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 T _w>a die Temperatur der Rohrwandung 118 auf der Außenseite, also der dem fluiden Medium abgewandten Seite, mit T _w ,i die Temperatur auf der Innenseite der Rohrwandung 118, also auf der dem fluiden Medium zugewandten Seite, mit T _A die Temperatur des Abgases bzw. des fluiden Mediums, mit T _K die Temperatur des Temperaturfühlers 114 im Bereich eines Kabelabgangs und mit T _s die Temperatur des Temperaturfühlers 114 an dessen Spitze, im Bereich des Messkopfs

128.

Wenn die Abgastemperatur höher ist als die Sensortemperatur bzw. T _s , 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 N _krit 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 δ _τ 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 d ₂ einen Ausgangsdurchmesser. Bei dem Rändel gemäß Figur 6B kann beispielsweise gelten:

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: d ₂ = 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: d ₂ = di - 0,67 ^■ t, und für ein vertieftes Links- Rechts- Rändel d ₂ = 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: d ₂ = di - 0,67 ^■ t und für ein vertieftes Kreuzrändel d ₂ = 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 Al ₂ 0 ₃ . 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.