CN112673242A - 温度感测单元和尿素传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可与尿素传感器一起使用的温度感测单元，且公开了组装这样的温度感测单元的方法。本发明还涉及尿素传感器和用于组装它的方法。温度感测单元，包括至少一个温度传感器(126，128)；以及基底(118)，其包括至少一个第一区域(120)和至少一个第二区域(122)；其中所述至少一个温度传感器(126，128)布置在所述第二区域(122)中，且其中所述第二区域(122)远离所述第一区域(120)延伸。

Description

温度感测单元和尿素传感器
技术领域
本发明涉及可与尿素传感器一起使用的温度感测单元，且公开了组装这样的温度感测单元的方法。本发明还涉及尿素传感器和用于其组装的方法。
背景技术
选择性催化还原(SCR)还原系统已用于净化柴油车辆的排气中的有害的NOx成分。SCR系统使用尿素溶液(称为柴油机排气流体(DEF))来净化排气。尿素溶液存储在设置在车辆上的尿素罐中。必须确保罐内的尿素溶液的适当的成分和液位，以实现排气的高效净化。由此，在尿素罐中采用尿素传感器来测量罐中的尿素溶液的液位和/或浓度和/或温度。
尿素传感器设置有液位测量装置。此外，设置有浓度和/或质量测量装置、温度测量装置、吸入管和返回管。吸入管从尿素罐抽吸尿素溶液并提供尿素溶液来分解排气中的NOx，且返回管将多余的尿素溶液循环回尿素罐中。
因为需要温度值来计算DEF的浓度(例如，基于液体中的声速)，所以需要精确的温度测量。为了实现高准确度的浓度测量，必须准确地知道液体中的温度。此外，由于尿素溶液的凝固点为-11℃，因此在低于-11℃的任何温度下都有尿素溶液冻结的风险。冷冻的尿素溶液会在高效分解NOx方面带来问题和难度。这是因为由于冻结引起的尿素溶液的大的体积膨胀，这会导致在吸入管内部产生过大的压力。因此，精确地监测罐中的尿素溶液的温度非常重要。
现有的温度传感器紧靠加热器布置，或与其余电子部件位于同一印刷电路板(PCB)上。由于这些电子部件的发热，温度传感器受到影响并且其准确度降低。此外，现有的温度传感器的组装概念通常表现出在流体与温度传感器之间的穿过覆盖带有温度传感器的PCB的灌封材料的不令人满意的热耦合。另一方面，作为连接到(例如经由插头连接器)PCB的单独部件提供的温度感测单元很昂贵，并且在安装温度感测单元时需要额外的组装步骤。
仍然需要一种温度传感器布置，其可产生高度准确的测量结果，并且可以经济地制造，同时即使在具有挑战性的应用环境中也是鲁棒的。
发明内容
该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
本发明是基于以下理念，温度感测单元的至少一个温度传感器布置在与其他电子部件公用的基底上，但是在远离基底的其余部分延伸的区域中。换言之，温度传感器布置为一种塔，其从印刷电路板组件(PCBA)的其余部分凸出。因此，根据本发明的温度感测单元包括至少一个温度传感器和基底，该基底包括至少一个第一区域和至少一个第二区域。至少一个温度传感器布置在第二区域中，且第二区域远离第一区域延伸，例如在穿过第一区域的方向上。由第二区域限定的平面和由第一区域限定的平面可以包括不同于0°的角度，优选地约80°和100°之间的角度，更优选地约90°。然而，0°的角度也是可能的。角度可以根据相应的空间要求任意选择。在下文中，承载至少一个温度传感器的凸出的第二区域也称为“塔”。
该解决方案的优点在于，一方面，由组装在PCB的第一区域(该区域也称为主区域)中的电子部件产生的热量不会干扰温度测量。因此，可以更准确地监测流体的温度。另一方面，温度传感器可以更直接地与液体接触，因此产生更快的响应时间并进一步增强准确度。
根据本发明的有利实施例，所述第一区域和所述第二区域通过包括柔性印刷电路板的互连部电气和机械地互连。该解决方案的优点在于，不需要繁琐且昂贵的装配和焊接，并且即使在具有挑战的汽车应用的环境中，电接触也稳定且鲁棒。众所周知，柔性印刷电路板也称为柔性印刷电路(FPC)、柔性电路或柔性PCB。
柔性印刷电路最初是为替代传统的线束而设计的。最纯粹形式的柔性电路是结合到电介质薄膜的大量的导体。然而，结合本发明，意图的是，柔性印刷电路板是指可弯曲的支撑件，其用于导电引线，以及可选地还用于有源和无源电子部件，例如电阻器、电容器、电感器、传感器、以及更复杂的单片部件。
特别地，所述基底可以包括刚柔电路板，所述第二区域布置在刚柔电路板的刚性部上。因此，包括第一区域和第二区域的完整基底可以是二维地制造的，且仅当将基底安装在保护性壳体中时，可以使第二区域成为第三维度。因此，可以显著地促进制造。
众所周知，对于大多数刚柔电路板，电路由多个柔性电路内层组成，这些内层使用环氧预浸料粘接薄膜选择性地附接在一起，类似于多层柔性电路。然而，多层刚柔电路在完成设计时需要在外部、内部或两者包括刚性板。刚柔电路将集成在一起形成一个电路的刚性板和柔性电路的优点组合在一起。二合一电路例如通过镀覆的通孔(所谓的过孔)互连。刚柔电路提供更高的部件密度和更好的质量控制。在需要额外支撑的位置，设计是刚性的，而在角部和需要额外空间的区域，设计是柔性的。
替代地，根据本发明的基底也可以实现为所谓的MID部件。MID是术语“模制互连装置(molded interconnect device)”的缩写并且涵盖由改性聚合物材料注射模制而成的三维电路载体。所述改性可以允许在电路载体的表面上对电路迹线进行激光激活，被激活的区域在化学镀金属浴中被金属化，以建立导电迹线，该导电迹线由此延伸到第三维度。除了激光直接构造技术(添加和删减)之外，根据本发明，双射注射模制、热压花和嵌件模制也可以用于制造可用于根据本发明的温度感测单元的三维基底。
根据另一有利的实施例的，至少一个第一温度传感器和至少一个第二温度传感器设置在第二区域中以产生差分温度相关的信号。这种差分测量消除了任何共模干扰对测量结果的影响。此外，还可以提供两个(或更多个)温度传感器以实现冗余，使得如果一个传感器发生故障，仍然可以执行温度测量。
有利地，第一温度传感器布置在所述第二区域中且距第一区域的距离远于第二温度传感器距第一区域的距离。因此，两个温度传感器沿着第二区域的纵向轴线顺序地布置，因此保持较低的空间需求。
根据本发明的有利实施例，温度感测单元包括至少一个另外的温度传感器，其布置在基底的第一区域中。该另外的温度传感器可以充当参考温度传感器，其测量主PCB的温度。与塔中的温度相比，通过分析PCB上的温度，温度感测单元能够更准确地检测流体中的温度变化。由于可以使用参考传感器来校正塔内的测量温度，因此可以显著改善系统的温度响应。在融化条件下，当液体温度可能快速变化时，这一点尤其重要。
此外，温度感测单元可操作为通过以下方式来预测外部温度：将由布置在第二区域中的至少一个温度传感器生成的第一温度信号与由布置在第一区域中的至少一个第三温度传感器生成的第二温度信号组合。例如，将外部温度与两个区域之间的温差相关联的合适模型可以用于处理第一和第二温度信号。
当将所述第二区域至少部分地包封在从覆盖基底的所述第一区域的模块盖凸出的单独的温度感测壳体中时，可以实现温度传感器到液体的特别有效的热耦合。可以证明，在这样的“塔”内，传感器测得的温度在1.5分钟内达到了±1℃内的液体真实温度，而位于PCBA上的温度传感器则需要10分钟以上才能达到相同的温度。
本发明还涉及一种安装在尿素罐中的尿素传感器模块，该尿素传感器模块包括根据本发明的温度感测单元。通过能够准确地监测尿素溶液，根据本发明的尿素传感器模块的优点在于，在冻结的情况下可以采取适当的对策，例如加热液体和/或冲洗供应管线(还有泵、过滤器等，以及位于该管线上的所有部件)，以防止结冰后的损坏。
根据本发明的有利实施例，尿素传感器模块安装在尿素罐的开口处，使得传感器部分延伸到尿素罐的内部，且其中温度感测单元布置在传感器部分处。换言之，带有温度感测单元的传感器部分不位于靠近开口布置的基部板处，而是布置在尿素传感器模块的远端，以便使其进一步到达罐中。这样的优点在于，可以更可靠地监测罐内的温度，从而增强整个SCR系统的安全性。
有利地，传感器部分包括流体液位传感器和流体质量传感器中的至少之一，所述流体液位传感器和流体质量传感器布置在基底的第一区域中，而温度感测单元的至少一个温度传感器布置在基底的远离主PCBA延伸的第二区域中。这种布置的优点是，可以将组装在主PCB上的部件对温度监控的任何干扰保持为较低。
本发明可用于选择性催化还原(SCR)系统，所述系统用于净化柴油车辆的排气中的有害NOx成分，所述系统包括尿素罐和安装在尿素罐中的尿素传感器，所述尿素传感器用于测量罐中的尿素溶液的一个或若干个性质，以及根据本发明的温度感测单元。
另外，根据本发明的温度感测单元可以通过包括以下步骤的方法来组装：
提供包括至少一个第一区域和至少一个第二区域的基底；
将至少一个第一温度传感器和至少一个第二温度传感器安装在基底的第二区域中；
其中所述第二区域在穿过第一区域的方向上延伸。
特别地，所述第一区域和所述第二区域可以通过包括柔性印刷电路板的互连部而电气和机械地互连，其中方法包括将第二区域弯曲到其延伸穿过第一区域的位置的步骤。因此，首先可以通过标准的二维拾取和放置程序在基底上完全安置电子元件，例如使用SMT(表面安装技术)部件，这些部件被回流焊接到基底。然后才弯曲基底，以使第二区域布置为穿过主PCB所限定的平面。
为了允许快速响应时间和温度感测单元的高准确度，方法还包括将所述第二区域至少部分地包封在单独的温度感测壳体中的步骤，该温度感测壳体从覆盖基底的所述第一区域的模块盖凸出。
可以通过在所述温度感测壳体的内部提供凹部来实现将第二区域包封在塔形的单独的壳体中的特别简单和准确的方式，其中，所述第二区域被插入到形成在所述温度感测壳体内部的该凹部中。该布置可以例如通过填充覆盖基底的第一区域和第二区域之间的互连部的一些灌封材料而机械地固定。
为了允许靠近主PCB进行参考测量，在基底的所述第一区域中组装第三(参考)温度传感器。该步骤可以与在第二区域中安装至少一个温度传感器基本同时进行。
最后，安装在尿素罐中的尿素传感器模块的组装方法可以包括执行根据上述方法的步骤来组装温度感测单元，其中尿素传感器模块安装在尿素罐的开口处，使得传感器部分延伸到尿素罐的内部，且其中温度感测单元布置在传感器部分处。
附图说明
附图并入说明书中并形成说明书的一部分以说明本发明的若干实施例。这些附图与描述一起用于解释本发明的原理。这些附图仅仅是出于说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例的目的，而不应被解释为将本发明限制为仅示出和描述的实施例。此外，实施例的几个方面可以单独地或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此可以将以下描述的实施例单独考虑或以其任意组合考虑。从以下对本发明的各种实施例的更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见，如附图中所示，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是尿素传感器模块的示意性透视图；
图2是其中安装有尿素传感器模块的尿素罐的示意图；
图3是包括温度感测单元的电子模块的示意性剖视图；
图4是电子模块的基底的布局；
图5是电子模块的示意性透视图；
图6是示出根据本发明的温度感测单元的温度响应的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图并首先参考图1更详细地解释本发明。
图1示出了根据本发明的尿素传感器模块100的透视图。尿素传感器模块100具有基部板102，其安装在属于选择性催化还原(SCR)系统的尿素罐的孔口中。提供尿素吸入管道104和尿素返回管道106以用于运输尿素溶液。提供加热管线108以加热尿素溶液是必需的。
在尿素传感器模块100的远端，与基部板102相对，布置有传感器部分110。根据本发明的传感器部分包括根据本发明的原理的温度感测单元，但还包括例如基于超声原理的尿素溶液质量传感器，以及用于驱动和评估传感器部件的电子控制单元(ECU)。
图2示意性地示出了尿素传感器模块100在尿素罐112内部的安装。根据本发明，传感器部分110布置为远离设置在尿素罐112内的孔口114，以用于插入尿素传感器模块100。因此，所有传感器都紧密靠近尿素罐112的底部116布置，这对于温度感测以及质量测量的准确性是有利的。
图3示出了图2所示的传感器部分110的示意性剖视图。根据本发明，传感器部分110具有基底118，其具有第一区域120和第二区域122。第二区域122在与第一区域120所限定的平面基本成直角的方向上延伸，如通过轴线124所示。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，也可以有利地使用不同于0°的任何其他角度(优选在80°和100°之间)。
通过提供柔性互连区域132来建立第一区域120和第二区域122之间的电互连。优选地，完整的基底118由刚柔基底形成，其中第一区域120和第二区域122包括刚性印刷电路板，而互连区域132由柔性板形成，该构造具有以下优点：可以在将第二区域122弯曲到最终位置之前用电子部件制造和组装完整的基底。
在第二区域122中，第一温度传感器126和第二温度传感器128沿着轴线124布置。然而，根据本发明，仅一个温度传感器或多于两个温度传感器可以布置在第二区域122中。根据本发明，第一温度传感器126和第二温度传感器128例如由NTC传感器形成。这些具有负温度系数的电阻可作为集成SMT部件使用，并具有提供准确的温度相关信号的优点，同时具有鲁棒性和长期稳定性。然而，显而易见的是，也可以采用任何其他合适的温度感测元件，例如热电偶等。
根据本发明，承载至少一个温度传感器126、128的第二区域122被包封在单独的壳体元件134中，该壳体元件134从主盖136凸出，该主盖136覆盖其中布置有电子部件的第一区域120。由此第二区域122在其壳体元件134中形成从传感器部分110的主盖136凸出的一种“塔”。
如在图3中示意性地示出(尽管必须注意，该图未按比例绘制)，保护性壳体元件134比盖136薄得多，从而中心部分110浸于其中的流体138与温度传感器126、128具有更直接的热接触。
此外，形成参考温度传感器的第三温度传感器130可以设置在第一区域120中。通过分析第一区域120(其形成传感器部分110的主PCBA)上的温度，与功率中的温度相比较，可以检测液体138中的温度变化。这可用于校正塔内测得的温度，以改善系统的温度响应。在融化条件下，当液体温度可能快速变化时，这一点尤其重要。参考温度传感器130也可以是NTC温度传感器。然而，显而易见的是，也可以采用任何其他合适的温度感测元件，例如热电偶等。
如上所述，现有的SCR系统仅在PCBA上使用温度传感器，因此PCBA的自发热会影响温度测量并降低系统的准确度。此外，由于PCBA周围的灌封材料的低的导热系数，常规温度传感器与液体的热耦合也较低。然而，根据本发明的解决方案仅允许将设置在PCBA上的可选的温度传感器130用作参考，并通过布置在凸出的壳体元件134内的至少一个温度传感器126、128来测量流体温度。
图4示出了根据该示例的根据本发明的示例性实施例的基底118的布局，第一区域120由刚性印刷电路板形成，该刚性印刷电路板承载多个电子部件，包括控制单元140。第二区域122也由刚性电路板形成，特别是第一温度传感器126和第二温度传感器128。在所示的实施例中，温度传感器126、128由NTC元件形成。第一区域120和第二区域122通过柔性互连区域132彼此互连。互连区域132包括导电引线，用于将温度传感器126、128连接至控制单元140。
另外，适于测量主PCB上的温度的参考温度传感器130布置在第一区域120中。
此外，形成主PCB的第一区域120也可以经由第二柔性互连区域142连接到至少一个另外的刚性基底144。有利地，如图4所示的完整的基底118形成为一个集成的刚柔PCB。
图5以示意性透视图示出了如何将基底118布置在保护盖136内。凸出的壳体元件134从主盖136的表面延伸且包括带有温度传感器126、128的第二区域122。此外，基底的第一区域120承载至少一个温度传感器130，用于测量电子控制单元40附近的温度。
在下文中，将参考图3至图5详细解释根据本发明的温度感测单元100的组装。在第一步骤，提供例如图4所示的基底118，其具有刚性和柔性区域。在第一区域120中组装电子部件，例如电子控制单元140和可选的参考温度传感器130。至少一个温度传感器126、128位于第二区域122中。根据本发明，所有的电子部件可以在拾取和放置组装步骤中安装，并且将通过随后的回流焊接步骤进行电连接。基底118有利地是平坦的，如图4所示。在下一步骤中，提供具有凸出的壳体元件134的铜136，并且将第二区域122在沿轴线126的方向上滑入设置在壳体元件134内部的凹部中。这是可能的，因为第一区域120和第二区域122之间的电互连是由柔性互连区域132形成的。在最后的步骤中，可以将灌封材料浇铸在第一区域122和柔性互连区域132周围。该过程允许温度传感器126、128与电子控制单元114之间的安全且稳定的电连接，同时制造过程特别简单且快速。另一方面，可以实现快速的响应时间以及温度传感器126、128与流体138的最佳热耦合。
总而言之，组装温度感测单元的方法可以包括以下步骤：提供基底118，其包括至少一个第一区域120和至少一个第二区域122；将至少一个温度传感器126、128安装在基底118的第二区域122中；其中所述第二区域122远离第一区域120延伸。
另外，所述第一区域120和所述第二区域122通过包括柔性印刷电路板的互连部132电气和机械地互连，且其中该方法包括将第二区域弯曲到其延伸穿过第一区域120的位置的步骤。
方法可以包括将所述第二区域122至少部分地包封在单独的温度传感器壳体元件134中的步骤，该壳体元件从覆盖基底118的所述第一区域的主盖136凸出。
优选地，所述第二区域122被插入形成在所述温度传感器壳体元件134内部的凹部中。
图6示出了根据本发明的温度感测单元100的温度响应行为。特别地，曲线600(如虚线所示)示出了流体138中的50℃的温度梯度。如曲线601所示，布置在主盖136下的第一区域120中的温度传感器130需要约10分钟才能到达与流体温度梯度相对应的信号的完整幅度。与此相反，如曲线602所示，第一温度传感器126和第二温度传感器128的差分信号表示在大约1.5分钟后已经对应于流体中50℃温度梯度的温度信号的满量(full scale)。
总而言之，将温度传感器放置在“塔”中的构思增加了传感器与液体的热耦合，同时减少了与PCBA的耦合。这具有两个效果。首先，传感器对流体中的温度变化的响应速度更快，其次，它们更不受PCBA的自发热的影响。此外，温度传感器安装在PCB部分上，该PCB部分经由集成的柔性电缆连接到主PCBA。该改进消除了对手工焊接的需求，并大大简化了制造过程，从而降低了成本。此外，通过在空间上将温度测量值从“塔”和从PCBA中分离出来，可以改善对液体的温度变化的检测，并可以实现更好的准确度。
附图标记
Figure BDA0002889630810000091
Figure BDA0002889630810000101

Claims (11)

1.一种温度感测单元，包括：
至少一个温度传感器(126，128)；以及
基底(118)，其包括至少一个第一区域(120)和至少一个第二区域(122)；
其中所述至少一个温度传感器(126，128)布置在所述第二区域(122)中，且其中所述第二区域(122)远离所述第一区域(120)延伸。
2.如权利要求1所述的温度感测单元，其中所述第一区域(120)和所述第二区域(122)通过包括柔性印刷电路板的互连部(132)电气和机械地互连。
3.如权利要求2所述的温度感测单元，其中所述基底(118)包括刚柔电路板，所述第二区域(122)布置在所述刚柔电路板的刚性部上。
4.如前述权利要求中任一项所述的温度传感器，其中至少一个第一温度传感器(126)和至少一个第二温度传感器(128)设置在所述第二区域(122)中以产生差分温度相关的信号。
5.如权利要求4所述的温度感测单元，其中所述第一温度传感器(126)布置在所述第二区域(122)中，所述第一温度传感器(126)距所述第一区域(120)的距离远于所述第二温度传感器(128)距所述第一区域(120)的距离。
6.如前述权利要求中任一项所述的温度感测单元，还包括至少一个第三温度传感器(130)，其布置在所述基底(118)的第一区域(120)中。
7.如权利要求6所述的温度感测单元，所述温度感测单元可操作为通过以下方式来预测外部温度：将由布置在所述第二区域(122)中的至少一个温度传感器(126，128)生成的第一温度信号与由布置在所述第一区域(120)中的至少一个第三温度传感器(130)生成的第二温度信号组合。
8.如前述权利要求中任一项所述的温度感测单元，其中所述第二区域(122)至少部分地包封在单独的温度感测壳体元件(134)中，所述温度感测壳体元件从覆盖所述基底(118)的所述第一区域(120)的主盖(136)凸出。
9.一种安装在尿素罐中的尿素传感器模块，所述尿素传感器模块(100)包括前述权利要求中任一项所述的温度感测单元。
10.如权利要求8所述的尿素传感器模块，其中所述尿素传感器模块(100)安装在所述尿素罐(112)的开口(114)处，使得传感器部分(110)延伸到所述尿素罐(112)的内部，且其中所述温度感测单元布置在所述传感器部分(110)处。
11.如权利要求8或9所述的尿素传感器模块，其中所述传感器部分(110)包括流体液位传感器和流体质量传感器的至少之一，所述流体液位传感器和流体质量传感器布置在所述基底(118)的第一区域(120)中。
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