CN107110711A - 温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度传感器，其包括限定热点(13)的热电偶(7)，所述温度传感器包括矿物绝缘电缆(14)和加强管(60)，所述矿物绝缘电缆(14)具有的外直径大于2mm并小于5mm，所述矿物绝缘电缆在所述热点侧从所述加强管(60)突出，以形成缩径部。

Description

温度传感器

技术领域

本发明涉及包括热电偶的温度传感器，其意于测量可在-40℃至+1200℃之间变化的温度，尤其是在机动车辆的热力发动机组中。

背景技术

如图1所示，温度测量装置传统地包括温度传感器2，该温度传感器2通过允许将温度传感器连接到测量设备4的延伸电缆3而被延长。温度传感器2传统地包括金属保护鞘5和止挡件6，该止挡件6安装在保护鞘5上并根据目标应用而被调整。

测量设备4意于解释由温度传感器2提供的并通过延伸电缆3传递的电信号。该解释允许估测温度传感器的端部所经受的温度。

在保护鞘5的内部，温度传感器2传统地包括热电偶7和矿物绝缘体8(传统地由氧化铝或氧化镁制成)，这允许热电偶抵御环境限制、尤其是抵御高温。

如图2所示，热电偶7是第一和第二导电线10和12的组件，第一和第二导电线10和12在热点13处彼此端对端地连接。根据众所周知的塞贝克效应(l’effet Seebeck)，第一和第二导电线的端子处的电势差ΔU取决于在热点处的温度T₁和在所述端子处的温度T₀之间的差。

为了制造意于其中温度可在-40℃至1200℃之间变化的应用的温度传感器，传统地采用按照以下步骤的方法：

首先，制造矿物绝缘电缆14、或MIC电缆(在英语中为“mineral insulatedcable”)。

矿物绝缘电缆包括金属保护鞘5，并在保护鞘5的内部包括由适于形成热电偶的材料制成的两条热电偶线10和12，这两条热电偶线借助于矿物绝缘体8彼此绝缘并与保护鞘5绝缘(图3a)。

为了形成这两条热电偶线之间的接合部、或“热点”13，从电缆的端部中的一个、通常在2至10mm的深度上取走一些矿物绝缘体(例如通过喷砂处理或刮研)。在该被称为“远侧”端部的端部处，这两条热电偶线由此从绝缘体露出，同时被保护鞘5环绕(图3b)。

热电偶线的由此暴露的两个端部部分机械地靠近，直至彼此接触、然后例如通过电焊接彼此连接(图3c)。

保护鞘的镂空终端部分然后可选地可被与矿物绝缘电缆的矿物绝缘体相同或不同的绝缘材料填充，然后被再封闭以保护热电偶，例如通过电焊接(图3d)。

此外，在保护鞘5的封闭之后或在矿物绝缘电缆的切割之前，传统地，在保护鞘5的远侧终端部分上制成缩径部15(传统地通过拉丝或锻造)。缩径部传统地允许改善温度传感器的响应时间。然而，这样的制造方法难以自动化，并且目前需要棘手的手工操作。

因此，存在对这样的解决方案的需求：该解决方案允许方便热电偶式温度传感器的制造自动化。

本发明的目的在于满足该需求。

发明内容

本发明提出一种用于制造热电偶式温度传感器的方法，该方法包括以下相继的步骤：

a)制造矿物绝缘电缆，该矿物绝缘电缆包括两条热电偶线，这两条热电偶线在电缆的整个长度上延伸并埋没到矿物绝缘体中，矿物绝缘体被保护鞘环绕，矿物绝缘电缆的外直径大于2mm并小于5mm，优选地小于4mm；

b)从矿物绝缘电缆的端部中的一个在2至7mm范围内的深度上取走矿物绝缘体，以暴露热电偶线的终端部分；

c)连接由此暴露的热电偶线的终端部分，以构成热电偶热点；

d)通过借助于保护鞘的封装而保护所述热点；

e)与前述步骤独立地，优选地在步骤d)之后，借助于加强管对所述保护鞘进行保护，该加强管使所述保护鞘在所述热点侧(远侧)超出。

如在接下来的说明中将更加详细地看到的，具有小直径的矿物绝缘电缆和接收该矿物绝缘电缆的加强管的组合允许形成缩径部，并因此限制、甚至是消除传统地由保护鞘的变形形成的缩径部。显著地简化了制造方法的自动化。

此外，这带来对温度传感器的机械强度的改善，并因此加长了其使用寿命。

根据本发明的方法还可以包括以下可选特征中的一个或多个：

-在步骤d)结束时，保护鞘在其长度的80％以上、90％以上、95％以上、甚至大致100％上具有恒定的直径；

-加强管通过焊接固定在保护鞘上；

-在步骤d)时的封装期间，将绝缘材料封装，该绝缘材料优选地呈粉状，其与矿物绝缘电缆的矿物绝缘体相同或不同，优选地为从氧化铝和/或氧化镁选择的材料，以在步骤d)之后，被封装的热电偶线的所述端部部分通过所述绝缘材料而与外部绝缘。

本发明还提出一种温度传感器，其包括限定热点的热电偶，所述温度传感器包括矿物绝缘电缆和加强管，该矿物绝缘电缆的外直径小于4mm，该加强管部分地容置矿物绝缘电缆，矿物绝缘电缆在热点侧在加强管之外突出，以形成缩径部。

根据本发明的温度传感器可特别地按照根据本发明的方法制造，该方法可选地被调整以使得温度传感器具有下文所述的可选特征中的一个或多个。

根据本发明的温度传感器还可以包括以下可选特征中的一个或多个：

-矿物绝缘电缆的在热点侧在加强管之外突出的部分的长度大于5mm、优选地大于7mm、优选地大于9mm和/或小于15mm、优选地小于13mm、优选地小于11mm；

-矿物绝缘电缆突出超过加强管的远侧端部(即在热点侧)，以使得沿着矿物绝缘电缆的长度方向，热点定位为超过加强管的远侧端部；

-矿物绝缘电缆的外直径优选地小于3.5mm、优选地小于3mm、优选地小于2.5mm、优选地小于2mm、优选地小于1.5mm、优选地小于1.2mm；

-优选地，保护鞘不具有缩径部；或包括这样的缩径部：该缩径部的外直径大于保护鞘在所述缩径部区域之外的内直径；或具有这样的缩径部：该缩径部的外直径大于保护鞘在所述缩径部区域之外的外直径的80％、优选地大于保护鞘在所述缩径部区域之外的外直径的90％、优选地大于保护鞘在所述缩径部区域之外的外直径的95％；

-加强管覆盖矿物绝缘电缆的保护鞘的外侧向表面的10％以上、30％以上、60％以上、90％以上，优选地覆盖矿物绝缘电缆的保护鞘的外侧向表面的大致100％；

-加强管的壁具有的厚度大于或等于0.3mm和/或小于1.2mm；

-保护鞘和加强管的总厚度大于矿物绝缘电缆的外直径的16％和/或小于矿物绝缘电缆的外直径的70％；

-加强管固定在保护鞘上，优选地通过激光焊接，该固定优选地在加强管的远侧端部处；

-温度传感器包括固定、优选地焊接在加强管上的机械止挡件。

本发明还涉及根据本发明的温度传感器在处于高于800℃、高于900℃、高于1000℃、高于1100℃和/或低于-10℃、低于-20℃、低于-30℃的温度的环境中、优选地在处于在-40℃和1200℃之间变化的温度的环境中的用途，特别是在机动车辆的热力发动机组中。

本发明最后涉及一种机动车辆的热力发动机组，其包括根据本发明的温度传感器；以及涉及一种机动车辆，其包括根据本发明的热力发动机组。温度传感器可以特别地布置在涡轮增压器的涡轮上游的排放集气管中或布置在燃料或助燃剂进入歧管中或布置在排放歧管中。

附图说明

通过研究附图和通过阅读以下详细的说明，本发明的其它特征和优点将进一步显现，在附图中：

图1示意性地示出连接到测量设备的温度传感器；

图2示意性地示出热电偶的运行原理；

图3(图3a至3d)示出根据现有技术的用于制造温度传感器的方法；及

图4在纵向剖面中示出根据本发明的温度传感器。

定义

-通过“近侧”和“远侧”，区分根据本发明的温度传感器的两个侧。“远侧”是热点那一侧。

-“热点”传统地指示两条热电偶线之间的接合部，而独立于该接合部的温度。

-矿物绝缘电缆具有的外直径小于加强管的外直径。这就是为什么称矿物绝缘电缆在热点侧超过加强管的部分为“缩径部”。

-除非有相反说明，“绝缘材料”或“矿物绝缘体”指示具有的介电强度(unerigiditéélectrique)大于10MV/m和在室温下的电阻率大于1GΩm的任何材料，通常为陶瓷材料。

-除非有相反说明，“包括一个”、“具有一个”或“含有一个”表示“包括至少一个”。

-相同的参考标记被用于指示在不同的图中的相似的部件。

具体实施方式

前面已经描述了图1至3，现在将参照图4。

根据本发明的热电偶式传感器基于具有小直径的矿物绝缘电缆14制造。

保护鞘5可以由任何导电材料制成，优选地由从不锈钢选择的材料制成，所述材料优选地属于因科镍合金(Inconel)族，保护鞘5带有壁，该壁具有的厚度通常接近于矿物绝缘电缆的外直径的10％，优选地具有大于10％的厚度，以有利于机械鲁棒性。热电偶线10和12可以是柔性的或刚性的。优选地，热电偶线具有大致圆形的横截面。

优选地，第一和第二热电偶线10和12的材料对为NiSil/NiCroSil。

热电偶线10和12的延伸超出矿物绝缘体8的、突出的远侧终端部分40和42以传统的方式在热点13处接合。它们被容置在由封装形成的腔室43中，该腔室43优选地填充有绝缘材料，该绝缘材料优选地是矿物性质的，其可与包含在矿物绝缘电缆的保护鞘中的绝缘材料相同或不同。优选地，绝缘材料是在由氧化铝和/或氧化镁形成的集合中选择的材料。

热电偶线10和12的可选地延伸超出矿物绝缘电缆14的近侧端部44的、突出的近侧终端部分50和52可以具有大于5cm的长度，该长度优选地大于10cm、大于20cm、大于50cm。有利地，这些线可由此用作延伸电缆3，该延伸电缆3用于将温度传感器2电连接到测量设备4。当然，如果热电偶线被用作延伸电缆，它们的突出的近侧终端部分50和52应被电绝缘。

在它们的近侧端部处，热电偶线10和12包括电连接器件，例如准许将它们连接到测量设备4和/或延伸电缆3的连接端子。

在图4所示的实施方式中，矿物绝缘电缆的保护鞘5不具有缩径部。其直径自其近侧端部44起直至其远侧端部62是大致恒定的。作为变型，矿物绝缘电缆的保护鞘5具有缩径部，优选地为这样的缩径部：该缩径部的外直径大于保护鞘5在所述缩径部区域之外的内直径。

温度传感器包括加强管60，该加强管60优选地由因科镍合金制成，其部分地遮盖保护鞘。

在一种实施方式中，加强管60优选地通过焊接固定在保护鞘上。

优选地，加强管60的外直径小于7mm、小于6mm、小于5mm、小于4mm、小于3mm。

加强管的界定加强管的孔的内侧向表面支承在保护鞘5的外侧向表面22上。优选地，加强管的孔具有与保护鞘5的外侧向表面22大致互补的形状，这允许加强管的内侧向表面与保护鞘5的外侧向表面22之间的紧密接触。

优选地，加强管延伸直至保护鞘的近侧端部44。然而，加强管并未延伸直至保护鞘的远侧端部62。优选地，加强管包括斜切的远端部分，以使得其外直径渐渐地接合保护鞘的外直径。

还优选地，机械止挡件6固定在(优选地焊接在)加强管60上。机械止挡件6有利地允许温度传感器的直径的精确的局部的适配性，并因此允许与目标应用的良好的相符性。优选地，机械止挡件的最大横向尺寸(即在垂直于对应于矿物绝缘电缆的长度的纵向方向的平面中)大于8mm和/或小于25mm。

通过自机械止挡件6起、或自近侧端部44(不考虑机械止挡件6)起直至远侧端部62而遍经温度传感器，温度传感器的外侧向表面由此包括圆柱形部分64、中间部分66和缩径部56，该圆柱形部分64的外直径由加强管60限定，该中间部分66对应于加强管的斜切远侧终端部分。

有利地，缩径部56改善了温度传感器的响应时间。为了具有合适的响应时间，缩径部的外直径在热点处优选地小于3.5mm、或小于3mm、或小于2mm、或小于1.5mm。

缩径部56的长度优选地大于5mm和/或小于15mm。

根据本发明的温度传感器可以按照以下步骤a)至e)制造。

步骤a)至c)可对应于根据如前所述的现有技术而被传统地实施的步骤。

在步骤a)，制备矿物绝缘电缆或矿物绝缘电缆的部段。

在步骤b)，如根据现有技术地，从矿物绝缘电缆的端部中的一个、优选地在2至7mm范围内的深度上取走矿物绝缘体，以暴露热电偶线的远侧终端部分。

在步骤c)，如图4中所示，热电偶线10和12的远侧终端部分40和42被彼此连接，即远侧终端部分40和42持久性地被置为物理接触并被电连接，以形成热点13。优选地，通过热焊接实现该连接。

在步骤d)，由两条热电偶线的连接形成的热电偶被封装，以被保护抵御环境。

在一种优选的实施方式中，如根据由图3c的箭头示出的现有技术，热点13通过保护鞘的变形、然后通过焊接而被封装。

优选地，在保护鞘中的封装被实行，而不基于所述保护鞘形成缩径部。矿物绝缘电缆的外直径因此直至其远侧端部62是大致恒定的。

优选地，由封装形成的腔室43填充有绝缘材料，该绝缘材料与矿物绝缘电缆的矿物绝缘体相同或不同，优选地是粉状的。绝缘材料粉可以特别地是氧化铝粉或氧化镁粉。

在步骤e)，矿物绝缘电缆优选地受力引入到加强管的纵向孔中，直至这样的位置：在该位置中，其远侧终端部分超过加强管的远侧端部。该远侧终端部分由此限定缩径部56。

优选地，加强管固定在保护鞘5上，优选地焊接在保护鞘5上。

正如现在很清楚地，根据本发明的制造方法的步骤、特别是获得缩径部的步骤是简单的，并且能够被自动化。这导致制造成本的显著降低。

当然，本发明不限于所述和所示出的仅出于示例性的目的而提供的实施方式。

Claims (10)

1.一种温度传感器，其包括限定热点(13)的热电偶(7)，所述温度传感器包括矿物绝缘电缆(14)和加强管(60)，所述矿物绝缘电缆(14)具有的外直径大于2mm并小于5mm，所述矿物绝缘电缆在所述热点侧从所述加强管(60)突出，以形成缩径部。

2.根据前一项权利要求所述的温度传感器，其中，所述矿物绝缘电缆的外直径小于3.5mm。

3.根据前述权利要求中任一项所述的温度传感器，其中，所述加强管(60)覆盖所述矿物绝缘电缆的保护鞘(5)的外侧向表面(22)的90％以上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的温度传感器，其中，所述加强管包括侧向壁，该侧向壁具有的厚度大于或等于0.3mm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的温度传感器，其中，所述矿物绝缘电缆的在所述热点侧在所述加强管之外突出的部分的长度大于5mm。

6.根据前述权利要求中任一项所述的温度传感器，其中，所述保护鞘不包括缩径部，或包括这样的缩径部：该缩径部的外直径大于所述保护鞘在所述缩径部区域之外的内直径。

7.根据前述权利要求中任一项所述的温度传感器，其包括固定在所述加强管上的机械止挡件。

8.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的热电偶式温度传感器的方法，所述方法包括以下相继的步骤：

a)制造矿物绝缘电缆(14)，所述矿物绝缘电缆(14)包括两条热电偶线(10、12)，所述两条热电偶线(10、12)在电缆的整个长度上延伸并埋没到矿物绝缘体(8)中，所述矿物绝缘体被保护鞘(5)环绕，所述矿物绝缘电缆的外直径小于4mm；

b)从所述矿物绝缘电缆的端部中的一个在2至7mm范围内的深度上取走矿物绝缘体，以暴露所述热电偶线的终端部分(40、42)；

c)连接由此暴露的热电偶线的终端部分(40、42)，以构成热电偶热点(13)；

d)通过借助于所述保护鞘的封装而保护所述热点；

e)与前述步骤独立地，优选地在步骤d)之后，借助于加强管(60)对所述保护鞘进行保护，所述加强管使所述保护鞘在所述热点侧超出。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的温度传感器在处于高于100℃的温度的环境中的用途。

10.一种机动车辆的热力发动机组，其包括根据权利要求1至7中任一项所述的、或根据权利要求8所述的方法制造的温度传感器。