DE10031124C2 - Sensor zur Temperaturerfassung eines Fluids - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Temperaturerfassung eines Fluids, insbesondere eines strömenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, im Hohlraum eines Gehäuses, wobei ein über eine Steckeranordnung an eine Auswerteeinrichtung anschließbares Temperatur- Messelement in einem einseitig geschlossenen Schutz-Rohr eines Sensorgehäuses mit fest eingesetztem Anschlussteil angeordnet ist und das Schutz-Rohr wenigstens mit seine Spitze zum Teil in eine Öffnung des gegenüber der Außenatmosphäre mittels elastischem O-Ring ab­ gedichteten Hohlraums des Gehäuses ragt.

Aus der DE 33 16 995 A1 ist eine Temperaturerfassungsvorrichtung mit einem in einem Ge­ häuse gehaltenen und mit seinem Messbereich aus einem Ende des Gehäuses herausragen­ den Temperatursensor bekannt, wobei Mittel zur Festlegung des einen Endes in einer Öffnung eines - ein flüssiges oder gasförmiges Medium beinhaltenden - Hohlkörpers vorgesehen sind.

Gemäß der DE 33 16 995 A1 soll eine Temperaturerfassungsvorrichtung angegeben werden, die auch von nicht spezialisierten Personen einfach zu installieren und mit einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung sicher zu verbinden ist; dabei soll ein Eindringen eines die Funktionsfähig­ keit beeinträchtigenden flüssigen oder gasförmigen Mediums in das zugeordnete Gehäuse bis zu einem bestimmten Grad verhindert werden.

Zur Lösung des Problems ist nach DE 33 16 995 A1 vorgesehen, dass ein als Kunststoff- Spritzgießteil ausgebildetes Gehäuse zweiteilig ausgeführt ist, wobei der an einem Ende des einen Gehäuseteils gehaltene Temperatursensor von demselben bis auf den Messbereich dicht umschlossen und mit zwei stiftförmigen, in dem einen Gehäuseteil gehaltenen Kontaktteilen verbunden ist, wobei das andere Ende des einen Gehäuseteiles als Stecker ausgebildet ist, dem eine an einem Ende des anderen, zwei buchsenförmige Kontaktteile aufweisenden Gehäuseteils vorhandene Steckeraufnahme zugeordnet ist. Eine an der Auswert- und Anzeigeeinrichtung angeschlossene Leitung ist über das andere Ende des anderen Ge­ häuseteils zuführbar und mit den buchsenförmigen Kontaktteilen verbindbar ausgestaltet, wobei die beiden Gehäuseteile im Bereich des Steckers und der Steckeraufnahme für eine definierte Verbindung mit Verrastungsmitteln versehen sind; den beiden Gehäuseteilen ist im Bereich des Steckers und der Steckeraufnahme zwecks Verhinderung des Eindringens eines flüssigen oder gasförmigen Mediums in die Kontaktzone ein Dichtungsmittel zugeordnet.

Es handelt sich dabei um eine verhältnismäßig aufwendige Konstruktion, die einen hohen Anteil an fachmännischem Geschick beim Aufbau erfordert.

Aus der DE 39 39 165 C1 ist ein mit Schutzrohr versehener Sensor zur Temperaturerfassung bekannt, wobei ein Messwiderstand im Bereich der Spitze des Schutzrohres auf einem Ende einer langgestreckten Leiterplatte (Kunststoff-Folie) angeordnet ist, der über Leiterbahnen mit am gegenüberliegenden Ende der Leiterplatte positionierten Lötkontakten verbunden ist. Die eigentliche Verbindung mit einer nach außen führenden Anschlussleitung erfolgt über mit den Lötkontakten verbundene Anschlussklemmen, die auf einem Klemmenträger im Bereich des dem Messwiderstand abgekehrten Endes des Schutzrohres angeordnet sind. Es handelt sich dabei um eine verhältnismäßig aufwendige Konstruktion.

Weiterhin ist aus der WO 93/09416 A1 eine mit abgedichteten Anschlussleitungen versehene Temperaturmessvorrichtung - insbesondere für Kühlwassertemperaturmessung - bekannt, die ein einschraubbares Gehäuse aus verstärktem Kunststoff aufweist, wobei im Inneren eines Schutzrohres ein Thermistor im geschlossenen Endbereich angeordnet ist, welcher auf einer Leiterplatte zusammen mit anderen elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen montiert ist. Das Kunststoffgehäuse weist im Bereich des geschlossenen Endes seines Schutzrohres einen thermisch gut leitenden Bereich auf, der in enger Nachbarschaft zum Temperatur mes­ senden Element angeordnet ist. Auf dem dem geschlossenen Rohrende gegenüberliegenden Bereich weist das Gehäuse eine Gummiabdichtung auf, durch welche die mit einer Auswerte­ einrichtung verbundenen Anschlussleitungen geführt sind. Es handelt sich hierbei um eine ver­ hältnismäßig aufwendige Anordnung.

Ausgehend von einem Einschraubfühler, wie er aus der eingangs genannten DE 33 16 995 A1 bekannt ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Temperaturmessungen mit einem Ein­ schraubfühler in Fluiden, d. h. verschiedenartigen flüssigen oder gasförmigen, Medien vorzu­ nehmen. Dabei soll eine direkt am Fühler angebrachte Steckdose insbesondere gemäß der Norm DIN 72585 eingesetzt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Messelement im Bereich der Spitze des Schutz-Rohres auf einem Ende einer langgestreckten Leiterplatte angeordnet und über Leiterbahnen mit der am gegenüberliegenden Ende der Leiterplatte positionierten Ste­ ckeranordnung verbunden ist, wobei die Steckeranordnung von einer mit dem Schutz-Rohr fest verbundenen Schraubhülse des Sensorgehäuses umgeben ist, die zwecks Befestigung mit ei­ nem in das Gehäuse des Hohlraums ragenden Gewinde versehen ist und die Schraubhülse einen sich in radialer Richtung erstreckenden Flansch aufweist, welcher als Anpressfläche für den die Öffnung des Hohlraum-Gehäuses abdichtenden O-Ring vorgesehen ist.

Als vorteilhaft erweist es sich, dass mit einem solchen Sensor ein kleiner Bauraum, ein rasches Ansprechverhalten und eine hohe Vibrationsfestigkeit zu erzielen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Die Schraubhülse ist in einer bevorzugten Ausgestaltung auf ihrer dem Schutz-Rohr abge­ wandten Seite mit einem koaxial zum Schraubhülsen-Gewinde angeordneten umlaufenden Rand zur Befestigung eines im Wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Anschlussteils verse­ hen, wobei Steckkontakte der Steckeranordnung in das nach außen geöffnete Anschlussteil ragen. Vorteil­ hafterweise ist das Anschlussteil durch eine umlaufende Bördelung des Randes der Schraubhülse in seiner Aufsteck-Position gegen axiale Verschiebung arretiert.

Der Fühler besteht somit aus einer Schraubhülse, welche eine Steckeranordnung aufnimmt. Der Rand der Schraubhülse wird mit einem speziellen Werkzeug in einem Arbeitsgang um die Steckeranordnung mit dem Anschlussteil gelegt und gleichzeitig werden mehrere - bei­ spielsweise drei - Sicken gegen Verdrehen eingebracht. Die Positionierung der Sicken zu den entsprechend vorgesehenen Aussparungen in dem Anschlussteil für die Steckeranord­ nung wird über einen im Werkzeug integrierten Gegenstecker erreicht, über den gleichzeitig beim Verpressen die Funktion sowie die Isolation des Sensors geprüft werden kann. An der Steckeranordnung wird eine langgestreckte Leiterplatte verlötet, die bis in die Spitze des Schutz-Rohres reicht und das Messelement des Temperatursensors aufnimmt.

Die aus Steckeranordnung, Schraubhülse und Anschlussteil gebildete Funktionseinheit dient zum Anschluss eines externen Steckers zur elektrischen Verbindung mit einer Auswerte- und Anzeigevorrichtung (bzw. Regler) für das Temperatursignal; die Funktionseinheit wird deshalb in Fachkreisen auch als Steckdose bezeichnet.

Als Temperatur-Messelement kann ein mit Anschlussdrähten versehenes Bauteil oder ein oberflächenmontierbares Bauteil (SMD) eingesetzt werden, da die benötigten Anschluß- Lötflächen für beide Fälle vorgesehen sind. Das Temperatur-Messelement ist z. B. ein Dünn­ schichtplatinelement oder ein NTC-Element. Es ist vorteilhafterweise in Wärmeleitpaste ein­ gebettet, um ein rasches Ansprechen zu gewährleisten. Über das Messelement und die Lei­ terplatte ist ein Schrumpfschlauch zur Isolation und zum mechanischen Schutz des Elements aufgebracht.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 2a, 2b, 2c und 3a und 3b näher erläutert.

Fig. 1a zeigt teilweise im Längsschnitt einen Sensor, der in eine Öffnung eines im Hohl­ raum befindlichen Gehäuses eingeschraubt ist und mit seinem geschlossenen Schutzrohr dem zu bzw. strömenden Medium zugewandt ist;

Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf den Sensor entlang seiner Längsachse, wobei die Steckkon­ takte des Anschlussteils (von oben gesehen) erkennbar sind.

Fig. 2a zeigt in einer Draufsicht eine unbestückte Leiterplatte, auf der Anschlusskontakte für ein Temperatur-Messelement mit Anschlussdrähten bzw. mit SMD-Kontakten erkennbar sind;

Fig. 2b zeigt ein Messelement auf einer Leiterplatte, welches mit Anschlussdrähten kontaktiert ist;

Fig. 2c zeigt ein Messelement, das in SMD-Technik aufgebracht ist.

Fig. 3a zeigt im Längsschnitt einen Sensor zusammen mit einem Verpresswerkzeug, das später wieder entfernt wird.

Fig. 3b zeigt ausschnittsweise Zylinderstifte des Verpresswerkzeugs zur Bildung von Verdreh­ sicherungssicken am Umfang des Bördelrandes.

Gemäß Fig. 1a weist der Sensor 7 ein Sensorgehäuse 12 mit einem Schutzrohr 11 auf, des­ sen verschlossenes Ende 18 dem zu messenden Medium zugewandt ist; im Endbereich des Schutzrohres 11 ist ein temperatursensitives Messelement 1 auf einem Ende der Leiterplatte 2 angeordnet. Das Messelement 1 ist über Anschlussdrähte 21, 22 mit Kontaktfeldern 23, 24 der Leiterbahnen 25, 26 der Leiterplatte 2 verbunden, welche am anderen Ende 27 der Leiterplatte 2 über Kontaktfelder 28, 29 mit Steckkontakten 33, 34 verlötet werden, wie es auch später an­ hand der Fig. 3 erkennbar wird. Um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen Schutz­ rohr 11 und Messelement 1 zu erzielen, ist im Inneren des Schutzrohres 11 Wärmeleitpaste 17 eingesetzt.

Es ist jedoch auch möglich, ein temperatursensitives Messelement als SMD-Bauteil direkt auf Kontaktfelder am Ende der Leiterplatte 2 aufzubringen.

Das Sensorgehäuse 12 weist in seinem mittleren Bereich ein Gewinde 13 auf, welches in einer Öffnung 9 eines hier bruchstückhaft dargestellten Gehäuses 10 mit einem Hohlgewinde entlang einer Gewindeachse 36 verschraubt ist. Dabei weist das Sensorgehäuse 12 auf der der Mes­ sung abgewandten Seite des Gehäuses 10 einen umlaufenden Flansch 14 auf, welcher einen elastischen O-Ring 5 (Dicht-Ring) in einen sich hohlkegelförmig verjüngen­ den Abschnitt 35 - entlang der Gewindeachse 36 in Einschraubrichtung gesehen - an das Ge­ häuse 10 presst. Auf diese Weise ist die Umgebung der Spitze von Schutzrohr 11 gegenüber der der Messung abgewandten Seite von Gehäuse 10 hermetisch abgedichtet. Um eine mög­ lichst fest anliegende Dichtung zu erzielen, ist das Sensorgehäuse 12 in seinem der Messung abgewandten Bereich als Schraubhülse 3 ausgebildet, so dass das Eindrehen des Sensorge­ häuses 12 in das Gewinde von Öffnung 9 durch einen Schraubschlüssel erfolgen kann. Inner­ halb des der Messung abgewandten Bereichs der Schraubhülse 3 befindet sich ein umlaufen­ der elastischer O-Ring 40, welcher die innere Fläche der nach innen hohlzylindrisch ausgebil­ deten Schraubhülse 3 gegenüber einem in die Schraubhülse ragenden Anschlussteil 4 mit Hilfe eines umlaufenden Bördelrandes 15 hermetisch abdichtet, so dass das Innere des Schutzroh­ res 11 zusammen mit dem Raum für die Leiterplatte 2 gegenüber der Umgebungsatmosphäre auf der der Messung abgewandten Seite von Gehäuse 10 hermetisch dicht abgeschlossen ist. Die Schraubhülse 3 ist auf ihrer dem Anschlussteil zugewandten Seite mit dem umlaufenden Bördelrand 15 versehen, welcher Einkerbungen 37 besitzt, die in entsprechende Nuten des als Kunststoffkörper ausgebildeten Anschlussteils 4 eingreifen. Aufgrund des umlaufenden Randes 15 und der Einkerbungen 37 ist Anschlussteil 4 mit dem Sensorgehäuse 12 unverrückbar ver­ bunden und gegen Verdrehen gesichert.

Anhand Fig. 1b ist eine Draufsicht auf den oberen Bereich von Schraubhülse 3 erkennbar, wobei sowohl der Außenumfang der Schraubhülse zu sehen ist, als auch der Bördelrand 15, welcher das Anschlussteil 4 mit den von oben erkennbaren Steckkontakten 33, 34 umfasst, sichtbar ist. Es ist somit möglich, auf die Steckkontakte 33, 34 Stecker bzw. Prüfkontakte aufzu­ setzen, wie es auch anhand der Fig. 3a, 3b nachstehend erläutert wird. Die Achse der Schraubhülse 3 entspricht der Gewindeachse 36.

Gemäß Fig. 2a weist die unbestückte Leiterplatte 2 jeweils Kontaktfelder 41, 42 zur elektri­ schen und mechanischen Verbindung mit einem einzubringenden SMD-Messelement auf, wo­ bei zusätzlich Anschlusskontaktfelder 23, 24 vorgesehen sind, die zur Montage von Messele­ menten mit Anschlussdrähten vorgesehen sind.

Gemäß Fig. 2b ist es dabei möglich, ein Messelement 1 über Anschlussdrähte 21, 22 mit den Kontaktfeldern 23, 24 elektrisch und mechanisch fest zu verbinden, während in Fig. 2c auch die Möglichkeit einer SMD-Aufbringung mit Hilfe von SMD-Kontakten 45, 46 eines Messelements 1' dargestellt ist.

In der Darstellung gemäß Fig. 2c können die aus Fig. 2b bekannten Anschlussdrähte für das Messelement entfallen. Hieraus ergibt sich eine zusätzliche Vereinfachung der Fertigung und die Möglichkeit einer Miniaturisierung von Sensorelementen.

Gemäß Fig. 3a wird das der Messung abgewandte Ende von Schraubhülse 3 mit Hilfe ei­ nes Verpresswerkzeuges 50 durch Bördelung soweit deformiert, dass das Anschlussteil 4 formschlüssig vom umlaufenden Bördelrand 15 der Schraubhülse 3 gehalten wird; dies be­ deutet, dass das Anschlussteil 4 am ringförmigen Befestigungselement vom umlaufenden Bördelrand 15 umschlossen ist; gleichzeitig werden mittels dreier Zylinderstifte 51 des Ver­ presswerkzeuges 50 Verdrehsicherungssicken am Umfang des Bördelrandes 15 in die be­ reits vorhandenen Aussparungen des im Wesentlichen aus Kunststoff bestehenden An­ schlussteils 4 eingebracht, so dass eine Verdrehung zwischen Anschlussteil 4 und Schraub­ hülse 3 nicht mehr möglich ist.

Anhand des in Fig. 3b dargestellten Ausschnitts sind zwei der drei Zylinderstifte 51 für die Bildung der Verdrehsicherungssicken am Umfang des Bördelrandes 15 (Fig. 3a) erkennbar, wobei die Achsen der Zylinderstifte in der Fläche eines Kegelmantels liegen, welcher rotati­ onssymmetrisch zur Gewindeachse 36 angeordnet ist. Dabei ist einer der Zylinderstifte 51 in seiner vollen Länge erkennbar, während ein anderer Zylinderstift 51 nur teilweise zu erken­ nen ist.

Nach dem eigentlichen Verpressvorgang wird mittels der Prüfkontakte 54, 55 des Verpress­ werkzeugs eine Funktionsprüfung des Temperatursensors 7 vorgenommen, wobei sich auf­ grund des Verpressvorganges und der Funktionsprüfung mittels der Prüfkontakte 54, 55 eine einfa­ che Kombination von Herstellverfahren und Prüfung ergibt.

Nach Verpress- und Kontrollvorgang wird das Verpresswerkzeug 50 entlang der Gewinde­ achse 36 vom Sensor 7 entfernt, so dass der eigentliche Sensor nunmehr als komplettes Bauteil vorliegt, sofern die Funktionsprüfung mittels einer hier nicht dargestellten Prüfeinheit erfolgreich verlaufen ist.

Das Sensorgehäuse 12 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder Messing, wobei in der Werkstoffauswahl die Eigenschaften des zu messenden Mediums berücksichtigt werden.

Das eigentliche Anschlussteil 4 besteht (mit Ausnahme der Stecker 33, 34) vorzugsweise aus Polyamid.

Claims (6)

1. Sensor zur Temperaturerfassung eines Fluids, insbesondere eines strömenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, im Hohlraum eines Gehäuses, wobei ein über eine Steckeran­ ordnung an eine Auswerteeinrichtung anschließbares Temperatur-Messelement in einem einseitig geschlossenen Schutz-Rohr eines Sensorgehäuses mit fest eingesetztem An­ schlussteil angeordnet ist und das Schutz-Rohr wenigstens mit seiner Spitze in eine Öff­ nung des gegenüber der Außenatmosphäre mittels elastischem O-Ring abgedichteten Hohl­ raums des Gehäuses ragt, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1, 1') im Bereich der Spitze des Schutz- Rohres (11) auf einem Ende einer langgestreckten Leiterplatte (2) angeordnet und über Leiterbahnen (25, 26) mit der am gegenüberliegenden Ende der Leiterplatte (2) positionier­ ten Steckeranordnung verbunden ist, wobei die Steckeranordnung von einer mit dem Schutz-Rohr (11) fest verbundenen Schraubhülse (3) des Sensorgehäuses (12) umgeben ist, die zwecks Befestigung mit einem in das Gehäuse (10) des Hohlraums ragenden Ge­ winde (13) versehen ist und die Schraubhülse (3) einen sich in radialer Richtung erstre­ ckenden Flansch (14) aufweist, welcher als Anpressfläche für den die Öffnung (9) des Hohl­ raum-Gehäuses (10) abdichtenden O-Ring (5) vorgesehen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubhülse (3) auf ihrer dem Schutz-Rohr (11) abgewandten Seite mit einem koaxial zu ihrem Gewinde (13) angeordne­ ten umlaufenden Rand (15) zur Befestigung des Anschlussteils (4) versehen ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (4) durch eine umlaufende Bördelung des Randes (15) in seiner Aufsteck-Position gegen axiale Verschie­ bung arretiert ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil (4) durch Sicken und/oder Aussparungen gegen Verdrehung gegenüber der Schraubhülse (3) des Sensor-Gehäuses (12) gesichert ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1, 1') in Wärmeleitpaste eingebettet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (1, 1') als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist.