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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit kurzer Ansprechzeit,
und genauer gesagt auf einen gegen äußere Einflüsse
durch einen Mantel aus Metall geschützten Sensor.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
der Offenlegungsschrift der
DE
35 13 441 A1 ist ein Temperaturmessfühler bekannt,
bei dem mit einem Paar von Thermoelementen verbundene Anschlussleitungen
in einem Schutzgehäuse untergebracht sind. Die Thermoelemente
sind durch eine auf das Schutzgehäuse aufgesetzte Schutzkappe
von der zu messenden Atmosphäre abgeschirmt. Dabei ist
es möglich, die Schutzkappe mit einem Gewinde zu versehen
und diese auf das Schutzgehäuse aufzuschrauben oder aber
die Schutzkappe auf das Schutzgehäuse aufzusetzen und mit
diesem zu verschweißen. Die Thermoelemente sowie die Anschlussleitungen
werden durch Isolationsbauteile innerhalb des Schutzgehäuses
voneinander getrennt gehalten, die in das Schutzgehäuse
eingeschraubt sind.
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Um
die Ansprechzeit bei dem oben beschriebenen Aufbau des Temperaturmessfühlers
zu verkürzen, müssen möglichst dünne,
filigrane Bauteile eingesetzt werden. Diese verlangen ein umständliches und
handarbeitsintensives Zusammensetzen der einzelnen Bauteile mit
vielen Einzel- und Zwischenschritten. Dadurch wird ein Herstellungsprozess
des Temperaturmessfühlers teuer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor mit kurzer
Ansprechzeit bereitzustellen, der durch wenige Herstellungsschritte
einfach hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Sensor gemäß der Erfindung weist einen Isolierstoffkörper
auf, der Leitungen aufnimmt, die mit mindestens einem an der Außenfläche
des Isolierstoffkörpers freiliegenden Messelement verbunden sind.
Die Leitungen sind dabei gegeneinander und gegenüber der
Außenhülle elektrisch isoliert, wobei diese vorzugsweise
im Inneren des Isolierstoffkörpers auf eine Weise so angeordnet
sind, dass sie sich nicht berühren. Es ist auch möglich,
dass die Leitungen an der Außenseite des Isolierstoffkörpers,
d. h. an dessen Außenumfang angeordnet sind. Sie können
dabei auch teilweise in dem Isolierstoffkörper eingebettet
sein.
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Vorzugsweise
ist das vorhergehend genannte Messelement ein bekannter Temperaturfühler,
d. h. ein bekanntes Thermoelement oder ein bekanntes Widerstandselement.
Beispielsweise ist das Messelement ein PT100-Sensor, ein NTC-Widerstandselement
(Heißleiterelement), ein PTC-Widerstandselement (Kaltleiterelement)
oder ein spezifisches Halbleiterelement, deren Widerstände
sich jeweils temperaturabhängig verändern. Diese
Widerstandsänderung, die eine Änderung der an
den Leitungen anliegenden Spannung oder des durch die Leitungen
fließenden Stroms bewirkt, kann gemessen und die sich daraus
ergebende Temperatur ermittelt werden.
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Der
Isolierstoffkörper besteht vorzugsweise aus einem Keramikmaterial,
wie z. B. einem gepressten Keramikpulver, Glas oder Porzellan, kann
aber darüber hinaus aus jedem anderen elektrisch isolierenden
Material bestehen.
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Als
Außenhülle weist der Sensor eine atomar abgeschiedene
Metallschicht mit einem vorzugsweise homogenen Gefüge auf,
die den Isolierstoffkörper vorzugsweise formgenau und mindestens
abschnittsweise umgibt. Die Schicht wird dabei vorzugsweise in einem
durchgehenden Abscheidungsvorgang abgeschieden. Das Messelement
ist von der auf diese Weise ausgebildeten Außenhülle
vollständig bedeckt und kann mit dieser in direktem Kontakt stehen.
Das Messelement kann auch in diese Außenhülle
vollständig oder teilweise eingebettet sein. Als Verfahren
zum atomaren Abscheiden von Metall an Oberflächen sind
verschiedene Verfahren anwendbar, wie z. B. ein elektrochemisches
Abscheidungsverfahren (z. B. Galvanisieren), ein chemisches Gasabscheidungsverfahren
(CVD) oder ein physikalisches Gasabscheidungsverfahren (PVD). Diese
Verfahren haben alle gemeinsam, dass eine Metallschicht mit einer
sehr dünnen Schichtdicke an einem Gegenstand ausgebildet
werden kann. Die Schichtdicke bei dem erfindungsgemäßen
Sensor ist vorzugsweise kleiner als 500 μm, kann aber auch
kleiner als 100 μm sein.
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Durch
die Verwendung des Isolierstoffkörpers und der atomar abgeschiedenen
Metallschicht können weitere physikalische Eigenschaften
wie z. B. die Vibrationsfestigkeit oder die Schockfestigkeit des
Sensors wesentlich gesteigert werden.
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Der
Sensor der Erfindung kann vorzugsweise ein reiner Temperatursensor
sein, bei dem mindestens ein Temperaturfühler als Messelement
sowie die damit verbundenen Leitungen von der dünnen Metallschicht
gegen die Atmosphäre abgetrennt sind. Es ist darüber
hinaus möglich, dass die Außenhülle den
Isolierstoffkörper inklusive des Temperaturfühlers über
die gesamte Länge des Isolierstoffkörpers umgibt.
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Der
Isolierstoffkörper kann auch teilweise oder vollständig
in einem Gehäuse, wie z. B. einem Rohr angeordnet sein,
das einen Teil der Außenhülle ausbildet. Der evtl.
außerhalb des Rohrs angeordnete Teil des Isolierstoffkörpers
bzw. das Ende des Rohrs, an dem der Isolierstoffkörper
nach außen hin freiliegt, ist von der Metallschicht bedeckt,
die damit den Rest der Außenhülle ausbildet.
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Die
auf eine der vorhergehend beschriebenen Verfahren abgeschiedene
Außenhülle steht vorzugsweise mit dem Messelement
in direktem Kontakt. Das bedeutet, dass das vor dem Abscheiden nach
außen hin freiliegende Messelement durch das Abscheiden
der Metallschicht von dieser bedeckt ist und mit dieser auf eine
z. B. Wärme und/oder Elektrizität gut leitende
Weise in Verbindung steht. Da es anhand der beschriebenen Abscheidungsverfahren möglich
ist, eine geringe Schichtdicke auszubilden, ist es in dem Fall des
Temperaturfühlers als Messelement möglich, dass
eine Temperatur durch den Temperaturfühler beinahe unmittelbar
mit vernachlässigbaren Wärmeverlusten an der Metallschicht
gemessen werden kann. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht
sowie die Ansprechzeit des Sensors erheblich verkürzt.
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Durch
die elektrische Leitfähigkeit der Außenhülle
ist es möglich, die in dem Isolierstoffkörper liegenden
Leitungen auf nur noch eine innenliegende Leitung zu beschränken,
die den Messstrom zu dem Messelement hin oder von diesem weg leitet.
Die andere zur Messung benötigte Leitung ist in diesem
Fall durch die elektrisch leitende Außenhülle
gebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist eine geschnittene Teilansicht eines Sensors
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Der
in 1 dargestellte Sensor 1 gemäß dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat ein Schutzrohr
mit einem Schutzrohrmantel 41 mit großem Außendurchmesser
und einem Fortsatz 42 mit kleinem Außendurchmesser,
wobei der Schutzrohrmantel 41 einen größeren
Außendurchmesser als der Fortsatz 42 aufweist.
In dem Schutzrohrmantel 41 ist ein Isolierstoffkörper 3 angeordnet, der
aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Keramik, Glas oder dergleichen
besteht. Das Schutzrohr ist bis zu dem äußeren
bzw. distalen Rand des Fortsatzes 42 mit diesem Isoliermaterial
gefüllt. Leitungen 23 sind in dem Isolierstoffkörper 3 eingebettet
und stehen am äußeren Rand des Fortsatzes 42 über,
so dass die Enden der Leitungen aus dem Isolierstoffkörper 3 hervorstehen.
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Ein
Messelement 11, in diesem Ausführungsbeispiel
ein Temperaturmessfühler, steht über Anschlussleitungen 21 mit
den Leitungen 23 in Verbindung, wobei die Anschlussleitungen 21 an
Verbindungspunkten 22 mit den Enden der Leitungen 23 verbunden
sind, beispielsweise durch Löten oder dergleichen. Die
Leitungen 23 sind an ihrem anderen Ende mit einer Auswerteeinheit
(nicht gezeigt) oder dergleichen verbunden, die die Änderung
des Messstrom oder der angelegten Spannung aufnimmt und ein entsprechendes
Signal ausgibt.
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Die
außerhalb des Fortsatzes 42 angeordneten Anschlussleitungen 21,
die mit dem Messelement 11 verbunden sind, sind in einen
elektrisch isolierenden Feststoff 5, wie z. B. Zement oder
einer Polymer-Zement-Mischung eingebettet, wobei der Feststoff 5 entsprechend
der Form des Schutzrohrs zu einer zylindrischen Form geformt ist.
Das Messelement 11 liegt dabei nach Außen hin
frei, d. h. es ist nicht in den Feststoff 5 eingebettet.
Eine Außenhülle 43 aus einer dünnen
Metallschicht ist in diesem Ausführungsbeispiel durch Galvanisieren
auf den elektrisch isolierenden Feststoff 5 sowie auf den
Fortsatz 42 so aufgebracht, dass der sich ausbildende zylindrische Außendurchmesser
der Außenhülle 43 mit dem Außendurchmesser
des Schutzrohrmantels 41 übereinstimmt. Das Messelement 11 des
Sensors 1 ist so angeordnet, dass es nach dem Galvanisieren
direkt mit der sich ausbildenden Außenhülle 43 verbunden
ist. Die Außenhülle 43 wird hier in einem
einzigen Galvanisiervorgang ausgebildet.
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ABWANDLUNGEN DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Der
Sensor 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels
ist auf einen Temperatursensor begrenzt. Es kann jedoch jede andere
Art von Sensor, wie z. B. ein Drucksensor mit einem Druckmesselement
durch den vorhergehend beschriebenen Aufbau verwirklicht werden.
Außerdem ist es möglich, eine Kombination von
verschiedenen Sensoren zu einem multifunktionellen Sensor zusammenzufassen,
wobei die entsprechenden Sensorelemente durch eine Metallschicht
wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel geschützt
sind.
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Als
Abwandlung des vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiels
ist es zudem möglich, dass auf ein Schutzrohr verzichtet
wird und der gesamte Isolierstoffkörper 3 inklusive
des Temperaturmessfühlers 11 mit einer durchgehenden
dünnen, abgeschiedenen Metallschicht bedeckt ist. Dabei kann
der Temperaturmessfühler 11 unter anderem in einem
Hohlraum angeordnet und von der Metallschicht formschlüssig
bedeckt sein, der in dem Isolierstoffkörper 3 zu
dessen Außenseite hin offen ausgebildet ist.
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Die
Form des Sensors 1 ist nicht auf die vorhergehend beschriebene
zylindrische Form begrenzt. Jede andere geometrische Form ist denkbar, beispielsweise
eine Stabform oder eine viereckige Form, da sich die ausgebildete
Metallschicht an jede Oberflächenform anlegen kann.
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Der
Sensor 1 kann auch in einer Plattenform ausgebildet sein,
so dass der Sensor 1 unter Verwendung eines weiteren Bauteils
an einer Messstelle fixiert werden kann. Bspw. kann der plattenartige
Sensor 1 durch eine Überwurfmutter und unter Verwendung
entsprechender Dichtkörper an ein Rohr angeschraubt werden,
dessen Innentemperatur gemessen werden soll.
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Des
Weiteren können der Fortsatz 42 des Schutzrohrs
sowie der elektrisch isolierende Feststoff 5 in einer weiteren
Abwandlung weggelassen werden. Die Anschlussleitungen 21 sind
dabei verkürzt bzw. das Messelement 11 ist direkt
mit den Leitungen 23 verbunden. Dadurch ist es möglich,
dass die Metallschicht den verbleibenden Schutzrohrmantel 41 und
die zu dessen Außenseite hin freiliegende Oberfläche
des Isolierstoffkörpers 3 formgenau bzw. formschlüssig
abdecken kann.
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Es
ist darüber hinaus möglich, dass nur eine Leitung 23 im
Inneren des Isolierstoffkörpers 3 zu dem Messelement 11 hin
verläuft und mit diesem verbunden ist, während
die Außenhülle 43, evtl. im Verbindung
mit dem Schutzrohr, als der zusätzliche, zur Messung notwendige
Leiter dient.
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Die
Erfindung ist nicht auf das vorstehende ausführliche Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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