Mit metallischen Schutzrohr wird dabei ein metallisches Gehäuse bezeichnet, das die Bauteile des Temperatursensors umschließt, wobei ein das Messelement enthaltender Schutzrohrteil in das Medium hineinragt und ein äußerer Schutzrohrteil die nach Außen führenden Anschlussleitungen aufnimmt.

Unter Prozessanschluss wird die mechanische Verbindungsstelle des Temperatursensors mit dem Behältnis, in dem sich das Medium befindet, dessen Temperatur ermittelt werden soll verstanden, beispielsweise eine Rohrleitung.

Der elektrischer Anschluss ist die Koppelstelle der im Gehäuse verlaufenden Innenleitungen mit den äußeren Anschlussleitungen.

Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verwendung in Temperaturmessstellen mit erhöhtem mechanischen und thermischen Belastungen, wie dies beispielsweise in Abgaskanälen von Verbrennungsmotoren der Fall ist.

Zur Verbesserung des Motormanagements von Verbrennungs-und Gasmotoren werden Temperaturfühler benötigt, deren Einsatztemperatur im Bereich von

600 °C... 900 °C liegt. Die Messstellen für die Temperaturfühler liegen meist im motornahen Teil des Abgaskanals. Die bei Abgastemperaturmessungen vorliegenden chemisch-korrosiven, mechanischen und thermischen Einsatzbedingungen stellen sehr hohe Anforderungen an die Bauteile des Temperaturfühlers und erfordern aufwendige und komplizierte Mittel hinsichtlich der einzusetzenden Materialen sowie von diffizilen Maßnahmen zur stabilen Lagerung der Bauteile und der Gestaltung von Verbindungen der Bauteile.

Im Stand der Technik sind vielfältige Anordnungen beschrieben, die einzelne der vorgenannten Aufgaben lösen sollen.

Hierzu sind beispielsweise nach DE 199 34 738 AI und DE 100 62 041 A1 Anordnungen bekannt, bei denen die Verbesserung der Aufbau-und der Verbindungstechnologie zwischen Sensor und Innenleitungen dadurch erreicht werden soll, dass der anschlussseitige Bereich des Temperatursensors mit temperaturfesten, elektrisch nicht leitenden Material vergossen ist oder über eine überlappende Verbindung von Thermistorenanschlüssen und Signalinnenleiter bei paßgenauem Sitz erfolgt.

Technische Maßnahmen zur Sicherung des Messelementes sind in DE 30 12 787 Al und DE 199 22 928 Al angegeben.

Zum Schutzes gegen sensorschädigende Atmosphären sind nach DE 298 23 459 U1 und EP 0 774 650 AI verschiedene Maßnahmen bekannt.

In EP 0 774 650 AI wird vorgeschlagen, im Anschlussbereich eines rohr- förmigen Gehäuses eine mechanisch feste und flüssigkeitsdichte Verbindung vorzusehen, die den Zutritt von Luftsauerstoff aus der Umgebung über ein Anschlusskabel in das Gehäuse ermöglicht. Ferner ist es nach DE 298 23 459 U1 bekannt, den Sauerstoffzutritt über eine spezielle Halsrohröffnung zu ermöglichen. Nachteilig sind hierbei neben den komplizierten Aufbauten die Notwendigkeit der Anbringung von Öffnungen an den Sensorfassungen.

Möglichkeiten zur Verbesserung messtechnischer Wärmeableitungs-und Strahlungsfehler werden in DE 199 39 493 AI und DE 298 23 379 Ul

beschrieben.

Zur Verbesserung des Schutzes der mechanischen Armaturkomponenten sind in DE 100 34 265 Al und DE 199 41 188 Al Anordnungen angegeben, die durch unterschiedliche Durchmessergestaltung eine Anpassung an Festigkeits- und Fertigungsvorgaben zu erreichen.

Nachteilig sind bei den beschriebenen Anordnungen neben der aufwendigen und damit kostenintensiven Herstellung auch, dass jeweils nur einzelnen der genannten Belastungen begegnet wird, so dass die Ursachen für Funktionsstörungen messtechnischer, elektrischer oder mechanischer Art nicht generell beseitigt werden.

Ferner ist es nach DE 42 07 317 C2, DE 16 48 261 A und US-PS 52 09 571 A bekannt, bei in keramischen Schutzrohren angeordneten Thermoelementen in den Schutzrohren Pulver zu verwenden, denen sauerstoffreduzierende Komponenten beigemischt sind, um die bei diesen Anordnungen verwendeten Thermodrähte vor Oxidation zu schützen und damit deren Lebensdauer zu verlängern. Für Anordnungen mit Platin-Widerstands-Sensoren sind diese Maßnahmen jedoch nicht möglich, weil dort reduzierende Bedingungen die Lebensdauer des Platinwiderstandes verringern würden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochtemperatursensor der eingangs angegebenen Art anzugeben, der bei Temperaturen von mindestens 600° C eingesetzt werden kann, hohen mechanische und chemischen Belastungen standhält, technologisch günstig hergestellt werden kann und darüber hinaus die Zuverlässigkeit und Funktionssicherheit sowie die Lebensdauer gegenüber bekannten Temperatursensoren verbessert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Hochtemperatursensor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hochtemperatursensors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch die schematische Darstellung eines Hochtemperatursensor in gerader Ausführung, Figur 2 einen Längsschnitt durch die schematische Darstellung eines Hochtemperatursensor in gewinkelter Ausführung mit Isolierung durch Keramikkapillaren und Isolierschläuchen aus keramischen Fasern, Figur 3 einen Längsschnitt durch die schematische Darstellung eines Hochtemperatursensor in gewinkelter Ausführung mit vollständiger Isolierung durch Isolierschläuche aus keramischen Fasern, Figur 4 einen Längsschnitt durch die schematische Darstellung eines Hochtemperatursensor mit Mantelleitung, Figur 5 die ausschnittsweise Darstellung eines Hochtemperatursensors mit einstücker keramischer Kapselhülse für Sensor und Mineralleitung,

Figur 6 einen Längsschnitt durch die schematische Darstellung . eines Hochtemperatursensors mit Profilinnenleitern und Figur 7 ein Draufsicht auf den Querschnitt eines Innenaufbaus mit profilierten Innenleiterblech. Der in Figur 1 dargestellte Hochtemperatursensor weist einen gekapselten Messwiderstand 1 in Form eines Platin-Dünnschicht-Widerstandes 1.1 mit Widerstandsanschlussdrähten 1.2 auf, der in einer Kapselhülse 1.3 aus Keramik angeordnet ist und mit in diesem eingekitteten, aus einer Nickellegierung bestehenden drahtförmigen Innenleitern 4 über die Schweißstelle 3 elektrisch verbunden ist.

Die Innenleitungsdrähte sind durch keramischen Isolationsteilstücken, insbesondere in Form von Keramikkapillaren 20, geführt, wobei in definierten Abständen Verkreuzungen 25 der Innenleitungsdrähte 4 angeordnet sind, um zug-oder schubwirksame Längskräfte als Folge von Dilatation vom gekapselten Messwiderstand 1 fernzuhalten. Die Innenleitungsdrähte 4 sind am kalten Ende des den ganzen Sensoraufbau beinhaltenden Schutzrohres 8 über die elektrische Verbindungsstelle 13, die mit dem Kleber 22 umhüllt ist, mit dem Anschlusskabel 14 verbunden.

Um das Anschlusskabel 14 zugsicher mit dem Schutzrohr 8 zu verbinden, ist zwischen dem Anschlusskabel 14 und dem Schutzrohr 8 ein Zusatzbauteil 21 angeordnet, das über mehrfache Verbindungsstellen in Form von Sicken 16 das Anschlusskabel 14 mit dem Schutzrohr 8 verbinden. Damit der gekapselte Messwiderstand 1 stoßgeschützt im Schutzrohr 8 angeordnet ist, wird er mit keramischem Pulver 6 fest im Schutzrohr 8 eingerüttelt. Durch Wärmedehnung des Schutzrohres 8 verursachte Pulverlockerungen werden durch die Ausdehnung des als Aluminiumhülse ausgebildeten Zusatzbauteiles 21 in

Verbindung mit dem überstehendem Material des Kabels 14 kompensiert, wobei die maßliche Abstimmung für die relative Null-Volumen-Dilatation auf den Arbeitspünkt des Hochtemperatursensors ausgerichtet ist.

Dem Keramikpulver 6 sind sauerstoffabgehende oxidische Pulver beigemischt, die oberhalb von 500 °C Sauerstoff abgeben. Besonders geeignet hierzu ist Mangan- (IV)-oxid. Auf diese Weise wird der Bildung einer reduzierenden Atmosphäre und damit auch Diffusionsprozessen am Messwiderstand 1. 1 bzw. der Absenkung des Sauerstoffpartialdruckes vorgebeugt. Es konnte nachgewiesen werden, dass in geschlossenen Sensorsystemen aus nichtoxidationsbeständigem metallischen Material mit zunehmender Temperatur der Sauerstoffpartialdruck sinkt. Ein geschlossenes System entsteht durch messwiderstandsseitig dicht verschweißte und anschlussseitig dicht vergossene metallische Temperaturfühlerausführungen.

Am Schutzrohr 8 ist der Prozessanschluss angebracht, der hier aus einem am Schutzrohr 8 angeschweissten Dichtbund 10 und der Überwurfmutter 11 besteht. Es ist jedoch auch möglich, das Schutzrohr 8 mit Außengewindearmaturen für Einschraubmuffen an der Messstelle zu versehen.

Das Schutzrohr 8 ist zweckmäßiger Weise in dem Bereich in dem sich der Messwiderstand 1. 1 befindet, mit einer Verjüngung 8. 1 versehen. Der Schutzrohrboden 9 ist mit dem unteren Ende des Schutzrohres 8 dicht verschweißt. Das Schutzrohr 8 mit Boden 9 kann auch einstückig als Drehteil ausgebildet sein.

Der Kabelabgang des Anschlusskabels 14 ist vorteilhaft gegen mechanische Beanspruchungen durch Knickschutzfedern oder durch die in Figur 2 dargestellte Kunststoffverspritzung 17 gesichert.

Es ist auch möglich, Pulverlockerungen dadurch zu vermeiden, dass das keramische Pulver 6 zusätzliche Beimengungen eines Pulvers enthält, welches einen deutlich höheren Volumenausdelinungskoeffizient aufweist als das Aluminium-bzw. Magnesiumoxid. Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich dadurch, dass das keramische Pulver 6 schichtweise im Schutzrohr 8

eingebracht ist, wobei in der Messspitze, in der sich der Messwiderstand befindet, Aluminiumoxid eingebracht ist, während sich im mittleren Teil der Anordnung ein Gemisch von Aluminiumoxid und sauerstoffspendenden Oxidverbindungen befindet und im sich daran anschließenden Kabelanschlussteil ein Gemisch aus Aluminiumoxid und einem Pulver mit höherem Volumenausdehnungskoeffizienten eingebracht ist.

Bei der in Figur 2 dargestellten Anordnung stimmen der in das zu messende Medium ragende Teil des Temperatursensors sowie die aus Dichtbund 10 und Überwurfmutter 11 bestehende Prozessanschlussstelle mit der in Figur 1 dargestellten Anordnung überein. Das Schutzrohr 8 weist im äußeren Bereich das um 90° abgewinkelte Schutzrohrteil 8.2 auf. Die in diesem Bereich verlaufenden drahtförmigen Innenleiter 4 sind mit Isolierschläuchen 23 aus keramischen Fasern versehen und leicht verdrillt. Der Anschluss mit dem Anschlusskabel 14 am abgewinkelten Schutzrohrteil 8. 2 erfolgt an der mit Kleber 22 überhüllten elektrischen Verbindungsstelle 13. Zwischen der Anschlussleitung 14 und dem Schutzrohr 8 ist mindestens ein als Hülse ausgebildetes Zusatzbauteil 21 angeordnet, welches einen höheren Ausdehnungskoeffizient als das Schutzrohr 8 aufweist, so dass durch Temperaturschwankungen verursachte unterschiedliche Volumenänderungen von Schutzrohr. 8 und Keramikpulver 6 ausgeglichen werden und Hohlräume vermieden werden. Vorzugsweise wird eine Zwischenhülse aus Aluminium verwendet.

Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Variante eines Hochtemperatur- sensor in gewinkelter Ausführung, bei der die drahtförmigen Innenleiter 4 vollständig durch Isolierschläuche 23 aus keramischen oder glaskeramischen Fasern isoliert sind.

In Figur 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der aus dem Schutzrohr 8 eine abgewinkelte mineralisolierte Mantelleitung 5 führt. Es sind natürlich in gleicher Weise auch gestreckte Anordnungen ausführbar. Am Ende der Mantelleitung 5 ist auf deren äußeren Metallmantel 5.2 eine Zwischenhülse 12 geschweißt. Im Inneren der Zwischenhülse 12, befinden sich in einem Verguss 15 Verbindungsstellen 13, mit denen die Innenleiter 5.1 der Mantelleitung 5 mit dem Anschlusskabel 14 verbunden sind. Das Anschlusskabel 14 ist mit Hilfe der Sicken 16 so befestigt, dass sich eine Zugentlastung ergibt. Im Bereich des Prozessanschlusses ist das Schutzrohr 8 so an der Mantelleitung 5 angeschweißt, dass sich die Schweißnaht 18 an der Mantelleitung außerhalb der Mediums befindet und damit vor dessen aggressiven Einflüssen geschützt ist. In der hier gezeigten Ausführung ist das Schutzrohr 8 gegenüber den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anordnungen etwas kürzer ausgeführt, weist jedoch eine ähnliche Kontur auf und enthält die gesamte Konfiguration des Hochtemperatusrsensors. Der Innenraum des medienseitigen Sensorteiles ist mit Keramikpulver 6 gefüllt, dem sauerstoffabgebende oxidische Pulver beigemischt sind. Die Innenleiter 4 sind durch Verbindungsstellen 2 mit dem Mantelleitungsinnenleiter 5.1 und mit der Anschlussdrahtverbindungsstelle 3 mit dem Messwiderstand 1. 1 verbunden. Der Schutzrohrboden 9 ist mit der Schweißnaht 19 an der Schutzrohrverjüngung 8. 1 befestigt. Der Prozess- anschluss besteht aus dem am Schutzrohr 8 angeschweißten Dichtbund 10 und der Überwurfmutter 11, kann aber auch mit einer Druckschraube oder andere Befestigungsmittel ausgeführt sein.

Eine hier nicht dargestellte vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass direkt hinter der Mantelleitung 5 innerhalb des Schutzrohres 8 ein metallisches ringförmiges Bauteil mit hohem Ausdehnungskoeffizienten und hochoxidierter Oberfläche angeordnet ist.

In einer weiteren, in Figur 5 erläuterten Ausführung, sind die Mantel- innenleitungsdrähte 5.1, die Pulverfüllung 5.3 und der Messwiderstand 1.1 mit seinen Anschlussdrähten 1.2 sowie die Anschlussdrahtverbindungsstelle 3 von

einer verlängerten, keramischen Kapselhülse 1.3 umgeben. Die Kapselhülse 1.3 und Zwischenräume zur Mantelleitung sind mit Hochtemperaturkitt 26 ausgefüllt, so dass eine einstückige Form entsteht. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Anordnungen wird dabei auf eine Verbindung dieses Kittverbandes zum Schutzrohr 8 bewusst verzichtet, so dass radiale Dilatationsbewegungen die Sensorfunktion nicht beeinträchtigen.

Figur 6 zeigt im Längsschnitt eine schematische Darstellung eines Hoch- temperatursensors, bei dem als Innenleiter 4 gestanzte Profilteile 7 dienen, auf deren Enden röhrenförmige Keramik-Formteile 20. 1 und 20.2 mit profilierten Innen-und Außenkonturen aufgeschoben sind. Die profilierten Innenleiterbleche 7 sind vorzugsweise Stanzteile und sensorseitig mit dem Messwiderstand 1.1 verschweißt. Der Messwiderstand 1.1 sowie die Verbindungsstelle 3 sind mit einer keramischen Kapselhülse 1.3 überzogen, welche mit Hochtemperaturkitt 26 ausgefüllt ist. Die Anordnung ist in einem Schutzrohr 8 angeordnet und mit Keramikpulver 6, dem sauerstoffabgebende oxidische Pulver beigemischt sind, ausgefüllt, wobei das Schutzrohr im sensorfernen Teil einen großen Innendurchmesser aufweist, so dass um die Keramik-Formteile 20, bzw. 20.1 und 20.2 partiell hochoxidierte, metallische Ringe 28 mit hohem Ausdehnungskoeffizienten angeordnet sind, wobei zwischen Keramik-Formteil 20.1, 20.2 und metallischen Ringen 28 deutliche Spaltweiten bestehen. An diesen Enden der Profillteile 7 ist das Anschlusskabel 14 angeschlossen und der Bereich der Verbindung der Profillteile 7 mit dem Anschlusskabel 14 ist mit einer Kunststoffverspritzung 17 gegen mechanische Beanspruchungen geschützt.

Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass im oberen Teil des Schutzrohrs 8 metallische Bauteile mit hohem Ausdehnungskoeffizient und hochoxidierter Oberfläche angeordnet sind, die bei steigenden Temperaturen die relative Volumenverringerung des vom Keramikpulver 6 eingenommene Volumens gegenüber dem Schutzrohrinnenraum ausgleichen und von der voroxidierten

Oberfläche Sauerstoff in den Schutzrohr-Innenraum abgeben.

Ferner ist es möglich, dass als metallische Bauteile eine Füllung aus metallischen Körnern eingebracht ist, die stark voroxidiert sind und einen gegenüber dem Schutzrohres 8 relativ großen Ausdehnungseffizient besitzen.

Bei der in Figur 7 darstellten Anordnung sind die profilierten Innenleiterbleche 7 in ein oder in mehrere Keramikeinlegeteile 24 eingefügt, wobei an die Innenleiterbleche 7 der Messwiderstand 1.1 angeschweißt und mit Hochtemperaturkitt 26 gesichert ist. Die Innenleiterbleche 7 weisen eine Dehnungsausgleichstelle 29 auf, die vorzugsweise in Form einer V-förmigen Sicke gestaltet ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 gekapselter Messwiderstand 1. 1 Messwiderstand 1. 2 Messwiderstandsanschlussdraht 1.3 Kapselhülse 2 Verbindungsstelle zum Mantelinnenleiter 3 Anschlussdrahtverbindungsstelle 4 Innenleiter 5 Mantelleitung 5. 1 Innenleiter der Mantelleitung 5.2 äußerer Metallmantel der Mantelleitung 5.3 Pulverfüllung der Mantelleitung 6 Keramikpulver 7 profiliertes Innenleiterblech 8 Schutzrohr 8. 1 Verjüngung 8.2 abgewinkeltes Schutzrohrteil 9 Schutzrohrboden 10 Dichtbund 11 Überwurfinutter 12 Zwischenteil 13 Verbindungsstelle zum Anschlusskabel 14 Anschlusskabel 15 Vergussmasse 16 Sicke 17 Kunststoffumspritzung 18 Schweißnaht an Mantelleitung 19 Schweißnaht am Schutzrohrboden 20 Keramik-Formteil 20. 1 keramisches Führungsteil für Innenleiterprofile 20. 2 oberes keramisches Formstück 21. Zusatzbauteil 22 Dichtungskleber 23 Isolierschlauch aus keramischen Fasern 24 Keramikeinlegeteil 25 Kreuzung der Innenleitungsdrähte 26 Hochtemperaturkitt 28 metallischer Ring, partiell hochoxidiert 29 Dehnungsausleich