CN110073187A - 温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定和/或监视液体(5)的温度(T)的装置(1)，其包括布置在传感器头部(3)中的至少一个温度传感器(7)。本发明还涉及用于制造本发明的装置(1)的方法。传感器头部(3)的至少一个内部容积(V)至少部分地填充有至少一种第一材料(10)并且至少部分地填充有至少一种第二材料(11)。第一材料(10)用于把温度传感器(7)的至少一个部件(8、9a、9b)固定在传感器头部(3)内，第二材料(11)用于传感器头部(3)内的热传导。

Description

温度传感器
技术领域
本发明涉及一种用于确定和/或监视温度并具有至少一个温度传感器的装置，以及涉及一种用于制造本发明的装置的方法。
背景技术
在各种各样的实施例中，从现有技术中已知温度计。因此，存在参考已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀的用于测量温度的温度计，或者还有例如在应用电阻元件或热电偶的情况下将材料的电导率与温度相关联的温度计。相反，在辐射温度计尤其是高温计的情况下，物质的温度的确定利用其热辐射。在大量出版物中描述了这些不同温度计的基础测量原理。
在所谓的薄膜传感器尤其是电阻温度检测器(RTD)形式的温度传感器的情况下，例如，使用配备有连接线并且应用在基板上的传感器元件，其中基板的后侧通常涂有金属。用作传感器元件的是所谓的例如以铂元件形式的电阻元件，其也可以标号PT10、PT100和PT1000商业可获得。
电阻元件通常借助于焊接工艺安装在传感器头部例如传感器尖端内，尤其是安装在例如不锈钢的套管的内部底板上。作为焊接方法，在许多情况下，执行所谓的SMD焊接，其中，首先将焊料应用在第一部件上，然后将第二部件放置在焊料上并通过加热焊接到第一部件。例如电阻温度计的传感器头部通常首先被提供有定义量的固态焊料(“焊料片”)并且随后在传感器头部的内部底板上加热熔化。然后将传感器元件以其金属化面浸入焊料中，并以这种方式焊接在传感器头部内。用于制造这种温度计的焊料连接的方法例如从公开说明书DE102006048448A1和从本申请首次提交之日时未公开的申请号为No.102015112199.9的德国专利申请中是已知的。从根本上说，在相应的电阻温度计的情况下，焊接连接对温度计的热性能尤其是对电阻元件和传感器头部之间的热耦合有很大影响。相应的温度计由申请人例如以商标Quicksens生产和销售。
作为这种电阻元件被焊接到传感器头部的情况下的温度计的替代，已知许多尤其是在诸如例如氧化镁(MgO)或氧化铝(Al2O3)的陶瓷粉末或陶瓷灌封化合物尤其是可硬化的陶瓷灌封化合物中封闭和/或封装温度传感器的情况下的温度计。该程序一方面用于固定温度传感器。此外，例如在陶瓷粉末中的封装提供即使在高温下、尤其是在例如高达600℃的温度下也相互绝缘并与传感器头部尤其是通常由金属或金属合金制成的传感器尖端的壳体绝缘的温度传感器的连接线。以这种方式实施的用于制造温度计的方法例如从公开说明书DE02329239A1中已知。为了容纳温度传感器，将灌封化合物的至少可预先确定量的第一组分和第二组分引入模具尤其是传感器尖端。然后，摇动传感器尖端和/或使其以可预先确定的频率振荡。这种温度计由申请人例如以商标Strongsens生产和销售，。
有利地，在温度传感器焊接到传感器头部的情况下，电阻温度计具有特别好的用于对液体温度的变化作出反应的响应时间。然而，不利的是，这种温度计不适合在高温尤其是在温度T>200℃时使用。而且，与温度计相比，这些温度计在封闭和/或封装温度传感器的情况下具有较小的机械稳定性。反过来，与具有焊接温度传感器的温度计相比，具有封闭和/或封装温度传感器的温度计具有更差的响应时间。
发明内容
从上述现有技术而来，本发明的目的是改进具有封闭和/或封装的温度传感器的温度计的响应时间。
该目的通过如权利要求1中定义的装置以及用于制造本发明的装置的方法来实现，这种方法在权利要求12中定义。该装置和方法的有利实施例在从属权利要求中出现。
关于该装置，本发明的目的通过一种用于确定和/或监视液体温度的装置来实现，该装置包括布置在传感器头部中的至少一个温度传感器，其中至少一个传感器头部的内部容积是至少部分地填充有至少一种第一材料并且至少部分地填充有至少一种第二材料。在这种情况下，第一材料用于把温度传感器的至少一个部件固定在传感器头部内，且第二材料用于传感器头部内的热传导。因此，根据本发明，封闭和/或封装温度传感器的至少一个部件优选地例如电阻元件的整个传感器元件、和/或温度传感器的至少一个连接线的至少一个子区域。与具有封闭和/或封装的温度传感器的传统温度计相比，本发明的应用的填充材料包括至少一种第一材料，其用于传感器头部内的热传导。这导致温度传感器的显著改进的响应时间。与温度计相反，在传感器元件经由焊接直接与传感器头部连接的情况下，此外温度传感器由于用于填充材料的第二材料而固定在传感器头部内。
为了确定和/或监视液体的温度，使传感器头部与液体接触，尤其是热接触。在设备和液体之间发生热交换，直到建立热平衡。然后，传感器头部与温度传感器和液体具有基本相同的温度，在下文中称为平衡温度。热量从传感器头部的面向液体的表面移动到传感器头部的内部，然后到达温度传感器，直到达到该平衡。在这种连接中的热运动还能够包括从液体到温度传感器的热通量，对应于其中液体具有比温度计更高的温度的情况，以及在温度计具有较高的温度的情况下，相反的方向的热通量。在这种情况下直到在液体的温度变化ΔT之后重新建立热平衡的时间与温度计的响应时间相关。在这种情况下，温度计的响应时间基本上取决于所利用的材料的热导率以及不同材料之间产生的几何实施例和接触质量。
在实施例中，温度传感器包括至少一个温度敏感传感器元件和至少一个用于尤其是电接触传感器元件的连接线。
第一材料优选地被实施为使传感器头部内的温度传感器的至少一个部件稳定尤其是机械地稳定，和/或保护其免受振动，和/或提供温度传感器的至少一个部件电绝缘尤其是温度传感器的至少一根连接线的电绝缘。温度传感器的至少一个连接线的电绝缘也能够替选地由电绝缘材料的套管或相应的模制主体提供。
尤其优选地，第一材料是陶瓷，尤其是氧化镁或氧化铝，或尤其是可固化的陶瓷灌封化合物。第二材料因此也能够尤其是具有至少第一组分和至少第二组分的多组分材料。
在优选实施例中，第二材料具有高导热率λ，尤其是在0℃满足λ>100W/(mK)的导热率λ。因此，第二材料优选地被实施为确保在传感器头部的至少一个子区域内的每单位时间的最佳可能的热传递。
在另外的优选实施例中，选择第二材料以使得体积为1mm3的立方体形状体的第二材料的热时间常数小于0.1s。热时间常数能够根据第二材料的热阻和热容的乘积计算。
主体尤其是均质主体的热容C被定义为C＝cm，其中c是比热容，m是主体的质量。热阻Rth、也被称为导热电阻接下来被计算为Rth＝1/(λA)，其中l是主体的长度，A是恒定长度的其横截面积，λ是导热率。热容C和热阻Rth的乘积是热时间常数τ，根据本发明，热时间常数τ应尽可能小。特别地，时间常数应小于归一化为体积为1mm3的主体的0.1s。
优选地，以例如粉末形式存在的第二材料是碳纳米管、氮化硼、氮化铝、碳化硅或尤其是铝、铜或银的金属。
碳纳米管在室温下具有λ>3000W/(mK)的热导率λ，而氮化硼尤其是六方氮化硼的热导率λ在沿着基面的方向上处于λ≈600W/(mK)。相反，在0℃的温度下，氮化铝的热导率λ处于λ≈180-W/(mK)，且碳化硅的热导率λ为λ≈350W/(mK)。对于纯度>99.5％的铝，热导率λ为λ≈236W/(mK)，对于0℃的银λ≈429W/(mK)，并且对于铜，取决于纯度，λ≈200-400W/(mK)。
在本发明的装置的实施例中，传感器头部的至少一个内部容积填充有至少包括第一材料和第二材料的混合物。在该实施例的情况下，至少一个、优选地每个温度传感器的外部导电部件有利地是电绝缘的。因此，优选地，第一材料和/或第二材料是电绝缘材料，或者温度传感器的至少一个部件以某种其他方式电绝缘。为此，本领域技术人员可获得用于各个部件的电绝缘的所有已建立的选择。
在替代、尤其是优选的实施例中，传感器头部的至少一个内部容积具有至少两个子区域，其中内部容积的第一子区域填充有第一材料，并且其中内部容积的第二子区域填充有第二材料。
在这种情况下，第一子区域至少部分地布置在至少一个连接线的区域中并且当第二子区域至少部分地布置在传感器元件的区域中时是有利的。优选地，在这种情况下，至少第一组分是电绝缘材料。在这种布置的情况下，第一材料的低导热率是有利的，因为以这种方式，温度计和工艺与环境之间的热传导分别减小。
在有利的实施例中，传感器头部包括底板——尤其是圆柱形的侧表面和尤其是圆形的底板。传感器头部优选是温度计的传感器尖端，尤其是套筒形传感器尖端。
在另外的优选实施例中，温度传感器包括电阻元件尤其是铂元件或热电偶。
本发明的目的还通过一种用于制造本发明装置的方法来实现，该装置用于确定和/或监视液体的温度，所述方法包括以下方法步骤：
-把温度传感器的至少一个部件引入传感器头部中；以及
-至少部分地用至少一种第一材料和至少部分地用至少一种第二材料填充传感器头部的内部容积。
例如，为了引入第一材料和第二材料，能够应用公开说明书DE02329239A1中描述的方法。
方法的实施例包括传感器头部的至少一个内部容积填充有包括至少第一材料和第二材料的混合物。一方面，第一材料和第二材料能够首先混合在一起，然后填充到内部容积中。另一方面，同样可以把第一材料和第二材料顺序地填充到传感器头部中并在传感器头部内把它们混合在一起。
在本发明方法的替代的实施例中，把第一材料填充到第一子区域中，且把第二材料填充到第二子区域中。
结合本发明的装置描述的实施例也可适用于本发明的方法，反之亦然。
附图说明
现在将基于附图进一步详细解释本发明，其中：
图1是现有技术的温度计的示意图；
图2是本发明第一实施例中的温度计的传感器头部；以及
图3是本发明第二实施例中的温度计的传感器头部。
在下文中，相同的元件被提供有相同的参考字符。
具体实施方式
图1是根据现有技术的具有保护管2和电子单元4的温度计1的示意图。保护管2朝向液体5的子区域也被称为传感器头部3。传感器头部3的内部容积V填充有填料6，例如陶瓷灌封化合物。在传感器头部3的内部容积V中还布置有温度传感器7，其在所示实施例中包括这里为电阻元件的形式的传感器元件8，以及用于电接触电子单元4的两个连接线9a、9b。传感器元件8以及温度传感器7的连接线9a、9b的一分段由填料6封闭和/或封装在传感器头部3的内部容积V内。这导致温度计1的特别高的机械稳定性和抗振性。然而，通常已知的适于确保高机械稳定性和抗振性的材料因相对低的热导率λ而被标记为不利的。因此，在在温度传感器7的至少一个部件、在这种情况下为传感器元件7和连接线9a、9b的一分段被封装或封装在填料6中的情况下的温度计1具有相对低的响应时间。
本发明满足了该问题，其中传感器头部3的内部容积V至少部分地填充有至少一种第一材料10并且至少部分地填充有至少一种第二材料11，其中第一材料10用于把例如传感器元件8的温度传感器7的至少一个部件或连接线9a、9b固定在传感器头部3内，并且其中第二材料11用于传感器头部3内的热传导。
图2示出了本发明的第一实施例，图2是具有内部容积V的传感器头部3的示意图，该内部容积V填充有第一材料10和第二材料11的混合物。第一材料例如是陶瓷或尤其是可固化的陶瓷灌封化合物，因此是现有技术的填料。相反，第二材料是具有高导热率λ的材料，例如碳纳米管。碳纳米管和例如六边形氮化硼的导热率在空间上是各向异性的。相应地，有利的是，在各向异性的热导率λ的情况下，第二材料11以在尤其是沿着传感器头部3的外壁和温度传感器7的传感器元件8之间的连接路径的传感器头部3内存在特别高的值的导热率方式取向。这能够在碳纳米管的情况下实现，例如通过在用碳纳米管填充传感器头部3期间施加穿过传感器头部3的内部体积V的合适电场。
不同的措施可用于防止温度传感器7的至少一个部件8、9和通常由金属制成的传感器头部3之间的电短路。能够由电绝缘(未示出)在其大部分长度上包围连接线8、9。在接触连接线9a、9b的区域中，能够使用电绝缘的模制部件(同样未示出)。替代地，也能够在该区域中提供例如不导电的第一材料10和第二材料11。关于该主题，本领域技术人员已知许多其他选择，并且这些选择都落入本发明的范围内。
本发明的第二实施例是图3的主题。与图2相比，在该第二实施例中，传感器头部3的内部容积V被分成两个子区域10a和11a。第一子区域10a填充有尤其是陶瓷或陶瓷灌封化合物的第一材料10。第二子区域11a又填充有例如碳纳米管粉末的第二材料11。优选地，第一子区域10a以使得其至少围绕连接线9a、9b的子部分、尤其是其中发生与传感器元件8的电接触的连接线9a、9b的子部分的方式布置在传感器头部3内。
优选地，在该实施例中第一材料10是电绝缘材料。除了连接线9a、9b的子部分，图3的实施例中的第一材料10还包括连传感器元件8的子部分。以这种方式，温度传感器7最好固定在传感器头部3内并且相应地，温度计1具有高机械稳定性和抗振性。
第二子区域11a又优选地以其围绕传感器元件8的至少一分段的方式布置。在传统的传感器元件8被实施为铂电阻元件的情况下，传感器元件8通常是在该区域外部电绝缘，其中借助于连接线9a、9b执行电接触。第二材料有利地具有高导热率λ，并且相应地温度计1具有对液体5的温度变化ΔT特别好的响应时间。同样对于图3的实施例，在具有各向异性热导率λ的第二材料11的情况下，期望传感器头部3内的有益取向。
由图3的布置导致的特殊优点由第一材料给出，其中布置在第一子区域10a内的第一材料10具有低导热率λ，其补充地提供了温度传感器7的高机械稳定性和抗振性，一方面在液体5和环境之间产生隔热，另一方面在电子器件4之间产生隔热。
附图标号列表
1 温度计
2 保护管
3 传感器头部
4 电子单元
5 液体
6 填料
7 温度传感器
8 传感器元件
9a,9b 连接线
10 第一材料
10a 第一子区域
11 第二材料
11a 第二子区域
λ 导热率
T 温度
V 传感器头部的内部容积

Claims (15)

1.一种用于确定和/或监视液体(5)的温度(T)的装置(1)，所述装置(1)包括布置在传感器头部(3)中的至少一个温度传感器(7)，
其中，所述传感器头部(3)的至少一个内部容积(V)至少部分地填充有至少一种第一材料(10)并且至少部分地填充有至少一种第二材料(11)，
其中，所述第一材料(10)用于把所述温度传感器(7)的至少一个部件(8、9a、9b)固定在所述传感器头部(3)内，以及
其中，所述第二材料(11)用于所述传感器头部(3)内的热传导。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，
其中，所述温度传感器(7)包括至少一个温度敏感传感器元件(8)和至少一个连接线(9a、9b)，所述至少一个连接线(9a、9b)用于接触——尤其是电接触——所述传感器元件(8)。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，
其中，所述第一材料(10)被实施为使所述传感器头部(3)内的所述温度传感器(7)的至少一个部件(8、9a、9b)稳定——尤其是机械地稳定，和/或保护所述至少一个部件(8、9a、9b)免受振动，和/或提供所述温度传感器(7)的所述至少一个部件(8、9a、9b)的电绝缘——尤其是所述温度传感器(7)的所述至少一个连接线(9a、9b)的电绝缘。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的装置(1)，
其中，所述第一材料(10)是陶瓷，尤其是氧化镁或氧化铝，或陶瓷灌封化合物，尤其是可固化的陶瓷灌封化合物。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置(1)，
其中，所述第二材料(11)具有高导热率λ，尤其是在0℃满足λ>100W/(mK)的导热率λ。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的装置(1)，
其中，选择所述第二材料(11)以使得体积为1mm3的立方体形状体的所述第二材料(11)的热时间常数(T)小于0.1s。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的装置(1)，
其中，所述第二材料(11)——例如以粉末形式存在的所述第二材料(11)——是碳纳米管、氮化硼、氮化铝、碳化硅或金属——尤其是铝、铜或银的金属。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的装置(1)，
其中，所述传感器头部(3)的至少一个内部容积(V)填充有包括至少所述第一材料(10)和所述第二材料(11)的混合物。
9.根据权利要求1至6中至少一项所述的装置(1)，
其中，所述传感器头部(3)的至少一个内部容积(V)具有至少两个子区域(10a、11a)，
其中，所述内部容积(V)的第一子区域(10a)填充有所述第一材料(10)，并且，其中所述内部容积(V)的第二子区域(10a)填充有所述第二材料(11a)。
10.根据权利要求9所述的装置(1)，
其中，所述第一子区域(10a)至少部分地布置在所述至少一个连接线(9a、9b)的区域中，并且，其中所述第二子区域(11a)至少部分地布置在所述传感器元件(8)的区域中。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的装置(1)，
其中，所述传感器头部(3)包括底板元件——尤其是圆柱形的侧表面和尤其是圆形的底板元件。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，
其中，所述温度传感器(7)包括电阻元件(8)或热电偶。
13.一种用于制造根据前述权利要求中至少一项所述的用于确定和/或监视液体(5)的温度(T)的装置(1)的方法，包括如下方法步骤：
-把温度传感器(7)的至少一个部件(8、9a、9b)引入传感器头部(3)中，以及
-至少部分地用至少一种第一材料(10)和至少部分地用至少一种第二材料(11)填充所述传感器头部(3)的内部容积(V)。
14.根据权利要求13所述的用于制造根据权利要求1至8、11或12中至少一项所述的装置(1)的方法，
其中，所述传感器头部(3)的至少一个内部容积(V)填充有包括至少所述第一材料(10)和所述第二材料(11)的混合物。
15.根据权利要求14所述的用于制造根据权利要求9-12中至少一项所述的装置的方法，
其中，把至少所述第一材料填充到第一子区域中，并且其中，把所述第二材料填充到第二子区域中。
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