DE4330447C2 - Temperatur-Sensor mit einem Meßwiderstand in einem Metallmantel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatur-Sensor, der mineralisoliert in einem Metallmantel ange­ ordnet ist, wobei der Temperatursensor als elektrischer Meßwiderstand ausgebildet ist, der an zwei sich gegenüberliegenden Enden jeweils mit dem Innenleiter einer mineralisolierten Leitung elektrisch und mechanisch fest verbunden ist.

Aus der DE 41 03 642 A1 ist ein Temperatursensor bekannt, der mineralisoliert in einem Metall­ mantel angeordnet und mit wenigstens einer mineralisolierten Leitung verbunden ist; dabei ist der Temperatursensor als elektrischer Meßwiderstand ausgebildet, der an zwei sich gegen­ überliegenden Enden jeweils mit dem Innenleiter einer mineralisolierten Leitung elektrisch und mechanisch fest verbunden ist.

Als problematisch erweist es sich, daß beim Aufbau eines Temperatursensors eine verhältnis­ mäßig aufwendige Neubefüllung des vom Metallmantel umschlossenen Innenraums mit mine­ ralisolierendem Werkstoff erforderlich ist.

Aus der DE 40 17 968 C2 ist ein Temperatur-Sensor bekannt, der sich in einem Mantel mit vor­ gegebenen Ausdehnungskoeffizienten einer mineralisolierten Zuleitung befindet, die im Bereich einer Übergangsstelle mit einer elektrischen Anschlußleitung elektrisch und mechanisch fest verbunden ist. Als Abdichtung des der Anschlußleitung zugekehrten Endes der mineralisolierten Zuleitung dient ein Pfropfen aus einem erschmolzenen stabilen Bleiboratglas mit einem Aus­ dehnungskoeffizienten von 12 × 10^-6/K. Die Übergangsstelle ist dabei zwecks Zugentlastung zwischen mineralisolierter Leitung und Anschlußleitung mit einer Kunststoffumhüllung versehen.

Problematisch erweist sich im Zuge zunehmender Verkleinerung von Bauelementen die ver­ hältnismäßig große Ausdehnung solcher Abdichtungs- und Übergangsmaßnahmen, wie sie bei­ spielsweise durch Bleiboratglas-Stopfen vorgesehen sind; darüberhinaus muß im Bereich von wärmeabgebenden Bauelementen bei höheren Temperaturen auch die angeschlossene Zulei­ tung thermisch isoliert werden.

Weiterhin beschreibt die DE 33 28 674 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Ver­ bindung zwischen einem mit Mantel versehenen Heizleiter und einem ummantelten Kaltleiter bekannt; dabei werden die Enden freigelegter Leitungsdrähte von Heizleiter und Kaltleiter in die Bohrung eines Isolierkörpers eingebracht und durch einen Schmelzvorgang miteinander verbunden.

Aus der US 27 28 833 ist ein in einem Rohr untergebrachtes Temperatursensorelement be­ kannt, das mittels eines feuerfesten körnigen Materials gegenüber dem Rohr isoliert ist, wobei sich die Zuführungsdrähte in beide Richtungen der Rohre erstrecken, um mit dem jeweiligen Ende der Wendel einen elektrischen Kontaktanschluß zu bilden. Das Rohr besteht vorzugswei­ se aus rostfreiem Stahl und weist eine verhältnismäßig starre äußere Form auf.

Weiterhin beschreibt die DE 41 17 928 C1 einen Temperatur-Sensor mit einem Widerstands­ draht als Meßwiderstand, wobei der Widerstandsdraht als wesentlichen Werkstoffbestandteil ein Metall der Platingruppe enthält, der in einem einseitig geschlossenen Schutzrohr in Form ei­ ner an einem keramischen Träger gehaltenen Schlaufe angeordnet ist, deren freie die Stroman­ schlüsse bildende Enden aus einem offenen Ende des Schutzrohres herausgeführt sind; der Widerstandsdraht ist aus einem Kern und einem diesen umhüllenden Mantel gebildet, wobei der Kern aus einem dispersionsgehärteten Werkstoff besteht und der Mantel aus einem Metall der Platingruppe oder eine Legierung deren Basis ein Metall der Platingruppe ist, besteht. Da es sich hier um einen verhältnismäßig komplexen Aufbau handelt, ist dieser nicht in beliebig verkleinerter Form in der Praxis verfügbar.

Weiterhin beschreibt die DE 40 26 061 C1 ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Meßwiderstandes mit einem vorgegebenen Temperaturkoeffizienten, insbesondere für ein Wi­ derstandsthermometer; hierzu wird ein Träger aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem Pla­ tin-Dünnfilm versehen, auf dem anschließend im Siebdruckverfahren eine Schicht aus einem Pla­ tinresinat und Rhodiumsulforesinat enthaltenden Präparat aufgebracht wird, deren Rhodiumge­ halt für den angestrebten Temperaturkoeffizienten maßgeblich ist. Nach Trocknen und Einbren­ nen dieser Siebdruckschicht wird der so beschichtete Träger einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 1000 bis 1400°C so lange unterzogen, bis das Rhodium in der bis­ herigen Platin- bzw. sich bildenden Widerstandsschicht gleichmäßig verteilt ist. Als problema­ tisch erweist sich der Einsatz solchermaßen hergestellter Widerstände in aggressiven Umge­ bungen, da hier ein unmittelbarer Zugriff auf die Widerstandsschicht und auf die Kontaktfelder des Widerstandsstreifens gegeben ist. Insbesondere erweist sich der Einsatz einer solchen Meßwiderstandsanordnung in hochtemperaturbetriebenen Anordnungen wie beispielsweise in einer Auspuffanlage als äußerst schwierig.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Temperatur-Sensor zur Messung von Oberflächen­ temperaturen, insbesondere der Oberflächentemperatur eines Metallkatalysators in einer Kraft­ fahrzeug-Auspuffanlage anzugeben; gegebenenfalls sollen auch räumlich ausgedehnte Tempe­ raturfelder mittels Temperatur-Sensoren erfaßt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatur-Sensor im Bereich einer im Metallmantel befindlichen Einsatz-Öffnung eingesetzt, wobei der sich in seiner Hauptausdehnungsrichtung entlang der Mantelachse erstreckende Tempe­ ratur-Sensor mit jeweils einem Ende mit einer Anschlußstelle zu den Enden des Innenleiters des mineralisolierten Koaxialkabels verbunden ist. Dabei ist es einerseits möglich, als Temperatur-Sensor eine aus dispersionsgehärtetem Werk­ stoff, beispielsweise Platin bestehenden Wendel einzusetzen, welche aufgrund der Dispersionshärtung ihre Form auch bei hoher Temperaturbelastung aufrecht erhält; andererseits ist es möglich, einen Temperatur-Sensor auf der Basis eines Meßwiderstands auf einem Keramiksubstrat mit aufgebrachter Widerstands­ schicht einzusetzen, dessen langgestreckte Gestalt die Unterbringung innerhalb des Mantels des Koaxialkabels ermöglichen. In beiden Fällen wird nach Ein­ bringung des Temperatur-Sensors die im Koaxialkabel befindliche Einsatz-Öff­ nung mittels Vergußmasse abgedeckt, so daß kein weiterer Austritt des mineral­ isolierenden Pulvers erfolgen kann; auf die bereits verschlossene Öffnung wird dann eine temperaturbeständige Hülse aufgebracht und mittels umlaufender Sicken mit dem äußeren Metallmantel des Koaxialkabels formschlüssig verbunden.

In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere hintereinander in Serie geschaltete Temperatur-Sensoren eines Koaxialkabels zur Temperaturüberwachung eines räumlich ausgedehnten Temperaturfeldes einge­ setzt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist in der verhältnismäßig geringen Ausdehnung der Temperatur-Sensoren und ihrer Zuleitung zu sehen, wobei der kleinste erzieltbare Außendurchmesser 0,5 mm beträgt; weiterhin ist eine hohe Temperaturbeständigkeit der Kabelanordnung mit den Temperatur-Sensoren bis zu 1200° vorgesehen, so daß beispielsweise das Temperaturfeld eines Metallkataly­ sators einer Kraftfahrzeug- bzw. Verbrennungsmotor-Auspuffanlage räumlich überwacht werden kann, wobei die biegsame Ausgestaltung des Koaxialkabels eine flächenhafte Aufbringung der Temperatur-Sensoren ermöglicht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1, 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen als Wendel ausgebildeten Temperatur-Sensor,

Fig. 2 zeigt einen als Widerstandsschicht ausgebildeten Temperatur-Sensor in einer mineralisolierten Koaxialleitung.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Serienschaltung mehrerer Temperatur-Sensoren.

Gemäß Fig. 1 ist der als Wendel 2 ausgebildete Meßwiderstand 1 durch eine Einsatz-Öffnung 3 des Mantels 4 eines Koaxialkabels 5 eingesetzt, wobei die Wendel 2 mit ihren Enden 6, 7 an die Enden 9, 10 des Innenleiters 8 mittels Schmelzvorgang (Löt- oder Schweißvorgang) angeschlossen sind. Die Füllung aus mineralisoliertem Pulver ist hier schematisch durch Punkte 11 dargestellt. Zur Abdichtung der Einsatz-Öffnung 3 und sicheren Positionierung der Wendel 2 ist eine in die Öffnung eingebrachte hochtemperaturbeständige Vergußmasse vorge­ sehen, so daß die mineralisolierende Füllung 11 innerhalb des Koaxialkabels 5 erhalten bleibt und nicht austreten kann. Die Vergußmasse ist durch ge­ strichelte Linien schematisch dargestellt und mit den Bezugszeichen 12 ver­ sehen. Die Achse 13 der Wendel 2 verläuft in Richtung der Achse 14 des Innen­ leiters 8 des Koaxialkabels. Zwecks Zugentlastung und dauerhafter Abdichtung ist entlang der Achse 14 auf den Mantel 4 des Koaxialkabels eine Sicherungs­ hülse 15 aufgeschoben, welche an ihren beiden Enden mittels umlaufender Sicken 16 und 17 mit dem Mantel 4 formschlüssig verbunden ist. Zwecks besserer Übersicht ist Sicherungshülse 15 vor ihrer endgültigen Positionierung darge­ stellt.

Als Werkstoff für den als Wendel ausgebildeten Temperatur-Sensor hat sich insbesondere ein dispersionsgehärteter oder stabilisierter Werkstoff auf der Basis einer Platin-Rhodium-Legierung mit einem Rhodium-Anteil zwischen 0,01 bis 60-Gewichts-% bewährt, wobei als dispergierter oder stabilisierender Bestandteil Zirkonium, Yttrium, Titan, Calcium, Cer, Aluminium und Haffnium sowie gegebenenfalls deren Oxide einzeln oder gemischt eingesetzt sind. Der Metallmantel des Koaxialkabels besteht aus einer hochtemperaturbeständigen Nickelbasislegierung und weist einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 12,5 bis 17 × 10^-6/K auf; als mineralisolierende Füllung 11 wird insbeson­ dere Magnesiumoxid eingesetzt, es ist jedoch auch möglich Aluminiumoxid zu verwenden. Der mittels Schmelzvorgang (Verlötung oder Verschweißung) an die Wendel 2 angeschlossene Innenleiter 8 besteht aus einer Nickelchrom-Legierung. Als Vergußmasse zur Positionierung der Wendel und Abdeckung der Öffnung inner­ halb des Koaxialkabelmantels wird keramische Vergußmasse eingesetzt. Die später auf den Öffnungsbereich des Koaxialkabels aufgebrachte Sicherungshülse besteht aus hochtemperaturbeständiger Nickelbasislegierung.

Zur Herstellung eines Temperatur-Sensors wird der Mantel 4 des Koaxialkabels 5 soweit aufgeschnitten, daß eine Einsatz-Öffnung 3 zum Einbringen der als Temperatur-Meßwiderstand 1 dienenden Wendel 2 ermöglicht wird; hierzu wird im Bereich der Öffnung 3 ein Teil der Füllung 11 des mineralisolierten Pulvers entfernt ebenso wie der im Öffnungsbereich befindliche Teil des Innenlei­ ters 8, so daß in die Öffnung die Enden 9, 10 des Innenleiters 8 hineinragen. Nach Einbringen der Wendel 2 und der elektrischen und mechanischen Verbindung der Enden 6, 7 der Wendel mit den Enden 9, 10 des Innenleiters 8 durch Ver­ löten oder Verschweißen an den Anschlußstellen 18, 19 wird durch Öffnung 3 die schematisch dargestellte Vergußmasse 12 eingebracht, wodurch die Wendel 2 fest positioniert wird und die mineralisolierte Füllung 11 am Austreten aus dem Mantel 4 gehindert wird. Nach Eintrocknen der Vergußmasse 12 wird entlang der Achse 14 des Koaxialkabels 5 eine Sicherungshülse 15 auf die bereits durch die Vergußmasse verschlossene Öffnung 3 aufgebracht und mittels umlaufender Sicken 16, 17 mit dem Mantel 4 formschlüssig verbunden; es ist auch zusätzlich möglich, zwischen Sicherungshülse 15 und Mantel 4 eine elastische temperatur­ beständige Abdichtung, beispielsweise mittels temperaturbeständiger umlaufen­ der Dichtungsringe vorzusehen.

Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Aufbau, wie er anhand der Fig. 1 erläutert ist, wobei allerdings anstelle einer Wendel als Temperatur-Meßwiderstand 1 eine Widerstandsschicht 20 auf einem temperaturbeständigen elektrisch isolierenden Keramiksubstrat 21 vorgesehen ist. Die Einsatz-Öffnung 3 in Mantel 4 des Koaxialkabels 5 sowie die Anordnung der Enden 9, 10 des Innenleiters 8 ent­ sprechen der anhand Fig. 1 erläuterten Ausführungsform. Die Widerstands­ schicht 20 ist im vorliegenden Fall als Mäander auf ein sogenanntes axiales Keramik-Substrat 21 aufgebracht, dessen größte Ausdehnung sich entlang der Achse 14 des Koaxialkabels erstreckt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein rechteckiges Keramik-Substrat 21, dessen Längsachse entlang der Achse 14 verläuft. Das Substrat 21 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid, es ist jedoch auch möglich Magnesiumoxid oder Glaskeramik einzusetzen. Die Wider­ standsschicht 20 besteht aus einer Platin-Rhodium-Legierung, wobei das Rhodium einen Gewichtsanteil im Bereich von 0,01 bis 10 Gewichts-% aufweist. Die Schichtdicke der aufgebrachten Widerstandsschicht 20 liegt im Bereich 0,8 bis 2,0 µm. An den Enden der mäanderförmig ausgestalteten Widerstandsschicht 20 sind Kontaktfelder 23 und 24 vorgesehen, die über Anschlußdrähte 25, 26 mit den Anschlußstellen 18, 19 der Enden 9, 10 des Innenleiters 8 durch einen Schmelzvorgang (Verschweißung, Verlötung) verbunden sind. Da sich die Aus­ führungsform gemäß Fig. 2 lediglich durch die Ausgestaltung des eigentlichen Temperatur-Meßwiderstandes vom Gegenstand der Fig. 1 unterscheidet, ist der übrige Aufbau wie der Abschluß der Öffnung 3 durch Vergußmasse 12 und die anschließende Aufbringung einer Sicherungs-Hülse 15 mit formschlüssiger Ver­ bindung durch Sicken 16, 17 der Fig. 1 entsprechend aufgebaut.

Beim Aufbau des Temperatur-Sensors gemäß Fig. 2 muß zu Beginn ein ausreichen­ der Raum für den aus Keramik-Substrat 21 und Widerstandsschicht 20 sowie den Anschlußdrähten 25, 26 bestehenden Temperatur-Meßwiderstand 1 geschaffen werden, welches durch Entnahme eines Teils der Füllung des mineralisolierenden Pulvers geschieht; nach Einbringung sowie elektrisch und mechanisch fester Verbindung der Anschlußdrähte 25, 26 des Temperatur-Meßwiderstandes 1 mit den Enden 9, 10 des Innenleiters 8 des Koaxialkabels 5 wird die Einsatz-Öffnung 3 durch Aufbringung der hier nur schematisch durch gestrichelte Linien darge­ stellten Vergußmasse 12 gasdicht abgeschlossen und nach dem Abkühlungsverfah­ ren die aus Fig. 1 bekannte Sicherungs-Hülse 15 formschlüssig mit dem Man­ tel 4 des Koaxialkabels 5 verbunden, so daß eine hochtemperaturbeständige mechanisch feste Temperatur-Sensor-Anordnung vorliegt.

Durch Verwendung von wendelförmigen Meßelementen geringem Wendeldurchmessers oder durch Verwendung von schmalen axialen Dünnschicht-Meßwiderständen mit Keramiksubstrat ist es möglich, eine Koaxialleitung mit mehreren hintereinan­ der geschalteten Temperatur-Sensoren einzusetzen, so daß auf einfache Weise auch die räumliche Ausdehnung von Temperaturfeldern überwacht werden kann.

Fig. 3 zeigt schematisch eine solche Serienschaltung mehrerer Temperatur-Meß­ widerstände 1, welche je nach Bedarf, beispielsweise mäanderförmig oder zick­ zackförmig zur flächenhaften Abdeckung größerer Temperaturfelder angeordnet sein können. Ein wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß die Außendurch­ messer solcher Koaxial-Meßleitungen mit bis auf einen Durchmesser von 0,5 mm herabgesetzt werden können, so daß an vorgegebenen Meßpunkten eines räumlich ausgedehnten Temperaturfeldes eine exakte Temperaturüberwachung möglich ist, wobei sich kritische Temperaturwerte durch Messung des Gesamtwiderstandes aller Meßwiderstände 1 ableiten lassen.

Zwecks besserer Übersicht wurde in Fig. 3 von der Wiedergabe der aufgescho­ benen Sicherungs-Hülsen abgesehen.

Claims (11)

1. Temperatur-Sensor, der mineralisoliert in einem Metallmantel angeordnet ist, wobei der Temperatursensor als elektrischer Meßwiderstand ausgebildet ist, der an zwei sich ge­ genüberliegenden Enden jeweils mit einem Innenleiter einer mineralisolierten Leitung elektrisch und mechanisch fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall­ mantel (4) im Bereich des Meßwiderstandes (1) eine Einsatz-Öffnung (3) aufweist, wel­ che mittels Vergußmasse (12) gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist.

2. Temperatur-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) in einem mineralisolierten Koaxialkabel (5) angeordnet ist, wobei der Meßwiderstand jeweils mit einem Ende (9, 10) der sich in gegenüberliegenden Richtungen erstreckenden Leitungen des Innenleiters (8) verbunden ist.

3. Temperatur-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Metallmantel (4) im Bereich der Öffnung (3) eine Sicherungshülse (15) aus Metall aufgeschoben ist, die an ihren Enden mittels zweier umlaufender Sicken (16, 17) mit dem Metallmantel (4) formschlüssig verbunden ist.

4. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) in Form einer Wendel (2) ausgebildet ist, deren Enden (6, 7) An­ schlußstellen (18, 19) zur Verbindung mit den Enden (9, 10) der Leitungen des Innenlei­ ters (8) aufweisen.

5. Temperatur-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (13) der Wendel (2) in Richtung der Achse (14) des Metallmantels (4) verläuft.

6. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (2) wenigstens zum Teil aus dispersionsgehärtetem oder stabilisiertem Werkstoff besteht, wobei als wesentlicher Werkstoff-Bestandteil ein Metall der Platingruppe vorge­ sehen ist, während als dispergierter oder stabilisierender Bestandteil Zirkonium, Yttrium, Titan, Kalzium, Cer, Aluminium und Haffnium einzeln oder gemischt eingesetzt sind.

7. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendel (2) wenigstens zum Teil aus dispersionsgehärtetem oder stabilisiertem Werkstoff besteht, wobei als wesentlicher Werkstoff-Bestandteil ein Metall der Platingruppe vorge­ sehen ist, während als dispergierter oder stabilisierender Bestandteil Zirkonium, Yttrium, Titan, Kalzium, Cer, Aluminium und Haffnium und deren Oxide einzeln oder gemischt ein­ gesetzt sind.

8. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (1) als Widerstandsschicht (20) auf einem elektrisch isolierenden Kera­ mik-Substrat (21) ausgebildet ist, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Enden (6, 7) der Widerstandsschicht Kontaktfelder (23, 24) für Anschlußdrähte (25, 26) zur Verbin­ dung mit den Enden (9, 10) der Leitungen des Innenleiters (8) vorgesehen sind.

9. Temperatur-Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands­ schicht (20) in Form eines Mäanders auf einem langgestreckten Keramik-Substrat (21) aufgebracht ist, wobei die Mäander-Enden als Kontaktfelder (23, 24) für die Anschluß­ drähte (25, 26) ausgebildet sind und das Keramik-Substrat (21) sich in Richtung seiner größten Ausdehnung gesehen entlang der Achse (14) des Innenleiters (8) erstreckt.

10. Temperatur-Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wider­ standsschicht (20) aus einem mit Rhodium dotierten Platin-Dünnfilm besteht.

11. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik-Substrat (21) aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Berylliumoxid oder Glas­ keramik besteht.