本公开涉及用于感测具有高温的流体的物理量的感测设备以及组装此种感测设备的方法。更特别地，本公开涉及高温排气传感器。更具体地，本公开涉及一种耐高温的热电偶。
背景技术：
内燃机，诸如但不限于柴油发动机和汽油发动机，可以包括至少部分地设置在排气系统内的一个或多个温度传感器。这些温度传感器可以感测排气的温度，并且可以通过发动机控制系统至少部分地用于调整发动机的一个或多个性质，诸如但不限于空燃比、增压压力、定时等。由于操作环境的原因，温度传感器可能暴露于相对恶劣的条件下，包括但不限于振动、暴露于碎屑、湿气和腐蚀性化学品、较大的温度范围、较大的温度梯度、以及相对高的连续使用操作温度。WO2011094753A2公开了一种排气温度传感器，其包括联接到矿物绝缘电缆的端部的温度传感器。所述电缆联接到止动凸缘。此外，防振套管定位在止动凸缘和温度传感器之间。
传统的热电偶设备难以在汽车式系统中实施。这些热电偶对于汽车环境中的长寿命要求通常不能胜任。愈加苛刻的应用要求使得这种情况更加复杂，这可能导致传统热电偶的失效。这些失效更容易在具有较长的探头长度的传感器中或者在探头定位处的流体快速温度波动的情况下长期高温运行中发生。
在对包括矿物绝缘电缆的传统感测设备的环境施加热量时，外部护套经历快速升温，而矿物绝缘电缆的导体保持较冷。矿物绝缘电缆中填充的MgO即具有非常差的导热率。这导致导体上的拉伸应力，其特别是在热冲击期间可能导致失效。
传统热电偶的这些缺陷使得需要一种设计方案，其使得能够在汽车设施中、特别是那些需要长探针长度的设施中使用热电偶。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于测量流体的物理量的改进的感测设备，其具有以下特征中的至少一个：可靠、制造成本较低、借助于半自动或全自动生产过程可大量生产、对严苛的介质具有耐用性和/或鲁棒性、增强抵抗热膨胀和热冲击的鲁棒性、可承受汽车设施中典型的温度和振动。
根据本发明技术的第一方面，该目的通过用于感测具有高温的流体的物理量的感测设备(测量塞)实现，所述感测设备(测量塞)可以包括：矿物绝缘电缆，其具有外部金属护套、设置在所述外部金属护套中的导体和氧化镁绝缘层；感测元件，其被配置成用于感测所述物理量并且联接到矿物绝缘电缆的感测端；密封凸缘元件，其联接到矿物绝缘电缆的外部金属护套；以及管状元件，其在矿物绝缘电缆的感测端和密封凸缘元件之间围绕矿物绝缘电缆的至少一部分，所述管状元件的内部表面的主要部分与矿物绝缘电缆的外部表面相距预定的距离以在矿物绝缘电缆和管状元件之间形成间隙。
根据本技术的用于感测具有高温的流体的物理量的设备还可以包括：电缆，其包括：外部金属护套；设置在外部金属护套中的导体；和绝缘体，其中所述电缆具有感测端；感测元件，其被配置成用于感测所述物理量并且联接到所述感测端；密封凸缘，其联接到矿物绝缘电缆的外部金属护套；以及管状元件，其在密封凸缘和感测端之间围绕电缆的至少一部分以用于在电缆和管状元件之间形成间隙，其中所述间隙填充有用于测量的流体。
根据本技术的感测设备的特征在于感测设备包括管状元件，所述管状元件在矿物绝缘电缆的感测端部和联接到矿物绝缘电缆的外部金属护套的密封凸缘元件之间围绕矿物绝缘电缆的至少一部分。管状元件的内部表面的主要部分与矿物绝缘电缆的外部表面相距预定的距离，并且在矿物绝缘电缆和管状元件之间形成间隙。
这些特征降低了矿物绝缘电缆中的热冲击程度。管状元件和间隙用作流体和矿物绝缘电缆的外部金属护套之间的绝热器，从而导致矿物绝缘电缆的外部护套的更小的快速温度变化。因此，矿物绝缘电缆的外部护套与矿物绝缘电缆中的导体之间的最大温差将减小。最大温差越小，意味着导体上的拉伸应力越小。
在一个实施方案中，外部护套与管状元件之间的间隙填充有具有弱导热率的材料，诸如任何矿物绝缘材料。在一个有利的实施方案中，间隙填充有空气，从而通过间隙尺寸的规格使对流传热最小化。
在另一个实施方案中，管状元件的近端附接到密封凸缘元件。在一个替代实施方案中，管状元件被焊接到密封凸缘元件。以这些方式，管状元件在矿物绝缘电缆的轴向方向上被固定；因此，管状元件和矿物绝缘电缆之间的热接触表面可以最小化到对准管状元件中的矿物绝缘电缆所需的表面。
在一个实施方案中，管状元件包括至少一个径向折曲区域以在管状元件中对准矿物绝缘电缆。这些特征提供了一种简单的组装方法以围绕矿物绝缘电缆定位和对准管状元件。此外，通过这些特征，减少了由于垂直于矿物绝缘电缆的主体轴线的振动而引起的在密封凸缘元件和管状元件的组合中的应力，这增加了产品寿命。
在另一个实施方案中，管状元件的径向折曲区域位于管状元件的远端部分处。此特征使管状元件中的矿物绝缘电缆对准。因此，管状元件和间隙的组合的热阻在矿物绝缘电缆的主体轴线周围基本相等，并且感测设备因此独立于与矿物绝缘电缆的主体轴线垂直的热源的角度方向。
在另一个实施方案中，径向折曲区域包括彼此等距离定位的三个或更多个凹陷部。以这种方式，管状元件和矿物绝缘电缆之间的导热率可以是最小的。
在一个替代实施方案中，密封凸缘元件包括环部分和管部分，管状元件连接到管部分的远端。这种特征减少了矿物绝缘电缆周围的管与密封环之间的联接部中的磨损。已经发现，将管状元件直接焊接到密封环上形成的结构比具有环部分和管部分的一件材料制成的密封凸缘元件的鲁棒性小。通过密封凸缘的管部分处的至少一个径向折曲区域可以进一步减小密封凸缘元件和管状元件的组合中的磨损。有利地，管部分的径向折曲区域位于管部分的远端部分处。
在一个实施方案中，感测元件被配置成感测温度。然而，感测元件也可以是压力感测元件、氧气传感器(或拉姆达(lambda)传感器)、或感测具有较大工作温度范围(例如-60至+1000℃)的流体的一个或多个物理量的任何其他传感器。
在第二方面，提供了一种组装用于感测具有高温的流体的物理量的感测设备的方法。该方法包括：
-提供部件，所述部件包括：矿物绝缘电缆，矿物绝缘电缆具有外部金属护套、设置在外部金属护套中的导体和氧化镁绝缘体；以及配置成用于感测物理量并且联接到矿物绝缘电缆的感测端的感测元件；
-提供密封凸缘元件；
-将密封凸缘元件附接到矿物绝缘电缆，
-提供管状元件；
-在管状元件中将矿物绝缘电缆的至少一部分定位在密封凸缘元件和感测元件之间，使得管状元件的内部表面的主要部分与矿物绝缘电缆的外部表面相距预定的距离，以在矿物绝缘电缆和管状元件之间形成间隙。
在另一个实施方案中，该方法还包括将管状元件的近端附接到密封凸缘元件。
在另一个实施方案中，该方法还包括径向折曲管状元件以在管状元件中对准矿物绝缘电缆。
结合附图从以下详细描述中，其他特征和优点将变得显而易见，所述附图以举例的方式示出实施方案的各种特征。
附图说明
将在下文中参考附图基于以下描述来解释这些和其他方面、特性和优点，其中相同的附图标记表示相同的或者相当的部件，并且其中：
图1示意性地示出了温度传感器的第一实施方案的透视图；
图2示意性地示出了第一实施方案的局部横截面图；
图3示意性地示出了温度传感器的第二实施方案的局部横截面图；
图4示意性地示出了折曲区域的第一实施方案的横截面图；
图5示意性地示出了折曲区域的第二实施方案的横截面图；
图6示意性地示出了折曲区域的替代实施方案的横截面图；
图7示意性地详细示出了图2中的第一实施方案的横截面图；
图8示意性地示出了密封元件的替代实施方案；以及
图9示出了密封元件和管状元件之间的连接的实施方案。
具体实施方式
从某些优选实施方案的以下详细描述结合阐释了本技术的代表性实施方案的附图，本文公开的技术的优点和其他特征对于本领域普通技术人员来说将变得更加显而易见。
图1示出了根据本申请的温度传感器100的第一实施方案的透视图。传感器100适用于感测具有高温的流体的温度。在本申请的上下文中的高温意味着传感器适合用于测量在从-60℃直至高于1000℃的温度范围内的流体的物理量温度。所示的传感器特别设计用于测量柴油机后处理系统中的排气流的温度。该传感器能够在汽车和重型车辆设施中存在。此外，该传感器对于柴油机后处理系统中经历的热冲击具有改进的特性。
传感器100包括已知的MI电缆(矿物绝缘电缆)102，所述MI电缆具有联接到MI电缆的感测端102D的感测元件104。图4至图6显示了MI电缆的横截面。MI电缆包括外部金属护套102A、设置在外部金属护套102A中的两个或更多个导体102B以及氧化镁绝缘体102C。MI电缆的长度取决于应用要求。根据应用要求，外部金属护套可以是铬镍铁合金鞘或任何其他金属，例如不锈钢或铜。
传感器100还包括密封凸缘元件106。密封凸缘元件与安装螺母108一起使用，以将传感器固定在设施中。密封凸缘元件106可以是例如通过焊接附接到MI电缆的外部金属护套的环形元件。环形焊接部在MI电缆和环形元件之间形成气密密封。通过将安装螺母拧在设备的开口中(感测元件通过该开口定位在设备的空腔中以感测流体中的温度)，密封凸缘元件被压到开口的密封表面以密封(优选地气密密封)具有传感器的设备的开口。
传感器100还包括管状元件110。管状元件可以是通过挤出工艺获得的挤出部件。管状元件位于外部金属护套的外部并且在密封凸缘元件106和MI电缆的感测端102D之间围绕MI电缆102的至少一部分。管状元件可以由任何合适的合金构成，例如铬镍铁合金、不锈钢或铜。管状元件具有内径，使得其配合在外部金属护套上，在MI电缆的外部表面和管状元件的内部表面之间留出空间。管状元件110的近端110A例如通过激光焊接附接到密封凸缘元件106。
管状元件110径向地折曲，从而折曲部使得管状元件110和MI电缆102的轴线对准。以这种方式，管状元件的内表面的主要部分与MI电缆的外部表面相距预定的距离。该距离在MI电缆和管状元件之间形成间隙。在使用中，间隙填充有温度被测量的流体。在一更昂贵的实施方案中，间隙可以填充有抵抗待测量的所述流体的高温的任何合适的柔性绝热材料。所述距离优选地被选择为使得由1)通过间隙中的流体的导热和2)跨空气间隙的辐射造成的从管状元件到MI电缆的热传递的组合相对于管状元件的直径是最佳的。距离应该足够小以防止对流并且足够大以充分减小跨间隙的辐射。
传感器100还包括后壳体114，所述后壳体将来自MI电缆的电信号传到柔性线束112。本申请将关注密封凸缘元件与感测元件之间的MI电缆之间的相互作用。
在一个实施方案中，感测元件104由热电偶接头(N型)(未示出)形成。热电偶接头通过焊接MI电缆的导体获得。在该实施方案中，传感器具有根据接头的温度输出导体中的电压差的功能。通过焊接在MI电缆的外部金属护套上的保护帽保护接头免受被检测的流体的影响。
管状元件110的功能如下。在向传感器的环境施加热能期间，热量必须首先传递到鞘组件外部表面中。内部表面处的热量可以在流体的情况下通过间隙中的介质导热、通过跨间隙的辐射传递、或者跨与MI电缆的外部金属护套具有机械接触的折曲部的区域导热。这具有降低MI电缆102的外部护套和导体102B之间的热梯度的大小的效果，并且因此降低MI电缆的外部护套和导体的热膨胀差异。这降低了在热循环期间导体经受的应力的大小，从而改善了传感器的热冲击响应。
试验已经表明，排气系统中的排气流中的温度在气流的横截面中不是均匀地分布的，并且高度依赖于个体设施。在本申请中，术语“热点区域”用于表示气流中具有高温度变化的区域，这需要本文中所要求保护的改进以确保合适的使用寿命。此外，测试已经表明，管状元件的设计考虑到设施的振动特性以防止共振引起的失效是重要的。通过改变管状元件的相对长度，可以改变共振频率，从而可以减小振动的幅度，从而延长产品的使用寿命。通过考虑变化的热量的位置和振动特性，管状元件的长度可以比密封凸缘元件和感测元件之间的MI电缆长度短。图2示意性地示出了第一实施方案的局部横截面图。在该实施方案中，密封凸缘元件106与感测元件104之间的MI电缆的仅一部分被由管状元件110形成的隔热罩屏蔽。在这个特定的应用中具有最高温度变化的热点区域用附图标记120表示。
图2还示出了管状元件110包括三个径向折曲区域130。在图4中给出了两个左侧折曲区域的横截面图，在图5中给出了最靠近感测元件的折曲区域的横截面图。试验已经表明，在MI电缆周围的保护管的近端具有两个折曲区域提高了密封元件106和管状元件110的组合相对于振动的阻力。优选地，在热点区域中不存在径向折曲区域以减少热传递。
图3示意性地示出了温度传感器的第二实施方案的局部横截面图。该实施方案与图2中的实施方案的不同之处在于，管状元件110沿着MI电缆在密封凸缘元件和感测元件之间的整个长度延伸。当热点区域122不限于MI电缆的与流体接触的长度处的相对较小的部分时，这是必要的。此外，当插入到将被感测的流体中的MI电缆的长度较长并且热点区域较宽时，可能需要在位于密封元件侧的一个或两个折曲部和位于感测元件侧的折曲部之间具有一个或多个折曲区域。例如，当垂直于MI电缆轴线的流动速度较高并且在它们之间不使用折曲部时，管状元件可能由于流动而变形使得不是所有地方的间隙宽度都相同。因此，从流体通过管状元件和间隙到MI电缆的传热特性在MI电缆周围是不相等的，并且MI电缆在一侧处被得加热比相对侧快，并且会由于不同的热膨胀而弯曲。附加的折曲区域改善了管状元件110的中心轴线与MI电缆102的中心轴线的对准。这导致了非折曲区域的管状元件和MI电缆之间具有预定恒定间隙宽度，并且因此导致感测设备的热敏性与垂直于MI电缆的主体轴线的热源的角方向无关。
图4示意性地示出了折曲区域的第一实施方案的横截面图。绝缘材料102C(诸如但不限于氧化镁)中的两个导体102B位于外部金属护套102A中。折曲区域包括八个宽的凹陷部130A。在该折曲区域中，管状元件110的大部分内侧被压到MI电缆的外部表面。此外，几乎没有间隙。这种类型的折曲的优点是在管状元件和金属护套之间提供了强机械固定，从而提高了刚度和抗振性。这种类型的折曲的缺点是从这些区域中的管状元件到MI电缆的热传递非常好，即热阻非常低。因此，这种类型的折曲在联接到密封凸缘元件的管状元件的端部处使用。在这个区域中，由于在热点区域外并位于传感器的根部，机械固定是最重要的特性。
图5示意性地示出了折曲区域的第二实施方案的横截面图。该实施方案与前一个实施方案的不同之处在于，折曲区域包括四个窄的凹陷部130A。在该折曲区域中，管状元件110的内侧的一小部分被压到MI电缆的外部表面。此外，管状元件110与护套102A之间的空间形成间隙。这种类型的折曲的优点是从该区域中的管状元件到MI电缆的热传递远小于图4中所示的折曲区域，即热阻高。这种类型的折曲区域的缺点是提供了较小的机械刚度，并且对折曲区域的一侧的管状元件相对于折曲区域的外侧的相对振动的阻力较小。因此，在管状元件的远端部分110B处以及必要时在热点区域中使用这种类型的折曲。图6示意性地示出了具有三个凹陷部的折曲区域的替代实施方案的横截面图。通过在径向折曲过程中产生三个或更多个凹陷部，容易使MI电缆和管状元件二者的中心轴线对准。优选地，径向折曲区域的三个或更多个凹陷部彼此等距离地设置。
图7示意性地详细示出了图2中的第一实施方案的横截面图。该图示出了管状元件110和密封凸缘元件106之间的联接。在该实施方案中，密封凸缘元件是密封环，所述密封环通过激光焊接附接到MI电缆的金属护套102A。管状元件的端部110A被激光焊接到密封环。此外，可以看到两个径向折曲区域的凹陷部130A。在该实施方案中，折曲区域位于管状元件处。
图8示意性地示出了密封元件的替代实施方案。在该实施方案中，密封凸缘元件由一件金属制成并且包括环部分106A和管部分106B。管状元件的端部110A附接到管部分106B的远端106B1。此外，管部分106B在两个位置处被径向折曲。试验已经表明，在该实施方案中，密封凸缘元件106和管状元件110之间的焊接连接对由于振动引起的应力不那么敏感。还可能的是，管部分106B在其远端处包括一个折曲区域，并且管状元件110的近端包括折曲区域。在该实施方案中，密封凸缘元件之间的连接位于所述两个折曲区域之间。
图9示出了密封凸缘元件106和管状元件110之间的连接的实施方案。在该实施方案中，密封凸缘元件是包括环部分106A和管部分106B的一体件。对准特征部106B2设置在密封凸缘元件106的面向管状元件110的一侧处。对准特征部106B2是在与凸缘元件106同轴的管部分106B的远端106B1处的三角形突起。三角形突起装配在管状元件110的端部110A处的开口中。在本实施方案中，管部分106B和管状元件110的外径是相似的。类似地，管部分106B的内径小于管状元件110的内径。三角形突起106B2的外径与管状元件110的内径匹配。当将管状元件定位抵靠在管部分106B的远端106B1上时，三角形突起将密封元件106和管状元件110的中心轴线对准。随后，通过圆形焊接将管状元件110附接到密封元件106。
在密封凸缘元件的通孔的直径对应于MI电缆的直径的情况下，三角形突起106B2的宽度优选地等于MI电缆(图9中未示出)和管状元件110之间的期望间隙。以这种方式，管状元件110的近端110A附近的管状元件的径向折曲不是必需的。
应当注意，如果凸缘元件106和管状元件110的通孔的直径相似，则管状元件110的近端110A包括用于容纳三角形突起106B2的圆形凹部。此外，管部分106B的远端处的径向折曲区域将管部分和MI电缆102的中心轴线对准。因此，三角形突起106B2与管状元件110的至少近端部分的中心轴线对准。
上述实施方案可以用包括以下动作的方法来组装。提供部件，所述部件包括具有外部金属护套、设置在外部金属护套中的导体和氧化镁绝缘体的矿物绝缘电缆。可选地，被配置用于感测物理量的感测元件已经联接到矿物绝缘电缆的感测端。提供密封凸缘元件。通过环形焊接工艺将密封凸缘元件附接到矿物绝缘电缆上。随后，提供管状元件。远端插入和/或穿过管状元件，使得密封凸缘元件和感测端之间的矿物绝缘电缆的至少一部分定位在管状元件中并被其包围。管状元件被定位成使得管状元件的内部表面的主要部分与矿物绝缘电缆的外部表面相距预定的距离，以在矿物绝缘电缆和管状元件之间形成间隙。
通过径向折曲过程，可以在管状元件处形成具有三个或更多个凹陷部的折曲区域。优选地，凹陷部的深度略大于间隙的预定宽度。以这种方式，管状元件的主体轴线与MI电缆的主体轴线对准，同时金属护套最小限度地变形，并且管状元件通过夹紧力沿着轴向方向固定到MI电缆。以这种方式，可以具有感测设备的实施方案，其中管状元件在一端处不附接到密封凸缘元件，以避免管状元件在轴向方向上移动。在该实施方案中，管状元件应该包括至少两个折曲区域，即在两端处，以在轴向方向上在管状元件和MI电缆之间获得恒定的间隙宽度。感测设备的应用确定该实施方案是否合适。
为了获得图中所示的实施方案，该方法还包括：将管状元件的近端附接到密封凸缘元件。
本申请的益处包括在热冲击期间的热电偶性能的根本改进、在热循环期间的产品寿命的增加、以及对于给定的流体温度降低总体导体温度。所提出的申请描述了具有长探针长度或扩展的温度操作温度感测范围的传感器，其在密封凸缘元件和感测元件之间使用MI电缆。这些传感器在汽车环境中工作很长的时间段。
应该注意的是，所描述的实施方案均包括作为温度感测元件的N型高温热电偶。可以清楚的是，N型高温热电偶可以被用于感测具有大范围温度快速变化的流体的物理特性的任何其他感测元件所替代，以获得所描述的优点。其他感应元件的示例不限于：其他类型的高温热电偶，PTC或NTC热敏电阻，以及氧气感应元件(或拉姆达传感器)。
尽管已经根据若干实施方案描述了本发明，但是可以想到，在阅读说明书和研究附图后，其替代、修改、置换和等同物对于本领域技术人员将是显而易见的。本发明不限于所例示的实施方案。可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下做出改变。