or may be formed of several parts, is adapted to when introduced into the flow of the fluid medium
  • Temperature sensor to cause an envelope of a laminar flow of the fluid medium in a turbulent flow at the surface.
  • a mixing surface-near layers of the fluid Medium with removed from the surface layers of the fluid medium causes.
  • an improved temperature exchange of the fluid medium with the measuring head and thus with the sensor element is effected, which overall significantly improves the connection and the dynamics of the measurement.
  • the known from US 2007/0195857 AI ribs which are aligned parallel to the flow of the fluid medium with vertical introduction of the sensor described therein in the flow of the fluid medium, however, cause no such turbulence and thus no corresponding mixing and thus do not have the advantages described on.
  • the turbulator element may in particular comprise a microstructure.
  • a microstructure may comprise a plurality of structural elements, i.
  • Elevations and / or depressions from or in the surface include.
  • the texture depth i. the maximum height of the elevations or the maximum depth of the depressions of the structural elements, preferably does not exceed 50 ⁇ , more preferably 10 ⁇ .
  • the average structure depth of the structural elements may be in particular 0.5 to 5 ⁇ and more preferably 1 to 2 ⁇ .
  • the turbulator element may in particular one or more of the following
  • Turbulator elements or structural elements comprise: elevations, wherein at least one of the elevations is impinged by the fluid medium in such a way that the elevation acts as a turbulator element; Wells, wherein at least one of the wells is flowed by the fluid medium in such a way that the depression acts as a turbulator element. Also a combination of several of the above
  • Turbulator elements is conceivable.
  • the turbulator element may in particular be selected from: a wire, in particular a tripwire, preferably a wire basket with a plurality of tripwires; a needle, in particular a conically or rounded tapered needle, in particular a plurality of needle-shaped or pointed-shaped
  • a wedge-shaped elongated elevation in particular a plurality of substantially paraxial aligned wedge-shaped elevations
  • an elongated recess in particular a groove or groove with a rounded and / or angular profile
  • a point-shaped elevation in particular a survey with a round or angular cross-section, in particular a plurality of punctiform
  • a punctiform depression in particular a depression with a round or angular cross-section, in particular a plurality of punctiform ones Depressions or a golf ball pattern; a grid with several intersecting elevations; a lattice with several intersecting ones
  • a honeycomb pattern a knurl, in particular a knurl with paraxial grooves, a right-hand knurl, a left-hand knurl, a left-right knurl or a knurled knurl; a tear-off edge, in particular a tear-off edge with an angle of at least 30 °; a diamond-shaped elevation; one
  • the turbulator element may comprise, as one or more structural elements, in particular a grid with at least two elongate structural elements that intersect one another, for example elevations and / or depressions, for example in the form of elongated wedge-shaped elevations and / or elongated grooves and / or grooves. A combination is possible.
  • the measuring head can in particular have a substantially rounded shape, wherein the turbulator element is arranged in the region of the rounding off.
  • the rounding should be understood, with the exception of the disturbances caused by the turbulator element, whereby a locally deviating from a rounding shape can be given.
  • the measuring head can also be a
  • Diameter include, as will be explained in more detail below by way of example.
  • a plurality of turbulator elements or a plurality of structural elements of the turbulator element can be arranged with a symmetry to an axis of the temperature sensor.
  • the turbulator element can in particular be configured as an interrupted turbulator element and comprise a plurality of structural elements, wherein the structural elements are arranged relative to one another in such a way that the inflowing fluid medium undergoes a repeated stall on the structural elements.
  • the device can be further developed such that the sensor element is received in the measuring head such that it is at least largely thermally decoupled from the sensor body.
  • This may in particular mean that a heat transfer from the sensor element to the sensor body, that is, for example, in an axial direction of a "
  • elongated sensor body or measuring finger is less than within a same transmission path within the sensor body itself. This can be done, for example, that between the sensor body and the
  • Sensor element is arranged at least one insulating element which is adapted to suppress heat transfer from the sensor element to the sensor body.
  • the insulating element can be selected, for example, from an element with low thermal conductivity, in particular an insulating layer and / or an insulating sleeve and an air gap, or more generally a gas gap, that is, for example, a gap which is filled with a protective gas.
  • the measuring head can also be at least partially surrounded by a thermally conductive protective sleeve.
  • a thermally conductive protective sleeve This can for example be wholly or partly made of a thermally conductive material, such as a thin-walled material.
  • a thermally conductive material such as a thin-walled material.
  • it may be a thermally conductive plastic and / or a metal.
  • the protective sleeve can be a thermally conductive material.
  • the thickness of the protective sleeve may be less than the wall thickness of, for example, a jacket of the sensor body.
  • the measuring head may have a smaller diameter compared to the sensor body. This generally means that a dimension of the measuring head, which is responsible for a heat transfer between sensor element and fluid medium, may be designed to be smaller than a corresponding dimension of the
  • the measuring head can be designed as a section of the temperature sensor with a reduced diameter.
  • the measuring head can be configured in the region of the sensor element in the radial direction at least substantially without a gap.
  • This gap-free configuration can be effected for example by means of a press fit and / or a positive connection and / or by means of at least one filling material (for example a thermal compound and / or a liquid, for example a liquid metal) between two or more components of the measuring head, for example by means of a positive connection between the Sensor element and a coupling element, such as a coupling sleeve or a coupling tube, and / or by an interference fit between a protective sleeve and the sensor element and / or a coupling element.
  • a coupling element such as a coupling sleeve or a coupling tube
  • the sensor element can be accommodated directly or indirectly and completely or at least partially optionally in at least one coupling element.
  • Coupling element may in particular be designed to heat exchange between the sensor element and the fluid medium in comparison to a
  • the coupling element for example, a
  • the coupling element can be thermally decoupled from the sensor body, for example by means of the at least one insulation element described above.
  • the coupling element can be thermally decoupled from the sensor body, for example by means of the at least one insulation element described above.
  • At least one material having one or more of the following
  • the coupling element can be designed in one piece or also in several parts.
  • the coupling element can be selected from: a sleeve at least partially enclosing the sensor element (for example a cylindrical sleeve or a tube) made of a ceramic material, in particular a ceramic material with high thermal conductivity; a sleeve at least partially surrounding the sensor element made of a plastic material, in particular a plastic material with high thermal conductivity; a sleeve of a metallic material at least partially enclosing the sensor element; a melt bead, at least partially enclosing the sensor element, in particular a melt bead of a metallic material and / or a
  • Plastic material and / or a glass material a filling material in one
  • Interspace between the sensor element and a measuring head at least n
  • protective sleeve for example a one-piece or multi-part protective sleeve.
  • FIG 1 shows different installation situations conventional temperature sensor
  • FIGS. 2A to 2C show flow conditions and thermal conditions above a surface overflowed by a fluid medium
  • Figure 3 shows various mechanisms of heat exchange in the range of a temperature sensor
  • Figure 4 heat exchange of a sensor element of a temperature sensor with the environment
  • FIGS. 5A to 5H different embodiments of a measuring head of a
  • FIGS. 6A to 6G different embodiments of a measuring head of a
  • FIG. 7 shows a typical structure of a measuring head of a temperature sensor with a sensor element
  • FIGS. 8A and 8B show different views of a device according to the invention
  • the fluid medium may, for example, be a gas which flows through a flow tube 112 according to FIG.
  • this may be an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • Reference numeral 116 denotes the direction of flow of the fluid medium, that is to say the direction of the flow and / or the direction of the main flow.
  • FIG. 1 shows once an angled temperature sensor 114 which is currently being installed in the flow tube 112 (left temperature sensor 114 in FIG. 1) and a temperature sensor 114 (right
  • Main flow direction 116 can be installed in the flow tube 112.
  • the temperature sensors 114 are usually rod-shaped, as shown in FIG. 1, and are brought into contact, for example, with the fluid medium in the manners illustrated in FIG. Through different mechanisms of
  • the temperature sensor 114 supplied energy or energy dissipated by this, whereby it assumes a temperature similar to the fluid temperature.
  • a sensor element is arranged (not visible in Figure 1), in which it is for example a thermocouple, a
  • NTC negative temperature coefficient resistor
  • PTC positive temperature coefficient resistor
  • common thermal resistor or a similar sensor element, which sensor element can generate a temperature-associated signal, such as an electrical signal, due to its thermophysical properties.
  • This is preferably further processed in an optionally connected electronics, which is not shown in Figure 1 and which may also be part of the device 110 or which may also be configured as external electronics.
  • the installation possibilities of the temperature sensors 114 shown in FIG. 1 are used, for example, in plant construction. The plants are usually in quasi-stationary
  • Temperature sensor 114 for example for use in motor vehicle technology, usually consist of a high measuring accuracy, that is to say a low one
  • Deviation between the actual fluid temperature and temperature indicated by the temperature sensor 114 and high dynamics.
  • High dynamics in this context means the possibility of rapid changes in the gas temperature with the temperature sensor 114 with the least possible delay and higher
  • Temperature sensor 114 the accuracy and the dynamics can be increased according to the invention. This is to be shown in the context of the following
  • FIG. 3 schematically shows the installation situation of a temperature sensor 114 and the occurring energy flows.
  • a temperature sensor 114 which has a on a passage 120 with fixation 122, for example a screw, preferably with sealing effect, performed by a tube wall 118 of a flow tube 112 sensor body 124.
  • the sensor body 124 is oriented substantially perpendicular to a tube axis 126 of the flow tube and / or substantially perpendicular to the tube wall 118.
  • the sensor body 124 opens into a rounded measuring head 128, which in this embodiment connects seamlessly to the sensor body 124 and is integrally formed therewith.
  • the measuring head 128 is configured offset from the sensor body 124.
  • a sensor element 130 is recorded for detecting the temperature of the fluid.
  • the sensor element is shown in an enlarged view in FIG.
  • the energy flows that occur in the heat transfer are characterized in Figures 3 and 4 each with arrows.
  • Reference numerals 132 denote convective heat transfers, reference numerals 134 heat transfer by conduction, and reference numerals 136 heat transfer by radiation. Furthermore, different temperatures are designated in FIG.
  • Wall temperature is usually lower than the exhaust gas temperature, heat is transported by conduction in the axial direction of the temperature sensor 114. There is also a radiation heat exchange between the hotter lateral surface of the
  • Temperature sensor and the colder inner wall of the flow tube 112 instead (see a) in Figure 3).
  • the environmental portion of the temperature sensor 114 typically undergoes convective cooling by the lower ambient temperature, as well as heat input by radiation exchange with the hotter outer wall of the flow tube 112 (see b) in FIG. 3). Possibly carry further, external
  • Radiation sources e.g., hot surfaces of an exhaust turbocharger, catalyst or the like
  • energy see c) in Figure 3
  • FIG. 4 schematically shows the energy flows in the region of the sensitive tip of the temperature sensor 114.
  • the actual sensor element 130 experiences a supply and / or dissipation of heat, which are influenced by the ambient conditions and the constructive connection of the sensor element 130 to the temperature sensor 114.
  • the incoming and outgoing energy flows are in equilibrium and the sensor element 130 holds one constant temperature. This usually corresponds to the temperature determined by an evaluation of the device 110. However, it is not identical to the gas temperature, which causes a system-related measurement error.
  • Sensor element 130 or the energy dissipation from the sensor element 130 in the axial direction, ie parallel to the axis 138 of the temperature sensor 114, must be prevented as possible. This ensures that the sensor element 130 detects a change in the temperature as quickly as possible and the temperature of the sensor element 130 deviates as little as possible from the temperature of the fluid medium.
  • the minimization of the energy flows in the axial direction can be technically realized, for example, by a thermal decoupling of the sensor element 130 or the measuring head 128 from the sensor body 124, for example from the shaft of the temperature sensor 114, via an air gap or an insert of a material with low thermal conductivity. This will be explained in more detail below.
  • In the radial direction is a good thermal connection of the sensor element 130 to the fluid medium and, for example, a wall of the temperature sensor 114 or a
  • Energy transport of the ideally thermally decoupled from the sensor body 124 tip or the measuring head 128 of the temperature sensor 114 carries among other things a
  • the constructive design of the temperature sensor can afford the following contributions.
  • an insulating element for example a material layer with low thermal conductivity and / or a small wall thickness of the protective sleeve 140 surrounding the sensor element 130; and or
  • Boundary layer by using one or more turbulator elements on the temperature sensor 114, in particular the measuring head 128.
  • the measures for boundary layer control according to C2) generally aim at two effects.
  • the transfer to a turbulent boundary layer should take place as early as possible, ie after a short run.
  • turbulator elements which are shown by way of example in Figures 5A to 5H and 6A to 6G and designated there by the reference numeral 144.
  • These turbulator elements 144 are respectively applied to or introduced into the surface 142 of the measuring head 128 and comprise various types of structural elements 146, ie elevations from the surface 142 and / or depressions in the surface 142.
  • FIG. 5A shows a turbulator element 144 in the form of a wire basket with trip wires
  • FIG. 5B shows an exemplary embodiment of a turbulator element 144 in the form of projecting ribs with an additional wire basket over the rounding of the measuring head 128, FIG.
  • FIG 5C shows an exemplary embodiment with a plurality of needle-shaped structural elements 146, FIG Embodiment with elevations that run in the form of sharp edges parallel to the axis 138 of the temperature sensor 114 and act as "trip hazards”,
  • Figure 5E an embodiment with demolition edges by angular shape of the measuring head 128,
  • Figure 5F an embodiment with grooves with a round cross-section or polygonal cross section in an otherwise rounded measuring head 128,
  • Figure 5G an embodiment with point-like, circular depressions (golf ball pattern) in an otherwise rounded measuring head 128, and Figure 5H
  • Embodiment with a grid of crossed grooves which may for example be configured as "negative" of the wire basket according to FIG 5A.
  • the structural elements 146 of the turbulator element 144 may also include, for example, diamonds, needles, pyramids, other types of tear-off edges, or generally polygonal shapes.
  • the measures with the at least one turbulator element 144 can be
  • the envelope should turn into a turbulent boundary layer as early as possible, i. done after a short run length. Serve this purpose
  • Turbulator elements 144 which may include, for example, small obstacles, depressions, surface roughness or the like.
  • the boundary layer structure should be repeated as constantly as possible, since the heat transfer here is particularly high. This is achieved, for example, by correspondingly interrupted ribs, needles or other forms, each representing a new flow of a separate body with a corresponding boundary layer structure.
  • the principle of boundary layer influencing is explained in FIGS. 2A to 2C. figure
  • FIG. 2A shows the formation of a fluid-dynamic boundary layer when an overflow surface 142 in the form of a flat plate.
  • the fluid adheres to the solid wall.
  • the flow rate increases continuously to the value in the free flow. It forms a laminar boundary layer 150, which increases with increasing run length.
  • this laminar boundary layer 150 there is a
  • the fluid-dynamic boundary layer thickness is denoted by ⁇ in FIG. 2B, whereas the thermal boundary layer thickness in FIG. 2C is designated by ⁇ ⁇ .
  • the core flow is designated by the reference numeral 156. The thicker the boundary layer grows, the smaller the transferable heat flow. With the transition into a turbulent boundary layer, an increase in the transferred heat flux sets in, since the laminar underlayer is thinner than the laminar boundary layer and because the turbulent fluctuation rates constantly convey fluid medium at a higher temperature into the vicinity of the wall.
  • the heat transfer is designed to be particularly high.
  • the temperature sensors 114 are preferably used such that the flow direction 116 of the fluid medium extends transversely to at least one edge of a turbulator element 144. This is given in all of the embodiments shown in Figures 5A to 5H.
  • the turbulator elements 144 as known from US 2007/0195857 AI, additionally increase the surface available for the heat transfer, in addition to increasing the heat transfer coefficient by influencing the boundary layer structure according to FIGS. 2A to 2C.
  • the options for shaping the surface 142 shown here correspond in part to the patterns used on an industrial scale to increase the Heat transfer in stationarily operated heat exchangers, for example in plant construction, air conditioning or the like. However, these have hitherto been used only to increase the efficiency of heat exchangers, but not to increase the dynamics and / or the measurement accuracy of temperature sensors.
  • An overview of further shaping possibilities of the turbulator elements 144 can be found, for example, in Ralph L. Webb: "Principles of Enhanced Heat Transfer", John Wiley & Sons, Inc., 1992, p. 231, 241 and 248.
  • the heat transfer coefficient in a body flowing around depends both on the geometry and surface structure of the body as well as the Umströmungs committee.
  • the turbulator elements 144 in the illustrated embodiments are preferably constructed as a microstructure and preferably have a tread depth, i. a maximum depth or height of the
  • Structural elements 146 of at most 10 ⁇ , in particular 1 to 2 ⁇ on. In this respect, an artificial surface roughness by the turbulator elements 144 with the
  • Structural elements 146 are provided in the form of a microstructure, which ensures a permanent disturbance of the hydrodynamic and thermal boundary layers. This leads to an increase in the heat transfer coefficient due to the thus increased pulse and energy exchange.
  • the artificial surface roughness in the form of turbulator elements 144 is characterized in that their
  • the characteristic height is small compared to the remaining dimensions of the temperature sensor 114, in particular of the measuring head 128.
  • the typical widths of the structural elements 146 and / or their heights can be, for example, around
  • the roughness can be determined by suitable design of the structural elements 146 both from the surface 142 to the outside (for example in the form of the trip wires or needles according to FIGS.
  • FIG. 6A A further exemplary embodiment of a turbulator element 144 according to the invention in the region of a measuring head 128 of a temperature sensor 114 is shown in FIG. 6A.
  • the turbulator element 144 comprises a knurl 158.
  • Knurl is to understand a profile structure having a plurality of parallel grooves. At least one group of grooves should have one Have transverse component perpendicular to the main flow direction 116 of the fluid medium.
  • FIGS. 6B to 6F Embodiments of these knurls are shown in FIGS. 6B to 6F.
  • Figure 6B shows a knurl with axially parallel grooves, which are preferably aligned completely perpendicular to the flow direction 116 of the fluid medium.
  • a cross-section through the grooves is shown in FIG. 6G.
  • the letter t denotes standardized divisions, which may be, for example, 0.5, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2 or 1.6 mm, di denotes a nominal diameter, and d 2 an initial diameter.
  • d 2 an initial diameter.
  • FIG. 6C shows a so-called right knurl.
  • FIG. 6E shows a so-called left-right knurl, for which the angle ⁇ can likewise be from 10 to 50 °, in particular from 20 to 40 and particularly preferably 30 °.
  • FIG. 6F shows a so-called cross knurl, with a plurality of grooves parallel to the axis 138 and a plurality of grooves running perpendicular to the axis 138.
  • d 2 di - 0.67 ⁇ t
  • d 2 di - 0.33 ⁇ t.
  • the grooves may, for example, have a groove angle ⁇ , which is also shown in FIG. 6G.
  • This groove angle can be, for example, 70 ° to 110 °, in particular 80 ° to 100 ° and particularly preferably 90 °.
  • the turbulator elements 144 shown in FIGS. 6B to 6F in the form of the knurls 158 are each given components perpendicular to the flow direction 116 of the fluid medium.
  • the roughnesses are also directed perpendicular or at an angle to the flow.
  • the concepts A), B) and C) are independent of each other or in any combination AB, AC, BC or ABC feasible.
  • the configurations shown in FIGS. 5A to 6G with turbulator elements 144, which represent realization possibilities of the concept C) are also with the embodiments shown in FIG Incidentally, independent of A) feasible concepts B) and / or C) can be combined.
  • Embodiments of the concepts B) and / or C) will be briefly described below. For this purpose, should be based on a schematic
  • the temperature sensor 114 in turn has a sensor body 124, which in this case merges seamlessly into a measuring head 128 with a sensor element 130.
  • the sensor element 130 is configured in this case, for example, as a thermocouple and is formed by the connection of two metallic conductors 160 made of different materials, which are connected to one another at a measuring point 162, which forms the actual sensor element 130.
  • the connected conductors 160 (thermal conductors) are also referred to as thermocouples.
  • the connection of the thermal conductors acting as metallic conductor 160 is generated for example by welding and / or soldering.
  • the metal combinations of the metallic conductors 160 for thermowires are typically standardized so that various types of thermocouples are known in the art.
  • the size of the diameter of the thermocouples 160 correlates with the cost and typically the life of the thermocouple.
  • the typical temperature sensor 114 shown in FIG. 7 is a so-called
  • the thermal conductors 160 are usually in a ceramic
  • Insulating 164 embedded, for example, MgO and / or Al 2 0 3 .
  • the electrically insulated thermocouple is through a jacket 166 with a
  • Sheath material such as stainless steel and / or ceramic, protected from the environment.
  • Sheath thermocouples as exemplified in Figure 7
  • Temperature sensor 114 with metallic sheath are usually made of a so-called mineral insulated line (MIL), in almost any combination of materials with respect to the thermocouples 160, the insulating material of the insulating 164 and the jacket material of the shell 166 and in different defined dimensions, especially in terms of diameter, Jacket thickness, thickness of the thermoelectric cables 160 or similar dimensions can be obtained as an endless product. It is usually important to note that the maximum
  • Operating temperature of the jacket thermocouple depends on the jacket and cable diameter and the insulation resistance of the mineral insulator.
  • Making up the MIL is cut to length and mineral at one end
  • thermoelectric lines 160 Insulating removed to expose the actual thermoelectric lines 160. The exposed wires are welded to the measuring point, and the missing
  • Insulating material is replenished and compacted. Subsequently, the jacket tube of the shell 166 closed at the same end, for example by welding. At the other end, so at the opposite end of the measuring head 128 of the temperature sensor 114, a piece of the jacket tube is removed to the
  • Thermo cables 160 expose as connecting wires, for example, a plug, crimps or the like.
  • thermocouples analogous to the embodiment of Figure 7 transferred, in which the actual sensor element 130 is formed by a junction between at least two metallic conductors 160 and / or thermoelectric lines.
  • the configurations of the surface 142 in the region of the measuring head 128 can be achieved by using one or more turbulator elements 144
  • Embodiment transferred Alternatively or additionally, the concepts A) and / or B) can also be transferred to this concept of the temperature sensor 114. This will be shown below by way of example.
  • Embodiment of the measuring head 128 is favored, in particular in comparison to a heat transfer to the sensor body 124, which is preferably suppressed. This can, for example, by a constructive design adaptation to the
  • Measuring point 162 done. An energy exchange by convection and radiation and thus the heat transfer between a built-in device 110 sensor element 130 and its environment and the height of the occurring
  • the energy supply to the measuring point 162 or the sensor element 130 (which
  • the 130 in turn is formed by a connection of the conductors 160 at a measuring point 130, which may also be a more extensive measuring range.
  • the sensor element 130 is surrounded by a coupling element 168 in the form of a ceramic sleeve 170 or a ceramic tube.
  • Coupling element 168 in turn is surrounded by a thin-walled, preferably thermally conductive protective sleeve 172 or protective cap, which provides a mechanical protection for the sensor element 130 and fixes the measuring head on the sensor body 124.
  • the protective cap can be closed at the end face of the temperature sensor 114 or at least partially open.
  • Protective cap can be made for example of a plastic material with high thermal conductivity and / or a metallic material.
  • one or more of the protective sleeve 172 are optionally, on the outer surface 142 of the protective sleeve 172, one or more of the protective sleeve 172.
  • Turbulator elements 144 may be arranged, for example according to the above
  • the completion of the temperature sensor 114 shown in FIGS. 8A and 8B differs from the prior art described in FIG. 7 as follows.
  • a length of the jacket tube 166 is removed and the thermal lines 160 are exposed.
  • the thus exposed metallic conductors 160 are preferably clamped and / or pressed together, for example, to create a planar contact between the conductors 160.
  • the protective sleeve 172 is connected to the jacket 166 of the MIL, for example by welding.
  • an end face 174 of the measuring head 128 can be opened or also designed to be closed.
  • a suitable welding process such as e.g. a laser welding
  • a melt bead 176 are generated, which may also be part of the coupling element 168.
  • a substantially gap-free transition for example in the form of a positive connection 178, arises between the sensor element 130 or the measuring point 162 and the ceramic tube of the ceramic sleeve 170.
  • a gap-free transition between the sensor element 130 and the coupling element 168 and preferably also the protective sleeve 172 can be generated.
  • at least one of the sensor element 130 and the sensor body 124 at least one
  • Isolation element 180 may be arranged. In the illustrated exemplary embodiments according to FIGS. 8A to 9, this may be, for example, an air gap
  • Isolation elements 180 are used, for example, one or more
  • FIGS. 8A to 9 can be closed.
  • the protective sleeve 172 can be welded to the end face 174 with a lid, or the protective sleeve 172 can be configured from the outset as a closed protective sleeve.
  • Thermal capacity of the material of the measuring head 128 at the measuring point 162 is reduced or even minimized by suitable miniaturization and / or material selection.
  • suitable structuring of the surface 142 by means of the optional at least one turbulator element 144 according to strategy C) of the above options both the area available for heat transfer and the heat transfer coefficient can be maximized.
  • a thermal decoupling in the axial direction, ie parallel to the axis 138, so that a heat transfer between the measuring head 128 and sensor body 124 is at least reduced compared to a continuous sensor body 124 in a one-piece embodiment of FIG This can be achieved, for example, as shown in Figure 9, by means of an air gap insulation.
  • the wall thickness of the protective sleeve 172, for example, the protective cap can be reduced, in particular in the radial direction, for example, to wall thicknesses below 1 mm, preferably below 0.5 mm.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a device 110 according to the invention and a temperature sensor 114 according to the invention, which represents a modification of the embodiment in FIG. Accordingly, reference may largely be made to the above description.
  • the temperature sensor 114 has a sensor body 124 and a measuring head 128.
  • the temperature sensor 114 has a sensor body 124 and a measuring head 128.
  • the measuring head 128 can also be reduced in this embodiment with a reduced compared to the sensor body 124
  • Diameter be configured. For example, a diameter reduction may be made to two thirds of the diameter of the sensor body 124 or less.
  • the measuring head 128 may in turn be surrounded by a protective sleeve 173, which may in principle be formed integrally with the jacket 166 of the sensor body 124, which, however, may also be connected only to this jacket 166 or otherwise connected to the sensor body 124, for example analogously to the embodiments in FIGS. 8A to 9.
  • the surface 142 of this protective sleeve 172 in particular the circumferential surface 142 and / or the front-side surface 142, in turn, be structured by means of one or more turbulator elements 144. In this as well as in others
  • Embodiments may also include one or more additional ones between the protective sleeve 172 and the sensor body 124, for example the jacket 166
  • Isolator elements may be arranged. Again, the temperature sensor 114 has at least one sensor element 130 at a measuring point 162, for example according to the embodiment in FIGS. 8A to 9 or according to other embodiments. For example, NTCs, PCTs, resistors, thermocouples or other types of sensor elements 130 may be used again.
  • Sensor element 130 is heated as quickly as possible or cooled as quickly as possible.
  • the amount of energy to be transported is proportional to the product of mass and specific heat capacity of the area to be cooled or heated. To keep this area as small as possible, its dimensions must be reduced.
  • this region of the measuring head 128 should, as in the preceding embodiments, be thermally decoupled from the sensor body 124, for example the shaft of the temperature sensor 114. This prevents energy from flowing into the sensor body 124 to heat up and not being available for heating, or, in the reverse case, energy flowing from the sensor body 124 and retarding the cooling of the sensing head 128 area.
  • the thermal decoupling can also take place in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • a gap between the sensor element 130 and the protective sleeve 172 can be completely or partially filled with a filling material 184.
  • This filling material 184 can be, for example, a metallic and / or ceramic filling material and / or a plastic filling material.
  • the filling material 184 may be introduced into the intermediate space, for example in the form of a powdery filling material, and / or in another manner, for example in the form of a liquid or viscous one
  • FIGS. 5A to 6G combine so that these turbulator elements 144 can optionally also be applied, for example, to the diameter-reduced measuring head 128 according to the exemplary embodiments according to FIGS. 8A to 10.
  • the insulating element 180 and / or the coupling element 168 can be integrated into the exemplary embodiments according to FIGS. 5A to 6G or into other exemplary embodiments of the concept C).

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst mindestens einen Temperaturfühler (114), welcher eingerichtet ist, um in die Strömung des fluiden Mediums eingebracht zu werden. Der Temperaturfühler (114) weist einen Fühlerkörper (124) und einen in das fluide Medium hineinragenden Messkopf (128) auf. In dem Messkopf (128) ist mindestens ein Sensorelement (130) zur Erfassung einer Temperatur aufgenommen. Der Messkopf (128) weist auf mindestens einer dem fluiden Medium zuweisenden Oberfläche (142) mindestens ein Turbulatorelement (144) auf, welches eingerichtet ist, um bei in die Strömung des fluiden Mediums eingebrachtem Temperaturfühler (114) einen Umschlag von einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung an der Oberfläche (142) zu bewirken.

Description

„
Beschreibung Titel
Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums Stand der Technik Die Temperatur ist eine wichtige Messgröße in zahlreichen technischen Anwendungen und Prozessen, welche mittels entsprechender Vorrichtungen erfasst werden muss. Beispielsweise spielt die Temperatur bei einer Steuerung und/oder Regelung in der Verfahrenstechnik, beim Bauteilschutz oder bei ähnlichen Anwendungen eine wichtige Rolle. Dementsprechend sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Sensoren zur Erfassung einer Temperatur fluider Medien, wie beispielsweise Gasen oder
Flüssigkeiten, bekannt. Exemplarisch kann diesbezüglich auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 96-105 verwiesen werden. Die dort dargestellten Messprinzipien zur Erfassung der Temperatur sind grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar. Insbesondere kann eine elektrische Temperaturmessung erfolgen, beispielsweise mittels Thermoelementen, die den
Seebeck- Effekt ausnutzen. Alternativ oder zusätzlich können auch Widerstands- Temperaturfühler oder andere Arten von Temperaturfühlern eingesetzt werden.
Obwohl die Temperaturmessung, insbesondere die elektrische Temperaturmessung, beispielsweise mittels Thermoelementen, seit über 100 Jahren ein geeignetes
Messprinzip zur Erfassung von Temperaturen bietet, bleibt die individuelle
Messanforderung technischer Anwendungen in vielen Fällen eine große
Herausforderung, insbesondere bezüglich der Messgenauigkeit, der Messdynamik, der Temperaturobergrenzen und/oder der Langzeitstabilität.
Zur Messung der Temperatur von strömenden fluiden Medien werden häufig
Temperaturfühler eingesetzt, welche zumeist als stabförmig ausgeführte Fühler ausgestaltet sind und mit dem fluiden Medium in Kontakt gebracht werden. Durch verschiedene Mechanismen der Wärmeübertragung (beispielsweise Konvektion, Wärmeleitung, oder Strahlung) wird dem Fühler thermische Energie zugeführt und/oder von diesem abgeführt, wodurch der Fühler eine Temperatur ähnlich der
Fluidtemperatur annimmt. Innerhalb des Fühlers ist in der Regel ein Sensor platziert, „
beispielsweise ein Thermoelement, ein Widerstand mit negativem
Temperaturkoeffizienten (NTC), ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), ein Widerstand oder ähnliches. Der Sensor erzeugt aufgrund seiner
thermophysikalischen Eigenschaften ein der Temperatur zugeordnetes elektrisches Signal. Dieses wird in einer angeschlossenen Elektronik weiterverarbeitet.
Aus US 2007/0195857 AI sind ein Temperatursensor und ein Verfahren zur
Herstellung desselben bekannt. Der Temperatursensor weist eine Fixierung auf, mittels derer der Sensor senkrecht in ein Gehäuse eines Strömungsrohrs eingebracht werden kann. Weiterhin weist der Sensor einen Sensorkopf mit einer Vielzahl von
rotationssymmetrisch um eine Sensorachse angeordneten Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche des Sensorkopfs zum Zweck einer Verbesserung eines
Wärmeübertrags zwischen dem Temperatursensor und dem fluiden Medium auf. Trotz der aus dem Stand der Technik bekannten Verbesserungen von
Temperaturfühlern hinsichtlich deren Genauigkeit besteht weiterhin ein
Optimierungsbedarf dieser Temperaturfühler, insbesondere hinsichtlich ihrer
Genauigkeit sowie ihrer Dynamik, beispielsweise bei schnellen Temperaturwechseln. Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen
Herausforderungen adressiert und insbesondere eine verbesserte Genauigkeit hinsichtlich der Temperaturmessung und eine verbesserte Dynamik bietet. Die
Vorrichtung ist eingerichtet zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Temperaturfühler, welcher eingerichtet ist, um in die Strömung des fluiden Mediums eingebracht zu werden. Zu diesem Zweck kann der Temperaturfühler beispielsweise mindestens eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung in einer Rohrwandung eines Strömungsrohrs des fluiden Mediums aufweisen. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Gewinde handeln, mittels derer der Temperaturfühler oder ein Teil des Temperaturfühlers in die Rohrwandung eingeschraubt werden kann. Die Befestigungsvorrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die Befestigung des
Temperaturfühlers in der Rohrwandung mediendicht und/oder druckdicht erfolgt. Die Einbringung kann vorzugsweise derart erfolgen, dass der Temperaturfühler im „
Wesentlichen senkrecht zur Rohrwand in dieselbe eingebracht wird, also mit einer Abweichung von vorzugsweise weniger als 20°, insbesondere weniger als 10° und besonders bevorzugt weniger als 5° zur Rohrwand, beispielsweise zu einer Achse des Strömungsrohrs.
Der Temperaturfühler kann beispielsweise als Messfinger ausgestaltet sein, welcher ganz oder teilweise in die Strömung des fluiden Mediums hineinragt. Der
Temperaturfühler weist einen Fühlerkörper und einen in das fluide Medium
hineinragenden Messkopf auf. Beispielsweise kann der Fühlerkörper im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sein und in den Messkopfenden, oder der Messkopf kann am dem fluiden Medium zuweisenden Ende auf den Fühlerkörper aufgebracht sein. In dem Messkopf ist mindestens ein Sensorelement zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums aufgenommen. Bei dem Sensorelement kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere der oben beschriebenen Temperatursensoren handeln, beispielsweise ein elektrisches Sensorelement, beispielsweise einen
Temperaturmesswiderstand, einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten, einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, ein Thermoelement
(beispielsweise ein auf dem Seebeck- Effekt basierendes Thermoelement) oder eine andere Art von Sensorelement. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Sensorelemente aufgenommen sein, beispielsweise mehrere Sensorelemente in dem
Messkopf und/oder auch an anderen Stellen innerhalb der Vorrichtung. Zusätzlich zu dem mindestens einen Sensorelement zur Erfassung der Temperatur können weitere Sensorelemente aufgenommen sein, beispielsweise ein oder mehrere Sensorelemente zur Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Der Messkopf weist auf mindestens einer dem fluiden Medium zuweisenden
Oberfläche mindestens ein Turbulatorelement auf. Ein Turbulatorelement ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiges Element, welches eingerichtet ist, um eine Turbulenz in der Strömung des fluiden Mediums zu bewirken.
Das Turbulatorelement, wobei dieses Turbulatorelement auch mehrere
Turbulatorelemente umfassen kann und/oder mehrteilig ausgebildet sein kann, ist eingerichtet, um bei in die Strömung des fluiden Mediums eingebrachtem
Temperaturfühler einen Umschlag von einer laminaren Strömung des fluiden Mediums in eine turbulente Strömung an der Oberfläche zu bewirken. Durch die Herbeiführung der Turbulenz wird - im Gegensatz zu herkömmlichen, laminaren Umströmungen des Temperaturfühlers - eine Durchmischung Oberflächen-naher Schichten des fluiden Mediums mit von der Oberfläche entfernten Schichten des fluiden Mediums bewirkt. Hierdurch wird ein verbesserter Temperaturaustausch des fluiden Mediums mit dem Messkopf und damit mit dem Sensorelement bewirkt, was insgesamt die Anbindung und die Dynamik der Messung deutlich verbessert. Die aus US 2007/0195857 AI bekannten Rippen, welche bei senkrechter Einbringung des dort beschriebenen Sensors in die Strömung des fluiden Mediums parallel zur Strömung des fluiden Mediums ausgerichtet sind, bewirken hingegen keine derartige Turbulenzbildung und somit keine entsprechende Durchmischung und weisen somit die beschriebenen Vorteile nicht auf.
Das Turbulatorelement kann insbesondere eine Mikrostruktur umfassen. Die
Mikrostruktur kann insbesondere eine Mehrzahl von Strukturelementen, d.h.
Erhebungen und/oder Vertiefungen von bzw. in der Oberfläche, umfassen. Die Strukturtiefe, d.h. die maximale Höhe der Erhebungen bzw. die maximale Tiefe der Vertiefungen der Strukturelemente, überschreitet dabei vorzugsweise 50 μηη nicht, besonders bevorzugt 10 μηη. Die mittlere Strukturtiefe der Strukturelemente kann insbesondere 0,5 bis 5 μηη betragen und besonders bevorzugt 1 bis 2 μηη.
Das Turbulatorelement kann insbesondere eine oder mehrere der folgenden
Turbulatorelemente oder Strukturelemente umfassen: Erhebungen, wobei mindestens eine der Erhebungen von dem fluiden Medium derart angeströmt wird, dass die Erhebung als Turbulatorelement wirkt; Vertiefungen, wobei mindestens eine der Vertiefungen von dem fluiden Medium derart angeströmt wird, dass die Vertiefung als Turbulatorelement wirkt. Auch eine Kombination mehrerer der genannten
Turbulatorelemente ist denkbar.
Weiterhin kann das Turbulatorelement insbesondere ausgewählt sein aus: einem Draht, insbesondere einem Stolperdraht, vorzugsweise einem Drahtkorb mit mehreren Stolperdrähten; einer Nadel, insbesondere einer konisch oder abgerundet zulaufenden Nadel, insbesondere einer Mehrzahl von nadeiförmigen oder spitzenförmigen
Erhebungen; einer keilförmigen langgestreckten Erhebung, insbesondere einer Mehrzahl von im Wesentlichen achsparallel ausgerichteten keilförmigen Erhebungen; einer langgestreckten Vertiefung, insbesondere einer Nut oder Rille mit abgerundetem und/oder eckigem Profil; einer punktförmigen Erhebung, insbesondere einer Erhebung mit rundem oder eckigem Querschnitt, insbesondere einer Mehrzahl von punktförmigen
Erhebungen; einer punktförmigen Vertiefung, insbesondere einer Vertiefung mit rundem oder eckigem Querschnitt, insbesondere einer Mehrzahl von punktförmigen Vertiefungen oder einem Golfballmuster; einem Gitter mit mehreren einander kreuzenden Erhebungen; einem Gitter mit mehreren einander kreuzenden
Vertiefungen; einem Wabenmuster; einem Rändel, insbesondere einem Rändel mit achsparallelen Riefen, einem Rechtsrändel, einem Linksrändel, einem Links- Rechts - Rändel oder einem Kreuzrändel; einer Abrisskante, insbesondere einer Abrisskante mit einem Winkel von mindestens 30°; einer rautenförmigen Erhebung; einer
rautenförmigen Vertiefung; einer Pyramide. Auch eine Kombination der genannten Elemente und/oder anderer Elemente ist möglich.
Das Turbulatorelement kann als ein oder mehrere Strukturelemente insbesondere ein Gitter mit mindestens zwei einander kreuzenden langgestreckten Strukturelementen, beispielsweise Erhebungen und/oder Vertiefungen, beispielsweise in Form von langgestreckten, keilförmigen Erhebungen und/oder langgestreckten Nuten und/oder Rillen, umfassen. Auch eine Kombination ist möglich.
Der Messkopf kann insbesondere eine im Wesentlichen abgerundete Gestalt aufweisen, wobei das Turbulatorelement im Bereich der Abrundung angeordnet ist. Die Abrundung soll dabei zu verstehen sein unter Ausnahme der Störungen durch das Turbulatorelement, wodurch eine lokal von einer Abrundung abweichende Gestalt gegeben sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Messkopf auch eine
zylindrische Form aufweisen und/oder einen Abschnitt mit einem reduzierten
Durchmesser umfassen, wie unten exemplarisch noch näher erläutert wird.
Es können insbesondere mehrere Turbulatorelemente oder mehrere Strukturelemente des Turbulatorelements mit einer Symmetrie zu einer Achse des Temperaturfühlers angeordnet sein. Beispielsweise kann eine mehrzählige Symmetrie gegeben sein. Das Turbulatorelement kann insbesondere als unterbrochenes Turbulatorelement ausgestaltet sein und mehrere Strukturelemente umfassen, wobei die Strukturelemente derart zueinander angeordnet sind, dass das anströmende fluide Medium an den Strukturelementen einen wiederholten Strömungsabriss erfährt.
In einem weiteren Aspekt, welcher auch mit den oben beschriebenen Aspekten der vorliegenden Erfindung kombiniert werden kann, kann die Vorrichtung weiterhin dahingehend weitergebildet werden, dass das Sensorelement derart in dem Messkopf aufgenommen ist, dass dieses zumindest weitgehend thermisch von dem Fühlerkörper entkoppelt ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass ein Wärmeübertrag von dem Sensorelement zum Fühlerkörper, also beispielsweise in einer axialen Richtung eines „
langgestreckten Fühlerkörpers oder Messfingers, geringer ist als innerhalb einer gleichen Übertragungsstrecke innerhalb des Fühlerkörpers selbst. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwischen dem Fühlerkörper und dem
Sensorelement mindestens ein Isolationselement angeordnet ist, welches eingerichtet ist, um eine Wärmeübertragung von dem Sensorelement auf den Fühlerkörper zu unterdrücken. Das Isolationselement kann beispielsweise ausgewählt sein aus einem Element mit geringer thermischer Leitfähigkeit, insbesondere einer Isolationsschicht und/oder einer Isolationshülse und einem Luftspalt, oder allgemeiner einem Gasspalt, also beispielsweise einem Spalt, welcher mit einem Schutzgas gefüllt ist.
Um den Wärmeübertrag zwischen dem Sensorelement und dem umgebenden fluiden Medium zu verbessern, kann der Messkopf auch zumindest teilweise von einer thermisch leitfähigen Schutzhülse umgeben sein. Diese kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem thermisch leitfähigen Material hergestellt sein, beispielsweise einem dünnwandigen Material. Beispielsweise kann es sich dabei um einen thermisch leitfähigen Kunststoff handeln und/oder ein Metall. Die Schutzhülse kann
beispielsweise eine Dicke von weniger als 1 mm aufweisen. Insbesondere kann die Dicke der Schutzhülse geringer sein als die Wandstärke beispielsweise eines Mantels des Fühlerkörpers.
Der Messkopf kann im Vergleich zu dem Fühlerkörper einen geringeren Durchmesser aufweisen. Dies bedeutet allgemein, dass eine Abmessung des Messkopfs, welche für einen Wärmeübertrag zwischen Sensorelement und fluidem Medium verantwortlich ist, geringer ausgestaltet sein kann als eine entsprechende Abmessung des
Fühlerkörpers. Sind Fühlerkörper und Messkopf beispielsweise langgestreckt, insbesondere zylindrisch ausgestaltet, so kann beispielsweise der Messkopf als Abschnitt des Temperaturfühlers mit verringertem Durchmesser ausgestaltet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Der Messkopf kann im Bereich des Sensorelements in radialer Richtung zumindest weitgehend spaltfrei ausgestaltet werden. Diese spaltfreie Ausgestaltung kann beispielsweise mittels einer Presspassung und/oder eines Formschlusses und/oder mittels mindestens eines Füllmaterials (beispielsweise einer Wärmeleitpaste und/oder einer Flüssigkeit, beispielsweise eines flüssigen Metalls) zwischen zwei oder mehreren Komponenten des Messkopfs erfolgen, beispielsweise mittels eines Formschlusses zwischen dem Sensorelement und einem Koppelelement, beispielsweise einer Koppelhülse oder einer Koppelröhre, und/oder durch eine Presspassung zwischen einer Schutzhülse und dem Sensorelement und/oder einem Koppelelement.
Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich und werden unten exemplarisch näher beschrieben. Das Sensorelement kann direkt oder indirekt und vollständig oder zumindest teilweise optional in mindestens einem Koppelelement aufgenommen sein. Dieses
Koppelelement kann insbesondere ausgestaltet sein, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Sensorelement und dem fluiden Medium im Vergleich zu einem
Wärmeaustausch zwischen dem Sensorelement und dem Fühlerkörper zu
begünstigen. Insbesondere kann durch das Koppelelement beispielsweise ein
Wärmeübertrag in radialer Richtung zwischen dem Sensorelement und dem fluiden Medium oder in umgekehrter Richtung begünstigt werden. Das Koppelelement kann, beispielsweise mittels des oben beschriebenen mindestens einen Isolationselements, von dem Fühlerkörper thermisch entkoppelt sein. Das Koppelelement kann
beispielsweise mindestens einen Werkstoff mit einer oder mehreren der folgenden
Eigenschaften aufweisen: einen Werkstoff mit geringerer Dichte als die
durchschnittliche Dichte der Werkstoffe des Fühlerkörpers in einem an den Messkopf angrenzenden Bereich; einen Werkstoff mit geringerer spezifischer Wärmekapazität als die durchschnittliche spezifische Wärmekapazität der Werkstoffe des Fühlerkörpers in einem an den Messkopf angrenzenden Bereich; einen Werkstoff mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als die durchschnittliche thermische Leitfähigkeit der
Werkstoffe des Fühlerkörpers in einem an den Messkopf angrenzenden Bereich. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich oder Kombinationen der genannten und/oder weiterer möglicher Ausgestaltungen.
Das Koppelelement kann einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Koppelelement ausgewählt sein aus: einer das Sensorelement zumindest teilweise umschließenden Hülse (beispielsweise einer zylinderförmigen Hülse oder einem Röhrchen) aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere einem keramischen Werkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit; einer das Sensorelement zumindest teilweise umschließenden Hülse aus einem Kunststoffwerkstoff, insbesondere einem Kunststoffwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit; einer das Sensorelement zumindest teilweise umschließenden Hülse aus einem metallischen Werkstoff; einer das Sensorelement zumindest teilweise umschließenden Schmelzperle, insbesondere einer Schmelzperle aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem
Kunststoffwerkstoff und/oder einem Glaswerkstoff; einem Füllmaterial in einem
Zwischenraum zwischen dem Sensorelement und einer den Messkopf zumindest n
teilweise umschließenden Schutzhülse, beispielsweise einer einteiligen oder mehrteiligen Schutzhülse.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 verschiedene Einbausituationen üblicher Temperaturfühler;
Figuren 2A bis 2C Strömungsverhältnisse und thermische Verhältnisse oberhalb einer von einem fluiden Medium überströmten Oberfläche;
Figur 3 verschiedene Mechanismen eines Wärmeaustauschs im Bereich eines Temperaturfühlers; Figur 4 Wärmeaustausch eines Sensorelements eines Temperaturfühlers mit der Umgebung;
Figuren 5A bis 5H verschiedene Ausgestaltungen eines Messkopfs eines
erfindungsgemäßen Temperaturfühlers;
Figuren 6A bis 6G verschiedene Ausgestaltungen eines Messkopfs eines
Temperaturfühlers mit einem Rändel;
Figur 7 einen typischen Aufbau eines Messkopfs eines Temperaturfühlers mit einem Sensorelement;
Figuren 8A und 8B verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels eines Temperaturfühlers; und Figuren 9 und 10 weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Temperaturfühlers. n
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen 110 zur Erfassung einer Temperatur eines fluiden Mediums beschrieben. Das fluide Medium kann beispielsweise ein Gas sein, welches durch ein Strömungsrohr 112 gemäß Figur
1 strömt. Beispielsweise kann es sich hierbei um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln. Dabei sind in Figur 1 zwei verschiedene Einbausituationen eines
Temperaturfühlers 114 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 in das Strömungsrohr 112 gezeigt. Mit der Bezugsziffer 116 ist dabei die Strömungsrichtung des fluiden Mediums, also die Richtung der Anströmung und/oder die Richtung des Haupt-
Massentransports an fluidem Medium durch das Strömungsrohr 112, gezeigt.
Dargestellt ist dabei in Figur 1 einmal ein gewinkelt ausgestalteter Temperaturfühler 114, welcher gerade in das Strömungsrohr 112 eingebaut wird (linker Temperaturfühler 114 in Figur 1) und ein gerade ausgestalteter Temperaturfühler 114 (rechte
Darstellung), welcher an einer Krümmung des Strömungsrohrs 112 entgegen der
Hauptströmungsrichtung 116 in das Strömungsrohr 112 eingebaut werden kann.
Die Temperaturfühler 114 sind zumeist, wie in Figur 1 dargestellt, stabförmig ausgestaltet und werden beispielsweise auf die in Figur 1 dargestellten Weisen mit dem fluiden Medium in Kontakt gebracht. Durch verschiedene Mechanismen der
Wärmeübertragung, beispielsweise Konvektion und/oder Wärmeleitung und/oder Strahlung, wird dem Temperaturfühler 114 Energie zugeführt oder Energie von diesem abgeführt, wodurch dieser eine Temperatur ähnlich der Fluidtemperatur annimmt. Innerhalb der Temperaturfühler 114 ist jeweils ein Sensorelement angeordnet (in Figur 1 nicht erkennbar), bei welchem es sich beispielsweise um ein Thermoelement, einen
NTC (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten), einen PTC (Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten), einen gewöhnlichen thermischen Widerstand oder ein ähnliches Sensorelement handeln kann, wobei das Sensorelement aufgrund seiner thermophysikalischen Eigenschaften ein der Temperatur zugeordnetes Signal, beispielsweise ein elektrisches Signal, erzeugen kann. Dieses wird vorzugsweise in einer optional angeschlossenen Elektronik in der Regel weiterverarbeitet, welche in Figur 1 nicht dargestellt ist und welche ebenfalls Bestandteil der Vorrichtung 110 sein kann oder welche auch als externe Elektronik ausgestaltet sein kann. Die in Figur 1 dargestellten Einbaumöglichkeiten der Temperaturfühler 114 finden beispielsweise im Anlagenbau Verwendung. Dabei werden die Anlagen meist in quasi-stationären
Betriebszuständen betrieben, und die Temperaturen ändern sich kaum, und wenn Veränderungen auftreten sollten, so finden diese vergleichsweise langsam statt. Im Gegensatz hierzu stellt die Messung der Temperatur von Abgasen, beispielsweise aus thermischen Kolben- oder Strömungsmaschinen, beispielsweise aus Gründen des Bauteilschutzes in der Regel sehr hohe Anforderungen an die Messtechnik und damit auch an die Temperaturfühler 114. Die beiden Hauptforderungen an derartige
Temperaturfühler 114, beispielsweise für den Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik, bestehen in der Regel in einer hohen Messgenauigkeit, also einer geringen
Abweichung zwischen tatsächlicher Fluidtemperatur und vom Temperaturfühler 114 angezeigter Temperatur, sowie in einer hohen Dynamik. Eine hohe Dynamik bedeutet in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, schnelle Änderungen der Gastemperatur mit dem Temperaturfühler 114 mit möglichst geringer Verzögerung und hoher
Genauigkeit auflösen zu können. Zusätzlich ist in vielen Fällen eine freie Wahl der Einbauposition oder Verbauposition gewünscht. Aus montagetechnischer Sicht sind gerichtete Einbauten wie die in Figur 1 gezeigte gebogene Ausführung unerwünscht. Meist wird ein Einbau senkrecht zu einer Rohrwandung 118 des Strömungsrohrs 112 am Einbauort in gerader Ausführung des Temperaturfühlers 114 gefordert oder gewünscht.
Ungenauigkeiten in der Temperaturmessung sowie eine geringe Dynamik führen zu einem hohen Applikationsaufwand oder sogar zum Ausschluss des Messverfahrens für bestimmte Anwendungen. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen am
Temperaturfühler 114 kann erfindungsgemäß die Genauigkeit und die Dynamik gesteigert werden. Dies soll im Rahmen der nachfolgend gezeigten
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen 110 und Temperaturfühler 114 erläutert werden.
In Abgasanlagen kommt es aufgrund der hohen Temperaturen in der Regel verstärkt zu einem Energieaustausch durch Konvektion und Strahlung zwischen der
Abgasanlage, dem darin verbauten Temperaturfühler 114 und der Umgebung. Die Wärmeabgabe des heißen Temperaturfühlers 114 als Messfühler an die kältere Umgebung oder im umgekehrten Fall die Wärmeaufnahme aus der heißeren
Umgebung führt zu einer systembedingten Abweichung der von der Vorrichtung 110 angezeigten Temperatur von der tatsächlichen Fluidtemperatur. Ebenso führt diese Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme zu einem verzögerten Ansprechverhalten der Vorrichtung 110. Durch eine gezielte Beeinflussung des Energietransports können die Wärmeabgabe und/oder die Wärmeaufnahme an die Umgebung bzw. aus der
Umgebung verringert und die Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe an das eigentliche Sensorelement erhöht werden. Hierdurch werden sowohl die Messgenauigkeit als auch die Dynamik der Temperaturmessung erhöht.
In Figur 3 sind schematisch die Einbausituation eines Temperaturfühlers 114 und die auftretenden Energieströme dargestellt. Gezeigt ist hierbei ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlers 114, welcher einen an einer Durchführung 120 mit Fixierung 122, beispielsweise einer Verschraubung, vorzugsweise mit Dichtwirkung, durch eine Rohrwandung 118 eines Strömungsrohrs 112 durchgeführten Fühlerkörper 124 aufweist. Der Fühlerkörper 124 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zu einer Rohrachse 126 des Strömungsrohrs und/oder im Wesentlichen senkrecht zur Rohrwandung 118 ausgerichtet. Der Fühlerkörper 124 mündet in einem abgerundeten Messkopf 128, welcher in diesem Ausführungsbeispiel sich nahtlos an den Fühlerkörper 124 anschließt und einstückig mit diesem ausgebildet ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen der Messkopf 128 von dem Fühlerkörper 124 abgesetzt ausgestaltet ist. In dem Messkopf 128 ist ein Sensorelement 130 zur Erfassung der Temperatur des Fluids aufgenommen. Das Sensorelement ist in einer vergrößerten Darstellung in Figur 4 gezeigt. Die Energieströme, welche bei der Wärmeübertragung auftreten, sind in den Figuren 3 und 4 jeweils mit Pfeilen charakterisiert. Dabei bezeichnen die Bezugsziffern 132 Wärmeübertragungen durch Konvektion, die Bezugsziffern 134 Wärmeübertrag durch Wärmeleitung, und die Bezugsziffern 136 Wärmeübertrag durch Strahlung. Weiterhin sind in Figur 3 verschiedene Temperaturen bezeichnet, nämlich mit Tu die Temperatur der Umgebung, mit Tw>a die Temperatur der Rohrwandung 118 auf der Außenseite, also der dem fluiden Medium abgewandten Seite, mit Tw,i die Temperatur auf der Innenseite der Rohrwandung 118, also auf der dem fluiden Medium zugewandten Seite, mit TA die Temperatur des Abgases bzw. des fluiden Mediums, mit TK die Temperatur des Temperaturfühlers 114 im Bereich eines Kabelabgangs und mit Ts die Temperatur des Temperaturfühlers 114 an dessen Spitze, im Bereich des Messkopfs
128.
Wenn die Abgastemperatur höher ist als die Sensortemperatur bzw. Ts, so findet Wärmeübertragung in der Regel durch Konvektion vom Abgas in den Temperaturfühler 114 über die gesamte Außenfläche des ins Abgas ragenden Temperaturfühlers 114 statt. Im Bereich der Befestigung des Temperaturfühlers 114 in der Rohrwandung 118 hat dieser einen guten thermischen Kontakt zur Rohrwandung 118. Aufgrund von Wärmeleitung findet ein Wärmeabfluss in die Rohrwandung 118 statt. Da die
Wandtemperatur in der Regel geringer als die Abgastemperatur ist, wird Wärme durch Leitung in axialer Richtung des Temperaturfühlers 114 transportiert. Es findet ebenfalls ein Strahlungswärmeaustausch zwischen der heißeren Mantelfläche des
Temperaturfühlers und der kälteren Innenwand des Strömungsrohrs 112 statt (siehe a) in Figur 3). Der in die Umgebung ragende Teil des Temperaturfühlers 114 erfährt in der Regel eine konvektive Kühlung durch die geringere Umgebungstemperatur sowie eine Zufuhr von Wärme durch Strahlungsaustausch mit der heißeren Außenwand des Strömungsrohrs 112 (siehe b) in Figur 3). Eventuell tragen weitere, externe
Strahlungsquellen (z.B. heiße Oberflächen eines Abgas-Turboladers, ein Katalysator oder ähnliches) zusätzlich Energie ein (siehe c) in Figur 3). Durch Wärmeleitung findet weiterhin ein Energietransport in Richtung einer Achse 138 des Temperaturfühlers 114 hin zum Kabelabgang statt. Im Fall eines schnellen Wechsels zu kaltem Abgas findet Wärmeübertragung durch
Konvektion von Temperaturfühler 114 an das fluide Medium bzw. das Abgas statt, in der Regel über die gesamte Außenfläche des ins Abgas ragenden Temperaturfühlers 114. Im Bereich der Befestigung bzw. Fixierung 122 des Temperaturfühlers 114 in der Rohrwandung 118 fließt Wärme von der noch heißen Rohrwandung 118 in den Fühlerkörper 124 des Temperaturfühlers 114, welcher auch als Schaft ausgestaltet sein kann, in Richtung der Position des Sensorelements 130 nach. Es findet ebenfalls Strahlungswärmeaustausch zwischen der kälteren Mantelfläche des Temperaturfühlers und der nun heißeren Innenwand des Abgasrohrs statt. Der in die Umgebung ragende Teil des Temperaturfühlers 114 erfährt weiterhin eine konvektive Kühlung durch die geringere Umgebungstemperatur sowie eine Zufuhr von Wärme durch
Strahlungsaustausch mit der heißeren Außenwand des Strömungsrohrs 112. Eventuell tragen weitere externe Strahlungsquellen (beispielsweise heiße Oberflächen von Abgasturboladern, Katalysatoren oder ähnlichem) zusätzlich Energie ein. Durch die Wärmeleitung findet weiterhin ein Energietransport in Richtung der Achse 138 des Temperaturfühlers 114 hin zum Kabelabgang statt.
In Figur 4 sind schematisch die Energieströme im Bereich der sensitiven Spitze des Temperaturfühlers 114 dargestellt. Das eigentliche Sensorelement 130 erfährt eine Zufuhr und/oder Abfuhr von Wärme, die durch die Umgebungsbedingungen und die konstruktive Anbindung des Sensorelements 130 an den Temperaturfühler 114 beeinflusst werden. Sobald ein stationärer Zustand erreicht ist, sind die zu- und abgeführten Energieströme im Gleichgewicht, und das Sensorelement 130 hält eine konstante Temperatur. Diese entspricht in der Regel der durch eine Auswerteelektronik der Vorrichtung 110 ermittelten Temperatur. Sie ist jedoch nicht identisch mit der Gastemperatur, was einen systembedingten Messfehler bewirkt.
Zur Steigerung der Messgenauigkeit und der Dynamik der Vorrichtung 110 gilt in der Regel das Prinzip, dass die Energiezufuhr zum Sensorelement 130 bzw. die
Energieabfuhr vom Sensorelement 130 in radialer Richtung, also senkrecht zur Achse 138, möglichst schnell erfolgen muss, wohingegen die Energiezufuhr zum
Sensorelement 130 bzw. die Energieabfuhr vom Sensorelement 130 in axialer Richtung, also parallel zur Achse 138 des Temperaturfühlers 114, möglichst unterbunden werden muss. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Sensorelement 130 eine Änderung der Temperatur möglichst schnell nachvollzieht und die Temperatur des Sensorelements 130 geringstmöglich von der Temperatur des fluiden Mediums abweicht. Die Minimierung der Energieflüsse in axialer Richtung kann beispielsweise durch eine thermische Entkopplung des Sensorelements 130 bzw. des Messkopfs 128 vom Fühlerkörper 124, beispielsweise vom Schaft des Temperaturfühlers 114, über einen Luftspalt oder einen Einsatz eines Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit technisch realisiert werden. Dies wird unten noch näher erläutert. In radialer Richtung hingegen ist eine gute thermische Anbindung des Sensorelements 130 an das fluide Medium und beispielsweise eine Wand des Temperaturfühlers 114 bzw. eine
Minimierung von Luftspalten zu realisieren. Zur Steigerung des radialen
Energietransports der im Idealfall thermisch vom Fühlerkörper 124 entkoppelten Spitze bzw. des Messkopfs 128 des Temperaturfühlers 114 trägt unter anderem eine
Minimierung der Masse und der spezifischen Wärmekapazität des Systems, insbesondere des Messkopfs 128, und eine Maximierung des
Wärmeübergangskoeffizienten und der zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Fläche bei.
Die konstruktive Gestaltung des Temperaturfühlers kann hierzu folgende Beiträge leisten.
A) Thermische Entkopplung des Sensorelements 130 vom Fühlerkörper 128, beispielsweise durch
Luftspaltisolierung und/oder
ein Isolierelement, beispielsweise eine Materialschicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit und/oder eine geringe Wandstärke der das Sensorelement 130 umgebenden Schutzhülse 140; und/oder
Minimierung der Masse und/oder spezifischen Wärmekapazität des Temperaturfühlers 114, insbesondere des Messkopfs 128, und/oder eine Verbesserung des Energietransports im Feststoff des Temperaturfühlers 114, insbesondere des Messkopfs 128, beispielsweise durch:
Verringerung der Abmessungen des Sensorelements 130 und/oder des Temperaturfühlers 114 im Bereich des Einbauorts des
Sensorelements 130 und/oder
Einsatz von Werkstoffen im Nahbereich des Sensorelements mit geringer Dichte und/oder geringer spezifischer Wärmekapazität, jedoch mit hoher Wärmeleitfähigkeit; und/oder
Maximierung des Wärmeübergangs zwischen dem Sensorelement 130 und dem fluiden Medium, beispielsweise durch Verbesserung der thermischen Ankopplung an das fluide Medium, durch Erhöhung des
Wärmeübergangskoeffizienten und/oder durch Erhöhung einer Oberfläche 142 des Temperaturfühlers 114 im Bereich des Messkopfs 128, beispielsweise durch:
Cl) Vergrößerung der zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Oberfläche 132, wie beispielsweise in US 2007/0195857 AI beschrieben, und/oder
C2) Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten durch Störung des Aufbaus einer laminaren hydrodynamischen und thermischen
Grenzschicht durch Verwendung eines oder mehrerer Turbulatorelemente auf dem Temperaturfühler 114, insbesondere dem Messkopf 128. Die Maßnahmen zur Grenzschichtbeeinflussung gemäß C2) zielen dabei in der Regel auf zwei Effekte ab. Zum einen soll der Umschlag in eine turbulente Grenzschicht möglichst früh, d.h. nach kurzer Lauflänge erfolgen. Hierzu dienen Turbulatorelemente, welche exemplarisch in den Figuren 5A bis 5H und 6A bis 6G gezeigt sind und dort mit der Bezugsziffer 144 bezeichnet sind. Diese Turbulatorelemente 144 sind jeweils auf die Oberfläche 142 des Messkopfs 128 aufgebracht bzw. in diese eingebracht und umfassen verschiedene Arten von Strukturelementen 146, also Erhebungen von der Oberfläche 142 und/oder Vertiefungen in der Oberfläche 142. Beispielsweise zeigt Figur 5A ein Turbulatorelement 144 in Form eines Drahtkorbs mit Stolperdrähten, Figur 5B ein Ausführungsbeispiel eines Turbulatorelements 144 in Form von vorstehenden Rippen mit einem zusätzlichen Drahtkorb über die Rundung des Messkopfs 128, Figur 5C ein Ausführungsbeispiel mit einer Mehrzahl von nadeiförmigen Strukturelementen 146, Figur 5D ein Ausführungsbeispiel mit Erhöhungen, die in Form scharfer Kanten parallel zur Achse 138 des Temperaturfühlers 114 verlaufen und als "Stolperfallen" wirken, Figur 5E ein Ausführungsbeispiel mit Abrisskanten durch eckige Form des Messkopfs 128, Figur 5F ein Ausführungsbeispiel mit Rillen mit rundem Querschnitt oder eckigem Querschnitt in einem ansonsten abgerundeten Messkopf 128, Figur 5G ein Ausführungsbeispiel mit punktförmigen, kreisrunden Vertiefungen (Golf ball- Muster) in einem ansonsten abgerundeten Messkopf 128, und Figur 5H ein
Ausführungsbeispiel mit einem Gitter von gekreuzten Nuten, welches beispielsweise auch als "negativ" des Drahtkorbs gemäß Figur 5A ausgestaltet sein kann. Alternativ oder zusätzlich können die Strukturelemente 146 des Turbulatorelements 144 auch beispielsweise Rauten, Nadeln, Pyramiden, andere Arten von Abrisskanten oder allgemein eckige Formen umfassen.
Die Maßnahmen mit dem mindestens einen Turbulatorelement 144 können
beispielsweise in die Vorrichtungen 110 gemäß den Figuren 1, 3 und 4 integriert werden. Die Maßnahmen zur Grenzschichtbeeinflussung zielen dabei in der Regel auf zwei Effekte ab. Zum einen soll der Umschlag in eine turbulente Grenzschicht möglichst früh, d.h. nach kurzer Lauflänge erfolgen. Hierzu dienen die
Turbulatorelemente 144, welche beispielsweise kleine Hindernisse, Vertiefungen, Oberflächenrauigkeiten oder ähnliches umfassen können. Zum anderen soll der Grenzschichtaufbau möglichst ständig neu erfolgen, da der Wärmeübergang hierbei besonders hoch ist. Dies wird beispielsweise durch entsprechend unterbrochene Rippen, Nadeln oder sonstige Formen erreicht, die jeweils eine erneute Anströmung eines separaten Körpers mit entsprechendem Grenzschichtaufbau darstellen. Das Prinzip der Grenzschichtbeeinflussung ist in den Figuren 2A bis 2C erläutert. Figur
2A zeigt dabei die Ausbildung einer fluiddynamischen Grenzschicht bei Überströmung einer Oberfläche 142 in Form einer ebenen Platte. An der festen Wand haftet das Fluid. Mit zunehmender Lauflänge, beginnend an einer Platten-Vorderkante 148, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit kontinuierlich bis auf den Wert in der freien Anströmung zu. Es bildet sich eine laminare Grenzschicht 150 aus, die mit zunehmender Lauflänge anwächst. Innerhalb dieser laminaren Grenzschicht 150 herrscht eine
Schichtenströmung vor, d.h. es findet - im Gegensatz zur meist turbulenten Außenströmung - kein Queraustausch an Impuls und Energie mit Richtung senkrecht zur Oberfläche 142 statt. Bei Erreichen einer kritischen Lauflänge Nkrit findet ein Umschlag des Grenzschichtzustands statt. Es bildet sich eine turbulente Grenzschicht 152 aus, die weiter anwächst. Innerhalb dieser ist ein Austausch von Impuls, Masse und Energie quer zur Hauptströmungsrichtung 116 aufgrund der turbulenten
Schwankungsgeschwindigkeiten möglich. Im Nahbereich der Oberfläche 142 bildet sich eine laminare Unterschicht 154, die jedoch wesentlich dünner als die bisherige laminare Grenzschicht ist. Analog zur fluiddynamischen Grenzschicht bildet sich, wie in Figur 2C dargestellt und in Figur 2B der fluiddynamischen Grenzschicht gegenübergestellt, eine thermische Grenzschicht aus. Für diese gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie für die in Figur 2B dargestellte fluiddynamische Grenzschicht. Innerhalb der laminaren Grenzschicht findet Wärmeübertragung lediglich durch Wärmeleitung durch die Schichten in
Richtung der Wand statt. Die fluiddynamische Grenzschichtdicke ist in Figur 2B mit δ bezeichnet, wohingegen die thermische Grenzschichtdicke in Figur 2C mit δτ bezeichnet ist. Die Kernströmung ist jeweils mit der Bezugsziffer 156 bezeichnet. Je dicker die Grenzschicht anwächst, desto kleiner wird der übertragbare Wärmestrom. Mit dem Umschlag in eine turbulente Grenzschicht setzt ein Anstieg des übertragenen Wärmestroms ein, da die laminare Unterschicht dünner als die laminare Grenzschicht ist und da durch die turbulenten Schwankungsgeschwindigkeiten ständig fluides Medium mit höherer Temperatur in die Nähe der Wand befördert wird.
Die in den Figuren 5A bis 5H dargestellten Ausgestaltungen von Turbulatorelementen 144 auf der Oberfläche 142 des Temperaturfühlers 114, insbesondere im Bereich des
Messkopfs 128, bewirken somit einen früheren Umschlag in eine turbulente
Grenzschicht und einen ständig neuen Aufbau der Grenzschicht. Hierdurch wird der Wärmeübergang besonders hoch ausgestaltet. Die Temperaturfühler 114 werden vorzugsweise derart eingesetzt, dass die Strömungsrichtung 116 des fluiden Mediums quer zu mindestens einer Kante eines Turbulatorelements 144 verläuft. Dies ist bei sämtlichen der in den Figuren 5A bis 5H gezeigten Ausführungsbeispiele gegeben. Weiterhin bewirken die Turbulatorelemente 144, wie aus US 2007/0195857 AI bekannt, zusätzlich eine Vergrößerung der für den Wärmeübertrag zur Verfügung stehenden Oberfläche, zusätzlich zur Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten durch Beeinflussung des Grenzschichtaufbaus gemäß der Figuren 2A bis 2C. Die hier dargestellten Möglichkeiten zur Formgebung der Oberfläche 142 entsprechen teilweise den im großtechnischen Maßstab eingesetzten Mustern zur Steigerung des Wärmeübergangs bei stationär betriebenen Wärmeüberträgern, beispielsweise im Anlagenbau, bei Klimaanlagen oder ähnlichem. Diese wurden jedoch bisher lediglich zur Steigerung des Wirkungsgrads von Wärmeüberträgern, nicht jedoch zur Steigerung der Dynamik und/oder der Messgenauigkeit bei Temperaturfühlern eingesetzt. Eine Übersicht weiterer Formgebungsmöglichkeiten der Turbulatorelemente 144 findet sich beispielsweise bei Ralph L. Webb: "Principles of Enhanced Heat Transfer", John Wiley & Sons, Inc., 1992, S. 231, 241 und 248.
Der Wärmeübergangskoeffizient bei einem umströmten Körper hängt also, wie oben erläutert, sowohl von der Geometrie und Oberflächenstruktur des Körpers als auch von den Umströmungsbedingungen ab. Die Turbulatorelemente 144 in den dargestellten Ausführungsbeispielen sind vorzugsweise als Mikrostruktur aufgebaut und weisen vorzugsweise eine Profiltiefe, d.h. eine maximale Tiefe bzw. Höhe der
Strukturelemente 146, von höchstens 10 μηη, insbesondere 1 bis 2 μηη, auf. Insofern kann eine künstliche Oberflächenrauigkeit durch die Turbulatorelemente 144 mit den
Strukturelementen 146 in Form einer Mikrostruktur bereitgestellt werden, welche für eine ständige Störung der hydrodynamischen und thermischen Grenzschichten sorgt. Dies führt aufgrund des hierdurch erhöhten Impuls- und Energieaustausches zu einer Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten. Die künstlichen Oberflächenrauigkeiten in Form der Turbulatorelemente 144 zeichnen sich dadurch aus, dass ihre
charakteristische Höhe klein ist im Vergleich zu den restlichen Abmessungen des Temperaturfühlers 114, insbesondere des Messkopfs 128. So können die typischen Breiten der Strukturelemente 146 und/oder deren Höhen beispielsweise um
mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 100 und sogar um mindestens einen Faktor 1000 kleiner sein als der Durchmesser des Messkopfs
128 senkrecht zur Achse 138 des Temperaturfühlers 114. Zudem kann die Rauigkeit durch eine geeignete Gestaltung der Strukturelemente 146 sowohl von der Oberfläche 142 nach außen (z.B. in Form der Stolperdrähte bzw. Nadeln gemäß den
Ausführungsbeispielen in den Figuren 5A bis 5D) als auch nach innen (z.B. in Form der Nuten, Dellen, Rillen oder ähnlichem, beispielsweise gemäß den
Ausführungsbeispielen in den Figuren 5F bis 5H) gerichtet sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbulatorelements 144 im Bereich eines Messkopfs 128 eines Temperaturfühlers 114 ist in Figur 6A dargestellt. Hierbei umfasst das Turbulatorelement 144 ein Rändel 158. Unter einem
Rändel ist dabei eine Profilstruktur zu verstehen, welche eine Mehrzahl von parallel verlaufenden Rillen aufweist. Dabei sollte mindestens eine Gruppe von Rillen eine Querkomponente senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 116 des fluiden Mediums aufweisen. Ausgestaltungen dieser Rändel sind in den Figuren 6B bis 6F gezeigt. So zeigt Figur 6B ein Rändel mit achsparallelen Riefen, welche vorzugsweise vollständig senkrecht zur Strömungsrichtung 116 des fluiden Mediums ausgerichtet werden. Ein Querschnitt durch die Riefen ist in Figur 6G gezeigt. Dabei bezeichnet der Buchstabe t genormte Teilungen, welche beispielsweise bei 0,5, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 oder 1,6 mm liegen können, di bezeichnet dabei einen Nennungsdurchmesser, und d2 einen Ausgangsdurchmesser. Bei dem Rändel gemäß Figur 6B kann beispielsweise gelten:
Figure imgf000020_0001
Figur 6C zeigt ein so genanntes Rechtsrändel. Der Winkel α zwischen der Achse 138 und den Riefen kann beispielsweise von 10 bis 50°, vorzugsweise von 20 bis 40° und insbesondere 30° betragen, und es kann gelten: d2 = di - 0,5 ■ t. Entsprechendes gilt auch für ein in Figur 6D dargestelltes so genanntes Linksrändel. In Figur 6E ist ein so genanntes Links- Rechts- Rändel dargestellt, für welches der Winkel α ebenfalls von 10 bis 50°, insbesondere von 20 bis 40 und besonders bevorzugt 30° betragen kann. Für ein erhöhtes Links- Rechts- Rändel kann beispielsweise gelten: d2 = di - 0,67■ t, und für ein vertieftes Links- Rechts- Rändel d2 = di - 0,33 ■ t. In Figur 6F ist schließlich ein so genanntes Kreuzrändel dargestellt, mit einer Mehrzahl von zur Achse 138 parallelen Riefen und einer Mehrzahl von senkrecht zur Achse 138 verlaufenden Riefen. Für ein erhöhtes Kreuzrändel kann beispielsweise gelten: d2 = di - 0,67■ t und für ein vertieftes Kreuzrändel d2 = di - 0,33 ■ t. Die Riefen können beispielsweise einen Riefenwinkel ß aufweisen, der ebenfalls in Figur 6G dargestellt ist. Dieser Riefenwinkel kann beispielsweise 70° bis 110° betragen, insbesondere 80° bis 100° und besonders bevorzugt 90°. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. In jedem Fall der in den Figuren 6B bis 6F dargestellten Turbulatorelemente 144 in Form der Rändel 158 sind jeweils Komponenten senkrecht zur Strömungsrichtung 116 des fluiden Mediums gegeben. Insbesondere im Fall eines Links- Rechts- Rändeis gemäß Figur 6E oder auch im Falle eines Kreuzrändeis gemäß
Figur 6F sind die Rauigkeiten auch senkrecht oder unter einem Winkel zur Anströmung gerichtet.
Wie oben dargestellt, sind die Konzepte A), B) und C) unabhängig voneinander oder auch in beliebiger Kombination A-B, A-C, B-C oder A-B-C realisierbar. Somit sind die in den Figuren 5A bis 6G dargestellten Ausgestaltungen mit Turbulatorelementen 144, welche Realisierungsmöglichkeiten des Konzepts C) darstellen, auch mit den - im Übrigen auch unabhängig von A) realisierbaren - Konzepten B) und/oder C) kombinierbar. Ausführungsbeispiele der Konzepte B) und/oder C) sollen im Folgenden kurz beschrieben werden. Zu diesem Zweck soll anhand einer schematischen
Darstellung in Figur 7 ein typischer Aufbau eines Temperaturfühlers 114 gemäß dem Stand der Technik kurz erläutert werden. Der Temperaturfühler 114 weist wiederum einen Fühlerkörper 124 auf, welcher in diesem Fall übergangslos in einen Messkopf 128 mit einem Sensorelement 130 übergeht. Das Sensorelement 130 ist in diesem Fall beispielsweise als Thermoelement ausgestaltet und entsteht durch die Verbindung zweier metallischer Leiter 160 aus unterschiedlichen Werkstoffen, welche an einer Messstelle 162, die das eigentliche Sensorelement 130 bildet, miteinander verbunden werden. Die verbundenen Leiter 160 (Thermoleiter) werden auch als Thermoelement bezeichnet. Die Verbindung der als Thermoleitungen wirkenden metallischen Leiter 160 wird beispielsweise durch ein Verschweißen und/oder Verlöten erzeugt. Die Metallkombinationen der metallischen Leiter 160 für Thermoleitungen sind in der Regel genormt, so dass verschiedene Thermoelementtypen aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Größe des Durchmessers der Thermoleitungen 160 korreliert mit den Kosten und in der Regel mit der Lebensdauer des Thermoelements.
Der in Figur 7 dargestellte typische Temperaturfühler 114 ist ein so genanntes
Mantelthermoelement. Die Thermoleitungen 160 sind in der Regel in eine keramische
Isolierpackung 164 eingebettet, beispielsweise aus MgO und/oder Al203. Nach außen ist das elektrisch isolierte Thermoelement durch einen Mantel 166 mit einem
Mantelmaterial, beispielsweise Edelstahl und/oder Keramik, vor der Umgebung geschützt. Mantelthermoelemente wie der in Figur 7 exemplarisch dargestellte
Temperaturfühler 114 mit metallischem Mantel werden üblicherweise aus einer so genannten mineralisch isolierten Leitung (MIL) gefertigt, die in nahezu beliebigen Werkstoffkombinationen hinsichtlich der Thermoleitungen 160, des Isoliermaterials der Isolierpackung 164 und des Mantelmaterials des Mantels 166 sowie in unterschiedlich definierten Abmessungen, insbesondere hinsichtlich Durchmesser, Manteldicke, Dicke der Thermoleitungen 160 oder ähnlichen Abmessungen, als Endlosware bezogen werden können. Dabei ist in der Regel zu beachten, dass die maximale
Einsatztemperatur des Mantelthermoelements vom Mantel und Leitungsdurchmesser sowie vom Isolationswiderstand des mineralischen Isolators abhängig ist. Beim
Konfektionieren wird die MIL abgelängt und an einem Ende mineralisches
Isoliermaterial abgetragen, um die eigentlichen Thermoleitungen 160 freizulegen. Die freigelegten Drähte werden zur Messstelle verschweißt, und das fehlende
Isoliermaterial wird wieder aufgefüllt und verdichtet. Anschließend wird das Mantelrohr des Mantels 166 am gleichen Ende verschlossen, beispielsweise durch Schweißen. Am anderen Ende, also an dem dem Messkopf 128 gegenüberliegenden Ende des Temperaturfühlers 114, wird ein Stück des Mantelrohrs entfernt, um die
Thermoleitungen 160 als Anschlussdrähte freizulegen, beispielsweise für einen Stecker, Crimps oder ähnliches.
Die oben beschriebenen Konzepte A) bis C) zur Verbesserung der thermischen Ausgestaltung des Temperaturfühlers 114 lassen sich, einzeln, in beliebiger
Paarkombination oder insgesamt, grundsätzlich auch auf Temperaturfühler 114 mit Thermoelementen analog zur Ausgestaltung gemäß Figur 7 übertragen, bei welchen das eigentliche Sensorelement 130 durch eine Verbindungsstelle zwischen mindestens zwei metallischen Leitern 160 und/oder Thermoleitungen gebildet wird. So lassen sich beispielsweise die Gestaltungen der Oberfläche 142 im Bereich des Messkopfs 128 durch Verwendung eines oder mehrerer Turbulatorelemente 144 auf diese
Ausgestaltung übertragen. Alternativ oder zusätzlich lassen sich auch die Konzepte A) und/oder B) auf dieses Konzept der Temperaturfühler 114 übertragen. Dies soll im Folgenden exemplarisch gezeigt werden.
So kann das Sensorelement 130 insbesondere derart in dem Messkopf 128
aufgenommen sein, dass dieses zumindest weitgehend von dem Fühlerkörper 124 thermisch entkoppelt ist. Dies bedeutet, dass ein Wärmeübertrag zwischen dem Sensorelement 130 und dem umgebenden fluiden Medium durch konstruktive
Ausgestaltung des Messkopfs 128 begünstigt wird, insbesondere im Vergleich zu einem Wärmeübertrag hin zum Fühlerkörper 124, welcher vorzugsweise unterdrückt wird. Dies kann beispielsweise durch eine konstruktive Designanpassung an der
Messstelle 162 erfolgen. Ein Energieaustausch durch Konvektion und Strahlung und damit die Wärmeübertragung zwischen einem in der Vorrichtung 110 verbauten Sensorelement 130 und seiner Umgebung und die Höhe der auftretenden
Temperaturen (insbesondere aufgrund eines Einflusses der Strahlung ab
Temperaturen oberhalb von 500 °C) führen zu einer systembedingten Abweichung der gemessenen Temperatur und der tatsächlich herrschenden Temperatur im Medium. Zusätzlich bewirken die Wärmeübertragung bzw. der Wärmeaustausch ein verzögertes Ansprechverhalten des Temperatursensors 130 an der Messstelle 162. Mittels der oben beschriebenen Konzepte A) bis C) oder zumindest den Konzepten A) und/oder B) lassen sich die Genauigkeit und die Dynamik steigern. So kann die Energiezufuhr zu der Messstelle 162 bzw. die Energieabfuhr von dieser Messstelle 162 in radialer Richtung, also senkrecht zur Achse 138, sehr schnell ausgestaltet werden. Dadurch wird die Temperaturänderung im gesamten Medium mit minimaler zeitlicher
Verzögerung auf die Messstelle 162 übertragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Energiezufuhr zu der Messstelle 162 bzw. dem Sensorelement 130 (was
gleichbedeutend sein soll) und/oder die Energieabfuhr von der Messstelle 162 in axiale Richtung, also parallel zur Achse 138, verhindert oder zumindest vermindert werden.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle 162 und dem fluiden Medium bleibt dadurch möglichst gering. Diese Grundprinzipien und daraus abgeleitete Aspekte können beispielsweise in den im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen realisiert werden. So ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Temperaturfühlers 114 bzw. eines Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 in den Figuren 8A (Teilschnittdarstellung von der Seite) und 8B (teilweise geöffnete perspektivische Darstellung) dargestellt. Wiederum handelt es sich dabei exemplarisch um ein Mantelthermoelement mit dem oben anhand der Figur 7 beschriebenen MIL- Aufbau, mit einem Fühlerkörper 124 und einem Messkopf 128. Die Thermoleitungen sind wiederum mit der Bezugsziffer 160 bezeichnet. Das eigentliche Sensorelement
130 ist wiederum durch eine Verbindung der Leiter 160 an einer Messstelle 130, bei welcher es sich auch um einen ausgedehnteren Messbereich handeln kann, gebildet.
Das Sensorelement 130 ist in dieser Ausgestaltung von einem Koppelelement 168 in Form einer Keramikhülse 170 bzw. eines Keramikröhrchens umgeben. Das
Koppelelement 168 ist seinerseits durch eine dünnwandige, thermisch möglichst leitfähige Schutzhülse 172 bzw. Schutzkappe umgeben, welche einen mechanischen Schutz für das Sensorelement 130 bereitstellt und den Messkopf am Fühlerkörper 124 fixiert. Die Schutzkappe kann an der Stirnfläche des Temperaturfühlers 114 geschlossen oder auch zumindest teilweise geöffnet ausgestaltet sein. Die
Schutzkappe kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit und/oder einem metallischen Material hergestellt sein. Optional können auf der äußeren Oberfläche 142 der Schutzhülse 172 ein oder mehrere
Turbulatorelemente 144 angeordnet sein, beispielsweise gemäß den oben
beschriebenen Ausgestaltungen, welche in den Figuren 8A und 8B nicht dargestellt sind.
Die Fertigstellung des in den Figuren 8A und 8B dargestellten Temperaturfühlers 114 unterscheidet sich von dem anhand der in Figur 7 beschriebenen Stand der Technik wie folgt. Nach einem Ablängen der MIL wird ein Stück des Mantelrohrs 166 entfernt, und die Thermoleitungen 160 werden freigelegt. Die derart freigelegten metallischen Leiter 160 werden vorzugsweise konnpaktiert und/oder zusammengepresst, beispielsweise um einen flächigen Kontakt zwischen den Leitern 160 zu erzeugen. Anschließend werden die MIL mit kompaktierter Messstelle 162 und die Schutzhülse 172 mit eingepresstem Keramikröhrchen bzw. eingepresster Keramikhülse 170, wie in den Figuren 8A und 8B gezeigt, gefügt. Zur MIL hin wird die Schutzhülse 172 mit dem Mantel 166 der MIL verbunden, beispielsweise durch ein Verschweißen.
Wie oben dargestellt, kann eine Stirnseite 174 des Messkopfs 128 geöffnet oder auch geschlossen ausgestaltet sein. An einer geöffneten Stirnseite 174 kann, wie in Figur 9 als optionale Ausgestaltung dargestellt, mit Hilfe beispielsweise eines geeigneten Schweißverfahrens wie z.B. eines Laserschweißens, eine Schmelzperle 176 erzeugt werden, welche ebenfalls Bestandteil des Koppelelements 168 sein kann. Auf diese Weise kann beispielsweise erreicht werden, dass zwischen dem Sensorelement 130 bzw. der Messstelle 162 und dem Keramikröhrchen der Keramikhülse 170 ein im Wesentlichen spaltfreier Übergang, beispielsweise in Form eines Formschlusses 178, entsteht. Es kann somit ein spaltfreier Übergang zwischen dem Sensorelement 130 und dem Koppelelement 168 und vorzugsweise auch der Schutzhülse 172 erzeugt werden. Weiterhin kann, um eine Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung zu vermindern, zwischen dem Sensorelement 130 und dem Fühlerkörper 124 mindestens ein
Isolationselement 180 angeordnet sein. In den dargestellten Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 8A bis 9 kann es sich hierbei beispielsweise um einen Luftspalt
182 handeln. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Arten von
Isolationselementen 180 verwendet werden, beispielsweise eine oder mehrere
Schichten aus einem thermisch isolierenden Material, eine oder mehrere
Isolationshülsen oder ähnliches. Auf diese Weise kann ein Wärmeübertrag in axialer Richtung vermindert werden. Die Stirnseite 174 des Temperaturfühlers 114 gemäß den
Figuren 8A bis 9 kann verschlossen werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise nach den vorangehend beschriebenen Verfahrensschritten die Schutzhülse 172 auf der Stirnseite 174 mit einem Deckel verschweißt werden, oder die Schutzhülse 172 kann von vorneherein als geschlossene Schutzhülse ausgestaltet werden.
Beispielsweise durch das in den Figuren 8A bis 9 beschriebene Fertigungsverfahren, jedoch auch mittels anderer Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, lassen sich die oben beschriebenen Grundprinzipien A) und/oder B) konstruktiv gut umsetzen. So erfolgt eine gute Wärmeleitung in radialer Richtung, also senkrecht zur Achse 138 des Temperaturfühlers 114. Eine gute thermische Anbindung des Sensorelements 130 bzw. der Messstelle 162 zum fluiden Medium wird durch Reduzierung beispielsweise der Luftspalte in radialer Richtung auf ein Minimum erreicht. Dies wird beispielsweise in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Hilfe eines Formschlusses und/oder einer Presspassung zwischen der Schutzhülse 172 und dem Koppelelement 168 und/oder dem Sensorelement 130 erreicht, optional in Kombination mit dem oben beschriebenen optionalen Formschluss zwischen dem Koppelelement 168 und dem Sensorelement 130 über beispielsweise eine Schmelzperle oder eine andere Art von
Formschluss. Zusätzlich werden optional die Masse und/oder die spezifische
Wärmekapazität des Materials des Messkopfs 128 an der Messstelle 162 durch geeignete Miniaturisierung und/oder Materialauswahl verringert oder sogar minimiert. Gleichzeitig kann, alternativ oder zusätzlich, durch eine geeignete Strukturierung der Oberfläche 142 mittels des optionalen mindestens einen Turbulatorelements 144 gemäß Strategie C) der obigen Optionen sowohl die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche als auch der Wärmeübergangskoeffizient maximiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann, wie oben beschrieben, eine thermische Entkopplung in axialer Richtung erfolgen, also parallel zur Achse 138, so dass ein Wärmeübertrag zwischen Messkopf 128 und Fühlerkörper 124 zumindest im Vergleich zu einem durchgehenden Fühlerkörper 124 bei einer einstückigen Ausgestaltung gemäß Figur 7 reduziert wird. Dies kann beispielsweise, wie in Figur 9 dargestellt, mittels einer Luftspaltisolierung erreicht werden. Zusätzlich kann die Wandstärke der Schutzhülse 172, beispielsweise der Schutzkappe, reduziert werden, insbesondere in radialer Richtung, beispielsweise auf Wandstärken unterhalb von 1 mm, vorzugsweise auf unterhalb von 0,5 mm.
In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 und eines erfindungsgemäßen Temperaturfühlers 114 gezeigt, welches eine Abwandlung der Ausgestaltung in Figur 9 darstellt. Dementsprechend kann weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Wiederum weist der Temperaturfühler 114 einen Fühlerkörper 124 und einen Messkopf 128 auf. Wie auch in den
vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen kann der Messkopf 128 auch in diesem Ausführungsbeispiel mit einem im Vergleich zum Fühlerkörper 124 reduzierten
Durchmesser ausgestaltet sein. Beispielsweise kann eine Durchmesserreduzierung auf zwei Drittel des Durchmessers des Fühlerkörpers 124 oder weniger erfolgen. Der Messkopf 128 kann wiederum von einer Schutzhülse 173 umgeben sein, welche grundsätzlich einstückig mit dem Mantel 166 des Fühlerkörpers 124 ausgebildet sein kann, welcher jedoch auch lediglich mit diesem Mantel 166 verbunden sein kann oder auf andere Weise mit dem Fühlerkörper 124 verbunden sein kann, beispielsweise analog zu den Ausgestaltungen in den Figuren 8A bis 9. Optional kann die Oberfläche 142 dieser Schutzhülse 172, insbesondere die umfangsseitige Oberfläche 142 und/oder die stirnseitige Oberfläche 142, wiederum strukturiert sein mittels eines oder mehrerer Turbulatorelemente 144. In diesem wie auch in anderen
Ausführungsbeispielen können zwischen der Schutzhülse 172 und dem Fühlerkörper 124, beispielsweise dem Mantel 166, auch ein oder mehrere zusätzliche
Isolatorelemente angeordnet sein. Wiederum weist der Temperaturfühler 114 mindestens ein Sensorelement 130 an einer Messstelle 162 auf, beispielsweise gemäß der Ausgestaltung in den Figuren 8A bis 9 oder gemäß anderen Ausgestaltungen. So können beispielsweise wieder NTCs, PCTs, Widerstände, Thermoelemente oder andere Arten von Sensorelementen 130 verwendet werden.
Um eine hohe Dynamik der Temperaturmessung zu erreichen, muss das
Sensorelement 130 möglichst schnell erwärmt bzw. möglichst schnell abgekühlt werden. Die hierbei zu transportierende Energiemenge ist proportional zum Produkt aus Masse und spezifischer Wärmekapazität des abzukühlenden bzw. aufzuheizenden Bereichs. Um diesen Bereich möglichst klein zu halten, müssen dessen Abmessungen verringert werden. Zur schnellen Aufheizung bzw. Abkühlung sollte dieser Bereich des Messkopfs 128, wie auch in den vorangehenden Ausführungsbeispielen, thermisch vom Fühlerkörper 124, beispielsweise dem Schaft des Temperaturfühlers 114, entkoppelt werden. Hierdurch wird verhindert, dass Energie zum Aufheizen in den Fühlerkörper 124 abfließt und nicht zur Erwärmung zur Verfügung steht, oder, im umgekehrten Fall, Energie aus dem Fühlerkörper 124 nachfließt und die Abkühlung des Bereichs des Messkopfs 128 verzögert. Die thermische Entkopplung kann auch in dem in Figur 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum über ein oder mehrere Isolationselemente 180 erfolgen, beispielsweise über einen oder mehrere Luftspalte. Um eine möglichst gute thermische Ankopplung zwischen dem Sensorelement 130 und dem umgebenden fluiden Medium zu erreichen, kann ein Spalt zwischen dem Sensorelement 130 und der Schutzhülse 172 vollständig oder teilweise mit einem Füllmaterial 184 ausgefüllt werden. Bei diesem Füllmaterial 184 kann es sich beispielsweise um ein metallisches und/oder keramisches Füllmaterial und/oder ein Kunststoff- Füllmaterial handeln. Das Füllmaterial 184 kann beispielsweise in Form eines pulverförmigen Füllmaterials in den Zwischenraum eingebracht werden und/oder auf andere Weise, beispielsweise in Form eines flüssigen oder zähflüssigen
Füllmaterials 184. Anschließend kann optional eine Aushärtung erfolgen. Auch thermisch leitfähige Kunststoffe, beispielsweise thermisch leitfähige Duroplaste, Elastomere oder Thermoplaste können eingesetzt werden. Die anhand der Figuren 8A bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiele einer Umsetzung der Konzepte A) und/oder B) gemäß der obigen Beschreibung lassen sich auch mit den Ausführungsbeispielen des Konzepts C) gemäß der obigen Beschreibung kombinieren. So lassen sich die Ausführungsbeispiele einzeln oder in Kombination beispielsweise auch mit den Beispielen der Turbulatorelemente 144 gemäß den
Figuren 5A bis 6G kombinieren, so dass diese Turbulatorelemente 144 optional auch beispielsweise auf den im Durchmesser verringerten Messkopf 128 gemäß den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 8A bis 10 aufgebracht werden können. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise auch das Isolationselement 180 und/oder das Koppelelement 168 in die Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 5A bis 6G oder in andere Ausführungsbeispiele des Konzepts C) integriert werden.
Verschiedene Kombinationen sind denkbar.

Claims

Vorrichtung (110) zur Erfassung einer Temperatur eines strömenden fluiden Mediums, umfassend mindestens einen Temperaturfühler (114), wobei der Temperaturfühler (114) eingerichtet ist, um in die Strömung des fluiden Mediums eingebracht zu werden, wobei der Temperaturfühler (114) einen Fühlerkörper (124) und einen in das fluide Medium hineinragenden Messkopf (128) umfasst, wobei in dem Messkopf (128) mindestens ein Sensorelement (130) zur Erfassung einer Temperatur aufgenommen ist, wobei der Messkopf (128) auf mindestens einer dem fluiden Medium zuweisenden Oberfläche (142) mindestens ein
Turbulatorelement (144) aufweist, wobei das Turbulatorelement (144) eingerichtet ist, um bei in die Strömung des fluiden Mediums eingebrachtem Temperaturfühler (114) einen Umschlag von einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung an der Oberfläche (142) zu bewirken.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das
Turbulatorelement (144) eine Mikrostruktur umfasst, wobei die Mikrostruktur eine Mehrzahl von Strukturelementen (146) umfasst, wobei eine Strukturtiefe der Strukturelemente (146) 50 μηη, vorzugsweise 10 μηη, nicht überschreitet.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine mittlere Strukturtiefe der Strukturelemente (146) 0,5 bis 5 μηη beträgt, vorzugsweise 1 bis 2 μηη.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Turbulatorelement (144) ausgewählt ist aus: Erhebungen, wobei mindestens eine der Erhebungen von dem fluiden Medium derart angeströmt wird, dass die Erhebung als Turbulatorelement (144) wirkt; Vertiefungen, wobei mindestens eine der Vertiefungen von dem fluiden Medium derart angeströmt wird, dass die Vertiefung als Turbulatorelement (144) wirkt.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Turbulatorelement (144) ausgewählt ist aus: einem Draht, insbesondere einem Stolperdraht, vorzugsweise einem Drahtkorb mit mehreren Stolperdrähten; einer Nadel, insbesondere einer konisch oder abgerundet zulaufenden Nadel, insbesondere einer Mehrzahl von nadelförmigen oder spitzenförmigen
Erhebungen; einer keilförmigen langgestreckten Erhebung, insbesondere einer Mehrzahl von im Wesentlichen achsparallel ausgerichteten keilförmigen
Erhebungen; einer langgestreckten Vertiefung, insbesondere einer Nut oder Rille mit abgerundetem und/oder eckigem Profil; einer punktförmigen Erhebung, insbesondere einer Erhebung mit rundem oder eckigem Querschnitt, insbesondere einer Mehrzahl von punktförmigen Erhebungen; einer punktförmigen Vertiefung, insbesondere einer Vertiefung mit rundem oder eckigem Querschnitt,
insbesondere einer Mehrzahl von punktförmigen Vertiefungen oder einem
Golfballmuster; einem Gitter mit mehreren einander kreuzenden Erhebungen; einem Gitter mit mehreren einander kreuzenden Vertiefungen; einem
Wabenmuster; einem Rändel, insbesondere einem Rändel mit achsparallelen Riefen, einem Rechtsrändel, einem Linksrändel, einem Links- Rechts- Rändel oder einem Kreuzrändel; einer Abrisskante, insbesondere einer Abrisskante mit einem Winkel von mindestens 30°; einer rautenförmigen Erhebung; einer rautenförmigen Vertiefung; einer Pyramide.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Turbulatorelement (144) ein Gitter mit mindestens zwei einander kreuzenden langgestreckten Strukturelementen (146) umfasst.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Messkopf (128) eine im Wesentlichen abgerundete Gestalt aufweist, wobei das Turbulatorelement (144) im Bereich der Abrundung angeordnet ist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Turbulatorelemente (144) mit einer Symmetrie zu einer Achse des
Temperaturfühlers (114) angeordnet sind.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Turbulatorelement (144) als unterbrochenes Turbulatorelement (144) ausgestaltet ist und mehrere Strukturelemente (146) umfasst, wobei die Strukturelemente (146) derart angeordnet sind, dass das anströmende fluide Medium an den
Strukturelementen (146) einen wiederholten Strömungsabriss erfährt.
10. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (130) und/oder der Messkopf (128) zumindest weitgehend thermisch von dem Fühlerkörper (124) entkoppelt sind.
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