Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere zur Temperaturmessung eines strömenden Gases.

Aus US 5,364, 186 ist eine Vorrichtung zur Temperaturmessung bekannt, wobei die Vorrichtung eine beschichtete Lichtleitfaser umfasst. Des Weiteren ist ein beschichtetes Rohr als Endstück vorgesehen. Aufgrund der Beschichtung der Faser kann diese die Temperatur bei der Messung aufnehmen, jedoch nicht schnell weiterleiten, da die thermische Masse der Faser oder der am Boden geschlossenen Kapillare die Zeitkonstante bestimmt. Die in US 5,364, 186 offenbarte Faser ist aus Gründen der Temperaturbelastung aus Al ₂ 0 ₃ hergestellt. Aufgrund der relativ hohen thermischen Ausdehnung dieses Materials treten in der offenbarten Vorrichtung zur Temperaturmessung mechanische Probleme aufgrund von Ausdehnungsfehlanpassungen auf. Derartige mechanische Probleme treten vor allem im dynamischen Fall bei hoher Temperaturwechselbelastung auf.

Des Weiteren ist die Reaktionszeit der beschriebenen Temperaturmessvorrichtung sehr hoch. Bei einer Temperaturmessung im Abgasstrang einer

Verbrennungskraftmaschine sollte eine derartige Messung jedoch sehr schnell durchführbar sein, um einerseits Bauteile, wie z. B. den Turbolader vor

Überhitzung zu schützen und andererseits heiße, vom jeweiligen Zylinder abgegebene Abgasvolumina zu detektieren und ggf. mit anderen

Zylinderausschüben zu vergleichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere eines strömenden Gases, anzugeben, so dass die vorerwähnten Nachteile überwunden werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung zur Temperaturmessung, insbesondere eines strömenden Gases, gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Vorrichtung zur Temperaturmessung anzugeben, umfassend mindestens einen schwarzen Keramikkörper zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper ausgesendeten

Infrarotstrahlung an einen Detektor, wobei das dem Keramikkörper zugewandte erste Ende des Lichtwellenleiters durch eine Kapillare vom Keramikkörper beabstandet angeordnet ist. Mit anderen Worten wird eine Vorrichtung zur Temperaturmessung beschrieben, die auf der Basis eines strahlenden schwarzen Körpers, dessen AbStrahlungsleistung mittels eines Lichtwellenleiters durch beispielsweise einen Interferenzfilter an einem Detektor nachgewiesen wird, beruht.

Der schwarze Keramikkörper kann beispielsweise aus einem Sinterverbund aus amorphem Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) mit Silicium (Si) und/oder mit Kohlenstoff (C) und/oder mit Siliciumcarbid (SiC) bestehen. Mit anderen Worten besteht der Sinterverbund des schwarzen Keramikkörpers aus amorphem Siliciumdioxid und einem weiteren Element. Bei diesem weiteren Element kann es sich beispielsweise um Silicium (Si) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Siliciumcarbid (SiC) handeln.

Der Anteil von Silicium (Si) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Siliciumcarbid (SiC) im Sinterverbund kann beispielsweise 1 % bis 70 %, insbesondere 2,5 % bis 60 %, insbesondere 5 % bis 50 % betragen.

Die Temperatur eines beispielsweise heißen und schnellströmenden Gases wird folglich durch einen kleinen keramischen Körper aufgenommen und in

abzustrahlende Infrarotstrahlung umgesetzt. Der schwarze Keramikkörper besteht aus beispielsweise gesintertem Material mit der beschriebenen

Zusammensetzung. Mit anderen Worten stellt die Glaskeramik einen Verbund aus Quarzglas und z. B. Silicium-Partikeln dar. Die Partikel, wie z. B. Silicium und/oder Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid weisen vorzugsweise eine Größe von 1 μιτι bis 10 μιτι auf.

Der schwarze Keramikkörper ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine Erhitzung bzw. eine Erwärmung des schwarzen Keramikkörpers im in Frage kommenden Temperaturbereich möglichst rasch vollzogen wird. Eine Ansprechzeit bzw. Reaktionszeit für die 63 %-Zeit beträgt für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Temperaturmessung beispielsweise weniger als 100 Millisekunden. Um eine derartig schnelle Ansprechzeit zu realisieren, ist der schwarze Keramikkörper vorzugsweise hinsichtlich der wärmetechnischen, strömungs- und strahlungstechnischen Eigenschaften optimiert.

Hierzu kann es zunächst vorgesehen sein, dass der schwarze Keramikkörper porös ausgebildet ist. Vorzugsweise besitzt der schwarze Keramikkörper eine höchstmögliche Porosität zur Reduzierung der beteiligten Masse. Der schwarze Keramikkörper kann vorzugsweise eine möglichst geringe thermische Masse aufweisen, die dadurch erreicht wird, dass der schwarze Keramikkörper lediglich einen geringfügig größeren Durchmesser hat als der Lichtwellenleiter. Vorzugsweise weist der schwarze Keramikkörper einen Durchmesser auf, der lediglich Bruchteile von 1 mm größer als der Durchmesser der Lichtleitfaser bzw. des

Lichtwellenleiters ist. Vorzugsweise weist der schwarze Keramikkörper einen Durchmesser von < 1.000 μιτι, insbesondere < 750 μιτι, insbesondere < 500 μιτι, auf.

Zur Erzielung eines optimalen bzw. verbesserten Wärmeübergangs vom zu messenden strömenden Element bzw. Gas auf den schwarzen Keramikkörper, ist die von dem Lichtwellenleiter abgewandte Oberfläche des Keramikkörpers glatt ausgebildet mit einer gemittelten Rautiefe R _z < 20 μιτι, insbesondere R _z < 15 μιτι, insbesondere R _z < 10 μιτι. Aufgrund einer derart glatten Oberfläche bzw. einer Oberfläche mit geringer Rauheit wird ein hoher Strömungswiderstand des schwarzen Keramikkörpers bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang erzielt.

Der schwarze Keramikkörper kann flach und/oder linsenförmig und/oder kugelförmig ausgebildet sein. Des Weiteren ist es denkbar, dass der schwarze Keramikkörper eine konkave Form aufweist, die vorzugsweise zum ersten Ende des Lichtwellenleiters hin orientiert ist.

Um eine maximale Emission bzw. einen möglichst hohen Emissionsgrad der thermischen Energie im Zusammenhang mit dem schwarzen Keramikkörper zu erzielen, weist der schwarze Keramikkörper optisch absorbierende Dotanden, wie z. B. Silicium und/oder Carbon und/oder Siliciumcarbid in der sonst artgleichen Siliciumdioxid-Matrix auf. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Kapillare und der Lichtwellenleiter aus einem Basismaterial, vorzugsweise aus gleichem

Basismaterial, gebildet, wobei dieses Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) aufweist.

Um den Lichtwellenleiter bzw. die Lichtleitfaser wärmetechnisch bestmöglich zu entkoppeln ist der Lichtwellenleiter vom schwarzen Keramikkörper beabstandet angeordnet. Die zur Herstellung des Abstandes bzw. der Distanz zwischen dem schwarzen Keramikkörper und dem Lichtwellenleiter ausgebildete Kapillare bzw. ein Stützrohr, weist vorzugsweise den gleichen Werkstoff bzw. das gleiche Basismaterial wie das Material des Lichtwellenleiters bzw. der Lichtleitfaser auf.

Die Kapillare hat einen Durchmesser, der lediglich geringfügig größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters ist. Vorzugsweise weist die Kapillare einen Durchmesser von 150 - 250 μιτι, insbesondere 175 - 225 μιτι, insbesondere 200 μιτι, auf. Die Wandstärke der Kapillare bzw. die Wandstärke des Stützrohrs kann beispielsweise 10 μιτι - 200 μιτι, insbesondere 25 μιτι - 100 μιτι,

insbesondere 50 μιτι, betragen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Temperaturmessung besteht darin, dass alle Bauteile der Vorrichtung, nämlich der schwarze Keramikkörper, der Lichtwellenleiter sowie die Kapillare vorzugsweise aus dem gleichen Basismaterial gebildet sind. Bei dem Basismaterial handelt es sich beispielsweise um Quarzglas. Da alle Elemente bzw. Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus dem gleichen Material, nämlich Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) bestehen bzw. zumindest dieses Material aufweisen, weisen diese Bauteile bzw. Elemente einen übereinstimmenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Mechanische Probleme durch Ausdehnungsfehlanpassungen werden aufgrund dieser Auswahl der Materialien größtenteils vermieden.

Bei einer vorzunehmenden Temperaturmessung wird die von dem schwarzen Keramikkörper abgestrahlte bzw. ausgesendete Infrarotstrahlung an den

Lichtwellenleiter, insbesondere an eine Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters weitergeleitet. Mit anderen Worten strahlt der schwarze Keramikkörper mit Infrarotstrahlung in die Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters hinein, wobei dies vorzugsweise mit einer Abstrahlcharakteristik eines nahezu idealen schwarzen Körpers erfolgt. Der Kern des Lichtwellenleiters besteht aus, insbesondere synthetischem,

Quarzglas bzw. synthetischem Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) mit einem ersten Brechungsindex nl und einem OH-Gehalt von < 2,0 ppm, insbesondere < 1,5 ppm, insbesondere < 1,0 ppm.

Die Abkürzung ppm steht hierbei für den englischen Ausdruck„parts per million" und steht für die Zahl 10 ^"6 , also zu Deutsch dem millionsten Teil.

Des Weiteren weist der Lichtwellenleiter eine Umhüllung aus, insbesondere synthetischem, Quarzglas bzw. Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) mit einem zweiten

Brechungsindex n2 auf, wobei der zweite Brechungsindex n2 kleiner als der erste Brechungsindex nl ist.

Vorzugsweise ist die Umhüllung aus Quarzglas bzw. Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) mit Fluor dotiert. Vorzugsweise ist der Unterschied der beiden Brechungsindizes nl und n2 möglichst groß, so dass ein großer Anteil der von dem schwarzen Keramikkörper ausgesendeten Infrarotstrahlung zu einem Detektor mittels Weiterleitung über den Lichtwellenleiter geführt werden kann.

Die numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters, also das Vermögen des

Lichtwellenleiters, Licht zu fokussieren, ist vorzugsweise > 0,1, insbesondere > 0,15, insbesondere größer 0,20.

Der Lichtwellenleiter kann zusätzlich eine erste Kunststoffschicht, insbesondere ein Coating aus Acrylat und/oder Silicon und/oder Polymid (PI) aufweisen. Eine derartige erste Kunststoffschicht in Form eines Coatings kann die mechanische Belastbarkeit, z. B. beim Biegen des Lichtwellenleiters erhöhen. Außerdem wird der Lichtwellenleiter aufgrund der ersten Kunststoffschicht vor äußeren

Einflüssen, z. B. vor Feuchtigkeit geschützt. Die erste Kunststoffschicht kann als Kunststoff-Beschichtung und/oder Kunststoff-Umhüllung ausgebildet sein.

Optional kann der Lichtwellenleiter eine zweite Kunststoffschicht bzw. eine weitere Kunststoffschicht, die auf der ersten Kunststoffschicht aufgetragen bzw. aufgebracht ist, aufweisen. Bei einer derartigen zweiten Kunststoffschicht handelt es sich beispielsweise um ein sogenanntes Buffering. Bei der zweiten

Kunststoffschicht kann es sich beispielsweise um Tefcel und/oder Polyamid (PA) handeln. Durch eine derartige zweite Kunststoffschicht können die mechanischen

Eigenschaften des Lichtwellenleiters bzw. des aufgrund der Beschichtung gebildeten Faserkabels weiter optimiert sein. Die zweite Kunststoffschicht kann als Kunststoff-Beschichtung und/oder Kunststoff-Umhüllung ausgebildet sein. Sowohl die erste Kunststoffschicht als auch die zweite Kunststoffschicht sind vorzugsweise für die im Einsatzbereich vorherrschenden Temperaturen optimiert. Die Temperaturbeständigkeit der ersten und/oder zweiten Kunststoffschicht beträgt vorzugweise > 150 °C.

Vorzugsweise deckt der schwarze Keramikkörper das zum schwarzen Keramikkörper weisende erste Ende der Kapillare ab. Des Weiteren ist es denkbar, dass der schwarze Keramikkörper das vordere bzw. das zum schwarzen Keramikkörper weisende erste Ende der Kapillare umschließt.

Im Überlappungsbereich mit der Kapillare ist der Lichtwellenleiter vorzugsweise abisoliert und weist in diesem Überlappungsbereich keine erste und/oder zweite Kunststoffschicht auf. Mit anderen Worten ist der Lichtwellenleiter im

Überlappungsbereich vom Coating aus Acrylat, Silicon oder Polymid und vom Buffering aus Tefcel und/oder Polyamid befreit.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter

Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Schnittdarstellung in Längsrichtung hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Temperaturmessung, insbesondere zur Temperaturmessung eines strömenden Gases.

Die Vorrichtung 10 zur Temperaturmessung eines strömenden Gases umfasst einen schwarzen Keramikkörper 20 zur Aussendung von Infrarotstrahlung, weiterhin mindestens einen Lichtwellenleiter 15 zur Weiterleitung der von dem schwarzen Keramikkörper 20 ausgesendeten Infrarotstrahlung, wobei das dem Keramikkörper 20 zugewandte erste Ende 16 des Lichtwellenleiters 15 durch eine Kapillare 30 vom Keramikkörper 20 beabstandet angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 kann vorteilhaft im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden bzw. dort Anwendung finden. Eine Temperaturmessung im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise sehr schnell durchzuführen, um einerseits Bauteile, wie den

Turbolader vor Überhitzung zu schützen und andererseits heiße, vom jeweiligen Zylinder abgegebene Abgasvolumina zu detektieren und ggf. mit anderen abgegebenen Abgasvolumina zu vergleichen.

Der schwarze Keramikkörper 20 besteht vorzugsweise aus einem gesinterten Material. Mit anderen Worten besteht der schwarze Keramikkörper 20 aus einem Sinterverbund aus amorphem Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) mit Silicium (Si) und/oder mit Kohlenstoff (C) und/oder mit Siliciumcarbid (SiC). Der Anteil von Silicium und/oder Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid im Sinterverbund beträgt

vorzugsweise 5 % - 50 %.

Der schwarze Keramikkörper 20 ist des Weiteren porös ausgebildet. Die vom Lichtwellenleiter 15 abgewandte Oberfläche 21 des schwarzen Keramikkörpers 20 ist glatt ausgebildet mit einer gemittelten Rautiefe R _z < 10 μιτι. Aufgrund des niedrigen R _z -Wertes von < 10 μιτι wird ein hoher Strömungswiderstand des schwarzen Keramikkörpers 20 bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang erzielt.

Der schwarze Keramikkörper 20 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Linsenform auf, wobei die Linsenform nach außen, also in Richtung des nichtdargestellten Abgasstrangs ausgebildet ist. Mittels der Kapillare 30 ist der Lichtwellenleiter 15 in einem Abstand a vom schwarzen Keramikkörper 20 distanziert angeordnet.

Da der Lichtwellenleiter 15 in dem Abstand a von dem schwarzen Keramikkörper 20 angeordnet ist, ist ihr Sichtfeld größer als der Durchmesser d des

Lichtwellenleiterkerns. Der schwarze Keramikkörper 20 weist einen Durchmesser D von < 500 μιτι auf und ist nur geringfügig größer als der Durchmesser d des Lichtwellenleiters 15. Hierdurch wird erreicht, dass ausschließlich Wärmestrahlung bzw. Infrarotstrahlung des schwarzen Keramikkörpers 20 in den Lichtwellenleiter 15 fällt und von diesem weitergeleitet wird, wodurch Fehler bei der genauen Messung der Temperatur verhindert werden.

Aufgrund der Anordnung des schwarzen Keramikkörpers 20 nimmt der schwarze Keramikkörper 20 weitgehend die Temperatur des heißen, schnellströmenden Gases an. Der schwarze Keramikkörper 20 emittiert dann Infrarotstrahlung entsprechend der angenommenen bzw. aufgenommenen Temperatur, wobei die Infrarot- bzw. Wärmestrahlung von dem Lichtwellenleiter 15 aufgenommen und an einen (nicht dargestellten) Detektor weitergeleitet wird.

Die Kapillare 30 und der Lichtwellenleiter 15 weisen das gleiche Basismaterial, nämlich Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) auf. Da alle Bauteile, nämlich der schwarze Keramikkörper 20, die Kapillare 30 und der Lichtwellenleiter 15 übereinstimmendes Basismaterial aufweisen bzw. aus dem gleichen Material bestehen, vorzugsweise Quarzglas, besitzen diese denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Mechanische Probleme, die durch Ausdehnungsfehlanpassungen vor allem im dynamischen Fall bei hoher Temperaturwechselbelastung auftreten, werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 weitestgehend vermieden.

Der schwarze Keramikkörper 20 liegt im dargestellten Beispiel auf der Kapillare 30 auf. Der schwarze Keramikkörper 20 deckt somit das zum schwarzen

Keramikkörper 20 weisende erste Ende 31 der Kapillare 30, bzw. die Wand der Kapillare 30 ab. Der Durchmesser D des schwarzen Keramikkörpers 20 beträgt im vorliegenden Fall weniger als 500 μιτι. Die Kapillare 30 hat einen

Innendurchmesser, der wenig größer als der Faserdurchmesser d ist. Der

Faserdurchmesser d beträgt beispielsweise 200 μιτι. Die Kapillare 30 hat im vorliegenden Fall eine Wandstärke b von 50 μιτι.

Der nicht weiter dargestellte Kern des Lichtwellenleiters 50 besteht aus synthetischem Quarzglas, nämlich synthetischem Siliciumdioxid (Si0 ₂ ) mit einem ersten Brechungsindex nl und einem OH-Gehalt von < 1,0 ppm. Des Weiteren weist der Lichtwellenleiter 15 eine (nicht dargestellte) Umhüllung aus synthetischem

Quarzglas, nämlich synthetischem Siliciumdioxid mit einem zweiten Brechungsindex n2 auf, wobei der zweite Brechungsindex n2 kleiner als der erste

Brechungsindex ist. Die Umhüllung aus synthetischem Quarzglas ist mit Fluor dotiert. Der Unterschied der beiden Brechungsindizes und damit die numerische Apertur NA des Lichtwellenleiters ist möglichst groß ausgebildet. Vorzugsweise weist der Lichtwellenleiter 15 eine numerische Apertur NA größer als 0,2 auf.

Aufgrund dessen kann ein großer Anteil der von dem schwarzen Keramikkörper 20 abgestrahlten Infrarotstrahlung mittels des Lichtwellenleiters 15 zu einem nicht dargestellten Detektor geführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Temperaturmessung basiert zusammenfassend auf dem schwarzen Keramikkörper 20, dessen AbStrahlungsleistung mittels des Lichtwellenleiters 15 durch einen Interferenzfilter an einem Detektor nachgewiesen wird.

Im Überlappungsbereich wird die Kapillare 30 auf den abisolierten

Lichtwellenleiter 15 mit einem Abstand von vorzugsweise 100 μιτι aufgeschoben.

Das Abisolieren betrifft ein optionales Kunststoff-Coating sowie ein optionales Buffering. Der Lichtwellenleiter 15 kann eine erste Kunststoffschicht,

insbesondere ein Coating aus Acrylat und/oder Silicon und/oder Polymid, aufweisen. Des Weiteren ist es denkbar, dass der Lichtwellenleiter 15 eine zweite Kunststoffschicht, insbesondere ein Buffering aus Tefcel und/oder Polyamid, aufweist. Diese beiden optionalen Kunststoffschichten sind im Überlappungsbereich mit der Kapillare 30 nicht vorgesehen bzw. nicht ausgebildet.

Die erste Kunststoffschicht bzw. das Coating kann die mechanische Belastbarkeit, z. B. beim Biegen des Lichtwellenleiters erhöhen. Des Weiteren wird der

Lichtwellenleiter 15 aufgrund des Coatings vor äußeren Einflüssen, z. B. vor Feuchtigkeit, geschützt. Um die mechanischen Eigenschaften des

Lichtwellenleiters 15 weiter zu optimieren, kann dieser Lichtwellenleiter 15 eine zweite Kunststoffschicht, nämlich ein Buffering aufweisen. Vorzugsweise sind die optionalen Kunststoffschichten, also die erste und/oder die zweite

Kunststoffschicht für die im Einsatzbereich vorherrschenden Temperaturen optimiert. Die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Kunststoffe ist vorzugsweise > 150 °C.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 wird eine Temperaturmessvorrichtung angegeben, mit deren Hilfe ultraschnelle Temperaturmessungen durchgeführt werden können.

Bezuqszeichenliste

10 Vorrichtung

15 Lichtwellenleiter

16 erstes Ende des Lichtwellenleiters

20 schwarzer Keramikkörper

21 Oberfläche schwarzer Keramikkörper 30 Kapillare

31 erstes Ende Kapillare a Abstand

b Wandstärke

D Durchmesser schwarzer Keramikkörper d Durchmesser Lichtwellenleiter