Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturmesssensoranordnung, umfassend ein in einem Schutzrohr befindliches Sensorelement mit am Ende des Schutzrohrs freiliegendem, zur heißen Seite orientierten

Messabschnitt und gegenüberliegenden, zur kalten Seite zeigenden

Anschlüssen, weiterhin mit einer den Messabschnitt umgebenden, mit dem Schutzrohr in Verbindung stehenden Schutzkappe und einer zur heißen Seite gerichteten ersten Stabilisierungs- und Befestigungshülse gemäß Patentanspruch 1.

Aus der WO 2010/063682 A1 ist ein Temperaturfühler mit einem Thermoelement vorbekannt, der eine hitzebeständige Mantelleitung aufweist, an dessen dem Messmedium zugewandten Ende ein Sensorelement angeordnet ist. Durch ein Metallrohr der Mantelleitung sind elektrische

Anschlussleitungen für den Anschluss des Sensorelements an eine elektronische Auswerteeinheit geführt. Der gezeigte Temperaturfühler soll bis zu Temperaturen von 1200°C einsatzfähig sein und schnelle

Temperaturänderungen erfassen können. Hierfür besteht das Sensorelement aus einer Thermodrahtperle, die aus der Mantelleitung herausragt und von einer Schutzhülse aufgenommen ist, welche auf dem dem

Messmedium zugewandten Ende der Mantelleitung befestigt ist. Die

Schutzhülse weist ein einteiliges Vorderteil ohne Schweißstellen auf und die Mantelleitung ist ein flexibles, dünnwandiges Metallrohr mit einem geringen Außendurchmesser, an dessen dem Messmedium abgewandten Bereich Anschlussdrähte herausgeführt sind, die die gewünschte

Verbindung zur Bordelektronik herstellen.

Aus der gattungsbildenden EP 2 196 787 A2 ist ein Hochtemperatursensor mit einem Sensorelement vorbekannt, das in einem Schutzrohr gelagert ist. Um auch im Umfeld hoher Temperaturen, z.B. im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs zuverlässige Messungen durchzuführen, ist das Schutzrohr von einem Versteifungsrohr umgeben, wobei das Versteifungsrohr aus einem Material besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient höher ist als der des Materials, aus dem das Schutzrohr besteht. Das Versteifungsrohr ist einem ersten Bereich des Schutzrohrs mit dem Schutzrohr fest verbunden und in einem zweiten Bereich des Schutzrohrs befindet sich ein Anschlagelement, das ebenfalls fest mit dem Schutzrohr verbunden ist. Das Versteifungsrohr tritt aufgrund seiner höheren Wärmedehnung ab einer vorgegebenen Temperatur in mechanischen Kontakt mit dem

Anschlagelement, wodurch der Hochtemperatursensor ab dieser

Temperatur mechanisch stabilisierbar ist. Der Raum zwischen dem

Sensorelement und der Schutzrohrkappe ist nach EP 2 196 787 A2 mit einem gut wärmeleitenden Material gefüllt. Hierfür kann feines

Siliziumpulver zur Anwendung kommen. Das stabilisierende, mechanische I nkontaktkommen des Schutzrohrs mit dem Anschlagelement erfordert eine Mindesttemperatur, so dass insbesondere unmittelbar in der Startphase bzw. im Nicht-Hochleistungsbetrieb die Gesamtanordnung zu

Schwingungen neigt, die die Zuverlässigkeit der Messanordnung

gefährden.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Hochtemperaturmesssensoranordnung anzugeben, welche von einem in einem Schutzrohr gelagerten Sensorelement ausgeht und wobei am Ende des Schutzrohrs, zur heißen Seite orientiert ein Messabschnitt oder eine Messperle, insbesondere eine Thermoelement-Messperle befindlich ist. Die anzugebende Hochtemperaturmesssensoranordnung soll kostengünstig herstellbar sein und über eine hohe Stabilität und geringe Ausfallrate verfügen. Darüber hinaus soll ein schnelles Ansprechen des Sensorelements gegeben sein, um einen optimalen Betrieb eines

entsprechend ausgerüsteten Kraftfahrzeugs oder Kraftfahrzeugmotors, eines Turboladers oder eines stationären Motors sicherzustellen. Ein aufgabenseitiger Schwerpunkt besteht in der Stabilisierung des im

Schutzrohr befindlichen Sensorelements bezüglich Schwingungen und entsprechender mechanischer und thermischer Belastungen im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Es wird demnach von einer Hochtemperaturmesssensoranordnung, umfassend ein in einem Schutzrohr befindliches Sensorelement mit am Ende des Schutzrohrs freiliegendem, zur heißen Seite orientierten

Messabschnitt und gegenüberliegenden, zur kalten Seite zeigenden

Anschlüssen ausgegangen. Weiterhin ist eine den Messabschnitt

umgebende, mit dem Schutzrohr in Verbindung stehende Schutzkappe und eine zur heißen Seite gerichtete erste Stabilisierungs- und Befestigungshülse vorgesehen.

Erfindungsgemäß überfängt die zur heißen Seite gerichtete Stabilisierungsund Befestigungshülse an ihrem zur Schutzkappe weisenden Ende diese, so dass eine Stabilisierung gegen Schwingungskräfte stattfindet. Durch die gewählte Fügeverbindung können zwischen Schutzkappe und erster

Stabilisierungs- und Befestigungshülse vorhandene, thermisch bedingte Ausdehnungen in Längsachsenrichtung aufgenommen werden, ohne dass eine mechanische Zerstörung oder Beschädigung eintritt.

Weiterhin ist eine zur kalten Seite gerichtete, zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse vorgesehen, welche am anschlussseitigen Ende das Schutzrohr überfängt und dieses abstützt, wobei die erste und die zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse im Füge- und Überf angbereich durchmesserreduziert ausgebildet sind.

Das vorstehend erwähnte Überfangen geschieht einerseits bezogen auf die Längsachse der Gesamtanordnung, so dass ein Stabilisieren gegenüber Schwingungskräften vorliegt. Andererseits ist das Überfangen als

Fügeverbindung zwischen Schutzkappe und erster Stabilisierungs- und Befestigungshülse derart realisiert, dass thermisch bedingte Ausdehnungen in Längsachsenrichtung aufgenommen werden können. Die Fügung zwischen den vorerwähnten Elementen bleibt jedoch über den gesamten Bereich der thermischen Ausdehnung in Längsachsenrichtung der

Gesamtanordnung erhalten, so dass die gewünschte mechanische Stabilität und das Schwingungsfreihalten des Messabschnitts gewährleistet sind.

Bevorzugt wird die Fügeverbindung über die gegenüberliegenden Mantelflächen der vorerwähnten Elemente realisiert.

Die Fügeverbindung ermöglicht erfindungsgemäß ein Gleiten zwischen der Schutzkappe und der Innenwandung der ersten Stabilisierungs- und

Befestigungshülse bzw. zwischen der Außenseite des Schutzrohrs und der Innenwandung der zweiten Stabilisierungs- und Befestigungshülse, die sich am kalten Ende der Messsensoranordnung befindet.

Zum Ausbilden der Fügeverbindung weist die Schutzkappe bei einer bevorzugten Ausgestaltung radial umfangsseitig, bevorzugt in Längsachsenrichtung verlaufende Vor- und Rücksprünge auf.

Die zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse kann bei einer

alternativen Ausführungsform mit dem Schutzrohr verpresst werden.

Zum Zutritt des zu messenden Mediums kann die Schutzkappe Öffnungen, z.B. schlitzförmige Öffnungen umfassen.

Die Schutzkappe weist bei einer Ausgestaltung einen im Wesentlichen zylindrischen Endabschnitt auf, welcher in einen komplementären

zylindrischen Endabschnitt der ersten Stabilisierungs- und Befestigungshülse eintaucht, was eine Optimierung der mechanischen Stabilisierung der Gesamtanordnung bewirkt.

Wenn die vorerwähnten zylindrischen Endabschnitte einen reduzierten Durchmesser aufweisen, ergibt sich eine minimierte Wärmekapazität, insbesondere im Bereich des Messabschnitts, was ein schnelleres

Ansprechen der Gesamtanordnung bei entsprechenden Temperaturveränderungen zur Folge hat. Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Ansatz weist die Schutzkappe eine Füllung aus einem Schwingungsstabilisierenden, wärmeleitfähigen, bevorzugt pulverförmigen Material auf.

Dabei wird bei einer Ausgestaltung die Füllung bevorzugt unter Anwendung von Ultraschall oder sonstigen mechanischen Schwingungen eingerüttelt, und zwar dann, wenn der Messabschnitt bereits in die Schutzkappe eintaucht bzw. von dieser umgeben ist. Hierdurch ergibt sich eine reproduzierbare Verdichtung des Füllmaterials, ohne dass störende Kräfte auf den Messabschnitt bzw. Anschlussdrähte oder Mantelleitungen innerhalb des Schutzrohrs wirksam werden. Die Verdichtung der Füllung erfolgt bevorzugt ohne äußere Krafteinwirkung. Eine Druckverformung der Schutzkappe findet also nicht statt.

Bei einer Weiterbildung kann die Füllung auch als Schichtfüllung ausgebildet werden. Hierbei besteht die Füllung mindestens aus zwei senkrecht zur Längsachsenrichtung verlaufenden Schichten, wobei eine erste, den Messabschnitt umgebende Schicht eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und eine zweite, von dem Messabschnitt weg weisende Schicht eine reduzierte Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Hierdurch wird eine unerwünschte Wärmeabfuhr in Richtung des kalten Endes der Gesamtanordnung verringert bzw. die Wärmeleitung in diese Richtung reduziert, was bei dynamischen Messprozessen und

Hochtemperaturanwendungen von besonderem Vorteil ist.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Füllmaterial Bornitrid- Partikel auf oder besteht aus Bornitrid-Material. Durch gezieltes Ausrichten der Bornitrid-Partikel beim Füllprozess oder unmittelbar im Anschluss an den Füllvorgang lässt sich die Richtung der Wärmeleitung zur Messperle hin einstellen. Dies sorgt dafür, dass der Wärmetransport senkrecht zur Längsachsenrichtung der Gesamtanordnung verbessert wird; hingegen in Längsachsenrichtung, d.h. zur kalten Seite hin, einer Reduzierung unterliegt.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die zueinander weisenden Enden von erster und zweiter Stabilisierungs- und Befestigungshülse auf einen Druckbund bzw. einen Flansch oder eine Druckschraube, insbesondere ausgebildet als Hohlschraube, zu führen und dort durch Verschweißen zu befestigen. Der Flansch bzw. der Druckbund kann selbst als thermische Blende ausgeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, am Flansch oder am Druckbund bzw. an der Hohlschraube zusätzliche, Strahlungsschirmende Elemente anzuordnen, um nachgeordnete, insbesondere elektronische Baugruppen oder Anschlussteile vor einer unnötigen thermischen Einwirkung zu schützen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse von einer Schutzhülse umgeben, welche ein

Isolationsteil sowie mindestens eine Dichtung und die elektronischen Anschlüsse zur externen Signalweiterverarbeitung aufnimmt. Das

Isolationsteil wird mit der Schutzhülse f lächenverpresst.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit vom Durchmesser des im Schutzrohr befindlichen

Sensorelements ein hülsenf örmiges, gegebenenfalls durchmesserseitig abgestuftes Adapterteil vorzusehen, so dass insbesondere auf der kalten Seite maßeinheitliche Stabilisierungs- und Befestigungshülsen einsetzbar sind.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Hochtemperaturmess- sensoranordnung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Weiterbildung der Erfindung mit Adapter und Schutzhülse am kalten Ende der Sensoranordnung und

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie A-A der Anordnung gemäß Fig. 3. Die Hochtemperaturmesssensoranordnung gemäß den Figuren geht aus von einer Mantelleitung 1, die sich in einem Schutzrohr 11 befindet.

Die Mantelleitung 1 weist einen Messabschnitt 12 auf. Dieser Messabschnitt 12 kann auch als Messperle ausgebildet sein.

Der Messabschnitt 12 befindet sich am freiliegenden Ende des Schutzrohrs 11.

Eine Schutzkappe 2 umgibt den Messabschnitt 12 und einen Teil des Schutzrohrs 11.

Eine erste, zur heißen Seite gerichtete Stabilisierungs- und Befestigungshülse 3 steht an ihrem zur Schutzkappe 2 weisenden Ende mit der Schutzkappe 2 in Verbindung. Insbesondere ist hier eine Fügeverbindung realisiert, die eine Stabilisierung gegen Schwingungskräfte bewirkt und darüber hinaus die Möglichkeit schafft, dass thermisch bedingte

Ausdehnungen in Längsachsenrichtung zwischen Schutzkappe 2 und erster Stabilisierungs- und Befestigungshülse 3 aufgenommen werden können.

Weiterhin ist eine zur kalten Seite gerichtete, zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse 5 vorgesehen.

Diese zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse 5 überfängt am anschlussseitigen Ende das Schutzrohr 11 und stützt dieses ab.

Im Füge- und Überfangbereich 13; 14 sind die erste und/oder zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse 3; 5 durchmesserreduziert bzw. verjüngt ausgebildet.

Die zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse 5 kann im Bereich 14 mit dem Schutzrohr 11 verpresst werden.

Die zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse 5 ist bei der gezeigten Ausführung nach Fig. 2 mit einer Schutzhülse 8 umgeben, welche ein Isolationsteil 6 sowie mindestens eine Dichtung 7 aufnimmt, so dass die Anschlüsse 9 elektrisch isoliert und abgedichtet aus der Gesamtanordnung herausgeführt werden können.

Die erste und die zweite Stabilisierungs- und Befestigungshülse 3; 5 führen mit ihren zueinander weisenden Enden auf einen Druckbund 4 und/oder eine Hohldruckschraube 10 und können mit entsprechenden Flächen dieser Elemente durch Verschweißen verbunden werden.

Mit dem Bezugszeichen a ist der Bereich einer Verbindung durch

Verpressen und/oder Verschweißen symbolisiert. Das Bezugszeichen b stellt den Bereich der Fügeverbindung, das Bezugszeichen c einen Bereich einer Flächenverpressung, das Bezugszeichen d und e den Bereich des Verschwei ßens, das Bezugszeichen f den Bereich eines optionalen

Verschwei ßens, das Bezugszeichen g den Bereich eines ebenfalls

optionalen Verschwei ßens, das Bezugszeichen h einen Verpressungsbereich und das Bezugszeichen j einen Flächenverpressungsbereich dar.

Die Stützhülse auf der heißen Seite stabilisiert das Element gegen

Schwingungen und starke Belastungen im Abgasrohr. Eine weitere

Stabilisierung wird durch die Stützhülse auf der kalten Seite bewirkt, wobei die vorgeschlagene Konstruktion zusätzlich in der Lage ist,

Temperaturunterschiede im Bereich der Verschraubung (der

Hohldruckschraube) aufzufangen, so dass Messfehler, aber auch in gewissem Maße Einbaufehler kompensierbar sind.

Um Thermoelemente unterschiedlicher Durchmesser einsetzen zu können, ist gemäß den Fig. 3 und 4 vorgeschlagen, einen Adapter 20 zu nutzen, der die Mantelleitung 1 bzw. das Schutzrohr 11 umgreift.

Der Adapter 20 bzw. das Adapterteil 20 wird in Abhängigkeit vom

Durchmesser des im Schutzrohr 11 befindlichen Sensorelements

ausgebildet, so dass insbesondere auf der kalten Seite maßeinheitliche Stabilisierungs- und Befestigungshülsen einsetzbar sind.

Die Verbindungstechnologien für die vorgenannten Teile in der Darstellung gemäß Fig. 4 sind mit dem Bezugszeichen a als verschweißt bzw. vorverpresst, mit dem Bezugszeichen b als verschweißt und mit dem Bezugszeichen c als f lächenverpresst realisierbar.