DE102012204898A1

DE102012204898A1 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE102012204898A1
Application number: DE201210204898
Authority: DE
Inventors: Klaus Schirmer; Manfred Herrler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor (1) zum Aufbringen auf einen Gegenstand (), enthaltend ein Sensorelement (10) und einen Schaltungsträger (20) mit zumindest einer Leiterbahn (), wobei das Sensorelement (10) mit einem SMD-Gehäuse versehen und auf dem Schaltungsträger (20) befestigt ist, wobei der Schaltungsträger eine Dicke von etwa 80 µm bis etwa 500 µm oder von etwa 150 µm bis etwa 300 µm aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor zum Aufbringen auf einen Gegenstand, enthaltend ein Sensorelement und einen Schaltungsträger mit zumindest einer Leiterbahn. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Lufttemperatur, enthaltend ein Sensorelement und ein Gehäuse. Sensoren der eingangs genannten Art können beispielsweise in Heizungsanlagen genutzt werden, um den Wärmebedarf zu steuern bzw. zu regeln.
Aus der Praxis sind Temperatursensoren der eingangs genannten Art bekannt. Diese können beispielsweise in einem etwa 50 × 20 × 15 mm großen Kunststoffgehäuse angeordnet sein, welches mit Spannfedern oder Schellen auf einen Gegenstand, beispielsweise ein Heizungsrohr, geklemmt wird. Eine um das Rohr angeordnete Isolation muss an dieser Stelle ausgeschnitten werden. Daher erfordert die Montage einen großen Aufwand und in Betrieb ist der Sensor mechanischen Beschädigungen und/oder Witterungseinflüssen ausgesetzt.
Zur Messung der Außentemperatur ist aus der Praxis bekannt, einen Temperatursensor in einem geschlossenen Kunststoffgehäuse anzuordnen. Das Kunststoffgehäuse kann an der Außenfassade angeordnet werden, so dass das geschlossene Kunststoffgehäuse einerseits eine Beschattung und andererseits Schutz vor Witterungseinflüssen bietet. In der Praxis bildet sich dennoch Staunässe im Gehäuse, so dass der Temperatursensor und/oder dessen Anschlussdrähte korrodieren.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor anzugeben, welcher eine Lufttemperatur und/oder die Temperatur eines festen Gegenstandes bestimmen kann und dabei nicht durch Sonneneinstrahlung beeinflusst wird, einfach montierbar ist, eine mechanisch robuste Konstruktion aufweist, eine schnelle Messwerterfassung ermöglicht und/oder durch Staunässe weniger beeinträchtigt wird.
Die Aufgabe wird durch einen Temperatursensor gemäß Anspruch 1 und einen Temperatursensor gemäß Anspruch 8 gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen Temperatursensor zum Aufbringen auf einen Gegenstand mit einem Schaltungsträger mit zumindest einer Leiterbahn auszustatten. Der Schaltungsträger kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Polyimid und/oder Polyester und/oder glasfaserverstärkten Kunststoff enthalten. Auf dem Schaltungsträger sind eine oder mehrere Leiterbahnen angeordnet, mit welchen der Temperatursensor elektrisch kontaktiert werden kann. Im einfachsten Fall dienen die Leiterbahnen dazu, das Sensorsignal einer Auswerteschaltung über eine Kabelverbindung zuzuführen. In diesem Fall kann der Schaltungsträger zur elektrischen Kontaktierung und/oder Zugentlastung eines Anschlusskabels dienen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Schaltungsträger weitere elektronische Bauelemente aufweisen, welche zur Messwerterfassung, Speicherung oder Übertragung benötigt werden oder die Messwerterfassung, Übertragung oder Speicherung vereinfachen oder sicherer machen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Messsignale digitalisiert werden, von unzulässigen Rauschanteilen befreit werden, elektrisch verstärkt werden oder weitere, nicht explizit benannte Modifikationen erfahren.
Das Sensorelement kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein elektrisches Widerstandsthermometer sein. Das Widerstandsthermometer kann eine Schicht aus einem Metall oder einer Legierung oder einem halbleitenden Material sein. Ein Halbleitermaterial kann einen Dotierstoff aufweisen, um eine bestimmte, vorgebbare Leitfähigkeit einzustellen. In einer Ausführungsform kann das Sensorelement n-dotiertes Silicium enthalten.
Das Sensorelement kann in ein Gehäuse aufgenommen sein, welches mit dem Schaltungsträger mittels entsprechender Klebe- oder Lötverbindungen verbunden werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gehäuse ein SMD-Gehäuse sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das SMD-Gehäuse die Baugröße SOT-23 aufweisen. Sensorelemente in einem SMD-Gehäuse weisen insbesondere den Vorteil einer geringen Baugröße auf, so dass eine platzsparende und geschützte Montage des Sensorelementes möglich ist. Weiterhin weist das kleine Gehäuse geringe thermische Massen auf, so dass der Sensor ein verbessertes Ansprechverhalten zeigt.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass der Schaltungsträger eine Dicke von etwa 80 µm bis etwa 500 µm aufweist. Ein solcher Schaltungsträger ist flexibel, so dass sich dieser zur Temperaturmessung eines Gegenstandes auch an gekrümmte Oberflächen des Gegenstandes anpassen kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Gegenstand ein Rohr sein, so dass der erfindungsgemäße Temperatursensor zur Bestimmung der Rohraußentemperatur bzw. zur Bestimmung der Temperatur des im Rohr fließenden Fluids verwendet werden kann. In diesem Fall kann der flexible Schaltungsträger mittels Kabelbindern, Klebebändern oder einem Schrumpfschlauch formschlüssig an der Außenkontur des Rohres befestigt werden. Auf diese Weise wird ein guter Wärmeübergang von der Rohraußenseite auf den Temperatursensor sichergestellt. Weiterhin wird gegenüber bekannten Montageverfahren Bauhöhe eingespart, so dass sich eine platzsparende Anordnung des Temperatursensors innerhalb bzw. unterhalb einer Rohrisolierung ergibt. Eine mechanische Beschädigung des Sensors nach der Montage kann dadurch vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke des Schaltungsträgers etwa 150 µm bis etwa 300 µm aufweisen. Ein solcher Schaltungsträger kann auch bei einer Ausführung aus glasfaserverstärktem Duroplast gebogen werden, so dass eine Anpassung an die Krümmung eines Gegenstandes erfolgen kann. Gleichzeitig ist die mechanische Stabilität so groß, dass der Schaltungsträger leicht bearbeitet werden kann und auch in Umgebungen mit großer mechanischer Belastung sicher eingesetzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Schaltungsträger ein- oder beidseitig mit einer Metallisierung versehen sein. Eine solche Metallisierung kann in eine Mehrzahl von Teilflächen strukturiert sein, welche voneinander elektrisch isoliert sind. Die Metallisierung auf der dem Sensorelement zugewandten Seite des Schaltungsträgers kann als Leiterbahn ausgebildet sein. Die Metallisierung auf der dem Sensorelement abgewandten Seite des Schaltungsträgers kann die thermische Ankopplung des Sensorelementes verbessern.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Sensorelement ein Halbleiterbauelement enthalten und das SMD-Gehäuse zumindest einen ersten Anschlusskontakt enthalten, welcher mit dem Halbleiterbauelement in Kontakt steht, wobei der Schaltungsträger eine Aussparung aufweist, welche den ersten Anschlusskontakt aufnimmt. Auf diese Weise kann der erste Anschlusskontakt auf die dem Gegenstand zugewandte Seite des Schaltungsträgers geführt werden, so dass ein besonders guter Wärmeübergang vom Gegenstand über den Anschlusskontakt auf das Halbleiterbauelement erfolgt. Der erste Anschlusskontakt kann in einigen Ausführungsformen ein elektrischer Kontakt sein, welcher zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes und damit der Temperatur des Halbleiterbauelementes dient. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Anschlusskontakt elektrisch isoliert mit dem Halbleiterbauelement in Verbindung stehen und lediglich zur thermischen Ankopplung des Halbleiterbauelementes an den Gegenstand dienen. In diesem Fall können weitere Anschlusskontakte vorhanden sein, welche zur Auslese elektrischer Parameter des Halbleiterbauelementes dienen. Ein solchermaßen ausgestalteter Temperatursensor erlaubt eine raschere Temperaturdynamik aufgrund geringerer thermischer Widerstände.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zwischen dem Schaltungsträger und dem Gegenstand ein Isoliermaterial angeordnet sein, welches eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 bis etwa 10 W/(m·K) oder von etwa 1 bis etwa 3,5 W/(m·K) oder von etwa 4 bis etwa 10 W/(m·K) und einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10⁸ Ω·m oder mehr als 10¹⁰ Ω·m aufweist. Ein solches Isoliermaterial kann einen verbesserten Wärmeübergang vom Gegenstand zum Sensorelement ermöglichen und damit die Messgenauigkeit sowie die Ansprechgeschwindigkeit verbessern.
Der erfindungsgemäße Temperatursensor kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mit einem Klebeband befestigt sein. Das Klebeband kann mit einer Klebeschicht versehen sein, welche bei Wärmeeinwirkung härtet und somit eine besonders sichere Befestigung des Temperatursensors ermöglicht. Dies erlaubt eine besonders einfache und werkzeuglose Montage. Gleichzeitig kann das Klebeband dazu verwendet werden, ein Anschlusskabel des Temperatursensors mit einer Zugentlastung zu versehen. In einigen Ausführungsformen kann das Kabel auch entlang des Gegenstandes, beispielsweise eines Rohres, bis zum Anschlusspunkt der Messelektronik verlegt werden. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache und sichere Montage.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Klebeband eine Metallfolie und/oder Polyimid enthalten oder daraus bestehen. Ein solches Klebeband ist einerseits sehr temperaturbeständig, so dass der Einsatz auch bei hohen Temperaturen möglich ist. Andererseits weist eine Metallfolie eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die thermische Ankoppelung des Temperatursensors weiter verbessert werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Klebeband eine Aussparung aufweisen, welche zur Aufnahme des Sensorelementes vorgesehen ist. Hierdurch können Kurzschlüsse bei elektrisch leitfähigen Klebebändern wie Metallfolien vermieden werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Klebeband in Form von vorgefertigten Abschnitten an den Ort der letzten Verwendung gebracht werden, wobei die Klebeschicht mit einer Abdeckfolie geschützt ist. Zur Montage des Temperatursensors muss dann lediglich die Abdeckfolie entfernt, der Sensor auf den Gegenstand aufgelegt und mit dem Klebeband gesichert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Sensorelement und/oder ein Anschlusskabel in einem Spritzgußvorgang mir einer Vergussmasse umspritzt werden. In einigen Ausführungsformen kann zumindest eine Fläche des Schaltungsträgers zumindest teilweise freiliegen, d.h. nicht von der Vergussmasse bedeckt sein. Ein solcher Temperatursensor kann mittels Klebeband, Kabelbinder oder Rohrschelle auf einem Rohr befestigt werden. Die Vergussmasse kann eine Zugentlastung eines Anschlusskabels und/oder einen mechanischen Schutz der Anschlusskontakte und/oder des Sensorelementes bewirken. Die Vergussmasse kann aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Schaltungsträger vor dem Spritzgußvorgang auf der dem Sensorelement abgewandten Seite konkav geformt werden, so dass sich nach dem Spritzgußvorgang eine Wölbung ergibt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Radius zwischen etwa 10 mm und etwa 50 mm betragen. Damit kann der Temperatursensor formschlüssig auf Rohren montiert werden, ohne dass die Lötstellen und/oder das Sensorelement unzulässig belastet werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergussmasse bei Einsatztemperatur des Temperatursensors flexibel sein, so dass sich im Betrieb bzw. bei der Montage die Rundung des Schaltungsträgers an die Rundung eines Gegenstandes anpassen kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergussmasse auf der dem Sensorelement gegenüberliegenden Seite des Schaltungsträgers einen umlaufenden Rand ausbilden. Ein solcher Rand kann als Maskierung für optional vor der Montage aufzutragende Wärmeleitpaste dienen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Anschlusskabel über das Sensorelement verlaufen. Ein solches über das Sensorelement verlaufende Kabel leitet den Anpressdruck, z. B. eines Kabelbinders, gleichmäßig an die Auflagefläche weiter. Die vergleichsweise große Einspritzlänge des Kabels sichert eine langlebige Dichtheit und Isolation.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese einen Temperatursensor zur Bestimmung der Lufttemperatur. Hierzu ist der Sensor in ein Gehäuse eingesetzt, welches eine Beschattung ermöglicht. Hierdurch kann die Verfälschung des Messwertes durch direkte Sonneneinstrahlung reduziert werden.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass das Gehäuse eine obere und eine untere Öffnung aufweist, und das Sensorelement mittels zumindest einer Anschlussleitung an den Anschlusskontakten frei hängend im Gehäuse montiert ist. Durch die frei hängende Montage ist das Sensorelement thermisch vom Gehäuse getrennt, so dass die Ansprechgeschwindigkeit größer wird, da die Temperaturänderung der Luft unmittelbar nachgewiesen werden kann und nicht zunächst ein thermisches Gleichgewicht zwischen Luft und Gehäuse abgewartet werden muss. Durch die obere Öffnung und die untere Öffnung kann die Luft im Gehäuse frei zirkulieren, was die Ansprechgeschwindigkeit weiter verbessert. Obgleich das Sensorelement dann der Witterung weniger geschützt ausgesetzt ist, wurde völlig überraschend erkannt, dass die Korrosion des Sensorelementes oder der Anschlussleitungen in geringerem Maße stattfindet, da diese Bauteile im offenen Gehäuse rascher austrocknen können.
Selbstverständlich sind Ausführungsformen denkbar, bei welchen das Gehäuse nicht aufrecht, sondern um einen beliebigen Winkel gedreht montiert wird. Die Bezeichnung einer oberen und einer unteren Öffnung beziehen sich insoweit nur auf die Unterscheidung gleichartiger Merkmale, auch wenn diese Öffnungen dann am Ort der letzten Verwendung seitlich angeordnet sein können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Gehäuse eine zylindrische oder konische Grundform auf, wobei zwei Anschlussleitungen entlang eines Radius angeordnet sind. In diesem Fall kann das Sensorelement in etwa in der Mitte des Gehäuses bzw. auf dessen Rotationsachse angeordnet sein und weist damit den maximalen Abstand zu den Begrenzungswänden des Gehäuses auf. Gleichwohl wird durch die radiale Anordnung der Anschlussleitungen eine hinreichende Stabilität gegenüber mechanischen Einflüssen erreicht.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Anschlussleitung und/oder zumindest ein Anschlusskontakt des Sensorelementes von einer Vergussmasse umschlossen sein. Eine solche Vergussmasse kann ein Silikon, ein Kunstharz, ein Duroplast oder ein Thermoplast enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergussmasse ein Epoxidharz oder ein Polyurethan-Kleber sein. Die Vergussmasse verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit an die Anschlussleitungen bzw. das Sensorelement, so dass die Korrosion weiter verringert und damit die Lebensdauer des Sensorelementes weiter erhöht werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gehäuse mit einem Montageelement versehen sein, welches einstückig mit dem Gehäuse verbunden ist. Auf diese Weise kann das Gehäuse leicht aus einem einzigen Rohrabschnitt gefertigt sein, welcher lediglich durch ein oder zwei weitere Schnitte endbearbeitet werden muss. Auf diese Weise ergibt sich eine sichere und einfache Konstruktion.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Sensorelement als SMD-Bauteil ausgebildet sein. Ein SMD-Bauteil kann die Gehäusebauform SOT-23 aufweisen. Ein solches Sensorelement weist aufgrund seiner geringen Größe eine geringe Masse auf, so dass die thermischen Massen weiter reduziert werden. Dies kann eine weitere Steigerung der Ansprechgeschwindigkeit bewirken.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Temperatursensor mit einer Auswerteelektronik verbunden sein oder eine Auswerteelektronik enthalten. Eine solche Auswerteelektronik kann als analoge oder digitale Schaltung ausgeführt sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Auswerteelektronik eine Software umfassen, welche auf einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller ausgeführt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Auswerteschaltung eine Einrichtung zur Mittelwertbildung enthalten, mit welcher die Trägheit des Sensors an einen vorgebbaren Sollwert anpassbar ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Temperatursensor zur Steuerung und/oder Regelung einer Heizungsanlage verwendet werden. Durch den beschriebenen Außentemperatursensor kann die Regelgüte der Heizungsanlage aufgrund der verringerten Trägheit bzw. des schnelleren Ansprechens des erfindungsgemäßen Sensors verbessert werden. Der vorgeschlagene Sensor zur Bestimmung der Temperatur eines Gegenstandes kann zur Messung einer Vorlauftemperatur, einer Rücklauftemperatur oder einer Brauchwassertemperatur eingesetzt werden. Da der Sensor einfach und kostengünstig herstellbar und schnell montierbar ist, sowie eine gegenüber dem Stand der Technik größere Genauigkeit aufweist, kann durch mindestens zwei Sensoren, welche in einem definierten Abstand angeordnet sind, die Fließgeschwindigkeit des Mediums im Rohr gemessen werden. Auf diese Weise kann die Wärmeabgabe der Heizungsanlage genau bestimmt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
1 die Montage eines Temperatursensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung an einem Rohr.
2 zeigt einen Ausschnitt aus 1.
3 zeigt die Montage eines Temperatursensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung an einem Rohr.
4 zeigt einen Ausschnitt aus 3.
5 zeigt die Aufsicht auf einen Temperatursensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines Details des erfindungsgemäßen Sensors.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Klebebandes zur Befestigung des Temperatursensors gemäß 1 oder 3.
8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Temperatursensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
9 zeigt die Aufsicht auf einen Temperatursensor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
10 zeigt einen Temperatursensor zur Bestimmung der Lufttemperatur in der Aufsicht.
11 zeigt einen Temperatursensor zur Bestimmung der Lufttemperatur von der Seite.
12 zeigt den Temperatursensor zur Bestimmung der Lufttemperatur von vorne.
1 und 2 zeigen einen Temperatursensor 1 zum Aufbringen auf einen Gegenstand 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gegenstand 30 ein Rohr. Im Rohr kann ein Wärmeträgermedium fließen, beispielsweise ein Öl oder Wasser. Das Rohr kann Teil einer Heizungsanlage, einer Kühldecke oder einer Klimaanlage sein. Der Temperatursensor 1 umfasst ein Sensorelement 10. Das Sensorelement 10 kann ein Widerstandsthermometer sein, welches in einem Gehäuse 100 angeordnet ist. Das Gehäuse 100 kann mit einer Mehrzahl von nicht dargestellten Anschlusselementen versehen sein, um das Sensorelement thermisch und/oder elektrisch zu kontaktieren. In einigen Ausführungsformen kann das Sensorelement 10 ein Halbleiterbauelement enthalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gehäuse 100 ein SMD-Gehäuse sein, welches in an sich bekannter Weise durch Löten und/oder Kleben auf dem Schaltungsträger 20 befestigt werden kann. Eine Lötverbindung kann hierbei gleichzeitig zur elektrischen und thermischen Kontaktierung und zur mechanischen Befestigung des Gehäuses 100 dienen.
Der Schaltungsträger 20 dient dazu, das Sensorelement 10 elektrisch zu kontaktieren und die Anschlusskontakte mit einer nicht dargestellten Kabelverbindung elektrisch leitfähig zu verbinden, so dass das Sensorelement 10 mit einer Auswerteelektronik verbunden werden kann. Die Auswerteelektronik kann Teil eines größeren Gerätes sein, beispielsweise eines Raumtemperaturreglers oder einer Heizungssteuerung.
Der Schaltungsträger 20 kann aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehen, beispielsweise aus Epoxidharz mit Glasfasergewebe. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Schaltungsträger 20 Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polyimid oder ein anderes Polymer enthalten oder daraus bestehen. Der dargestellte Schaltungsträger 20 kann eine Dicke von etwa 50 bis etwa 500 µm aufweisen und aufgrund der Dicke und des Materials so flexibel sein, dass er sich an die äußere Krümmung des Gegenstandes 30 anpassen kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Schaltungsträger eine Breite aufweisen, welche wesentlich geringer ist als der Radius des Rohres 30, so dass der Unterschied der Krümmungsradien durch das Isoliermaterial 25 zumindest teilweise ausgeglichen werden kann.
Der Schaltungsträger 20 kann neben dem Sensorelement 10 weitere elektrische und/oder mechanische Bauelemente tragen, beispielsweise Lötstifte, Lötösen, Stecker, A/D-Wandler, Speicher, Leitungstreiber, Verstärker, Trigger oder andere, hier nicht genannte aktive oder passive Bauelemente.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen dem Schaltungsträger 20 und der Außenseite 31 des Gegenstandes 30 ein optionales Isoliermaterial 25. Das Isoliermaterial 25 kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa etwa 1 bis etwa 10 W/(m·K) oder von etwa 1 bis etwa 3,5 W/(m·K) oder von etwa 4 bis etwa 10 W/(m·K) aufweisen. Auf diese Weise trägt das Isoliermaterial 25 dazu bei, dass der Wärmeübergang zwischen dem Rohr 30 und dem Sensorelement 10 nicht nur punktuell, sondern vollflächig erfolgt. Hierdurch kann die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Temperaturmessung erhöht werden.
Sofern die Leiterbahnen des Schaltungsträgers 20 der Außenseite 31 des Rohres 30 zugewandt sind und das Rohr 30 aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, kann das Isoliermaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10⁸ Ω·m oder mehr als 10¹⁰ Ω·m aufweisen. In diesem Fall wird das Auftreten von Kurzschlüssen und Kriechströmen auf dem Schaltungsträger zuverlässig vermieden.
Der Schaltungsträger 20 mit dem daran befestigten Sensorelement 10 kann mittels Kabelbindern, Schrumpfschläuchen oder Draht am Rohr 30 befestigt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Befestigung durch ein Klebeband 40. Das Klebeband 40 weist eine Aussparung 45 auf, welche das Sensorelement 10 aufnimmt. Auf diese Weise kann eine sichere Befestigung des Schaltungsträgers 20 sichergestellt werden. Gleichzeitig wird die Bauhöhe des Temperatursensors verringert, da an der Stelle größter Dicke kein Klebeband zusätzlich aufträgt. Weiterhin kann bei einem elektrischen leitfähigen Klebeband 40, beispielsweise einer Metallfolie, der unerwünschte Kontakt mit den Anschlusselementen des Sensorelementes 10 durch die Aussparung 45 vermieden werden.
Der vorgeschlagene Temperatursensor zeichnet sich durch eine rasche und einfache Montage auf der Außenseite 31 des Rohres 30 aus. Aufgrund der geringen thermischen Massen kann der Temperatursensor 1 schnell auf Temperaturänderungen ansprechen, so dass die Dynamik einer Temperaturmessung verbessert werden kann. Weiterhin ist der vom Temperatursensor 1 eingenommene Bauraum so gering, dass eine an sich bekannte Rohrisolierung über dem Temperatursensor angeordnet werden kann. Dies verbessert zum einen die Messgenauigkeit, da die Wärmeabgabe des Temperatursensors an die Umgebung verringert ist. Weiterhin wird die Montage erleichtert, da am Montageort des Temperatursensors 1 die Isolierung nicht ausgeschnitten werden muss. Schließlich stellt die Rohrisolierung gleichzeitig einen Schutz für den Temperatursensor 1 dar.
Anhand der 3 und 4 wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt. Auch 3 und 4 zeigen einen Ausschnitt aus einem Rohr 30. Auf der Außenseite des Rohres 30 ist der Temperatursensor 10 auf einem Schaltungsträger 20 angeordnet. Der Schaltungsträger 20 ist aus einem dünnen flexiblen Material gefertigt, beispielsweise mit einer Dicke von etwa 150 µm bis etwa 300 µm. Der Schaltungsträger 20 kann beispielsweise Polyethylen oder Polyimid enthalten oder daraus bestehen. Auf der Oberfläche des Schaltungsträgers 20 können Lötpunkte und Leiterbahnen in an sich bekannter Weise angeordnet sein.
Aufgrund der Flexibilität des Schaltungsträgers 20 kann dieser dicht an das Rohr 30 angelegt werden und erlaubt so einen guten Wärmeübergang zum Sensorelement 10. Optional kann auch bei dieser Ausführungsform ein Isoliermaterial 25 zwischen dem Sensorelement 10 bzw. dem Schaltungsträger 20 an der Außenseite des Rohrs 30 angeordnet sein. Zur Verdeutlichung ist in den Zeichnungen ein vergleichsweise großer Abstand zwischen dem Schaltungsträger 20 und dem Rohr 30 dargestellt. Selbstverständlich kann dieser Abstand in der praktischen Realisierung der Erfindung wesentlich geringer sein, so dass die beiden Bauteile unmittelbar übereinander zu liegen kommen. In diesem Fall kann das Isoliermaterial 25 eine Schicht Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitkleber sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Isoliermaterial 25 ein dünnes Silikonpad oder eine Glimmerscheibe sein. Aufgrund der Flexibilität des Schaltungsträgers 20 kann dieser großflächig ausgeführt sein und einen Teil der Außenfläche des Rohres 30 bedecken.
Auch der Schaltungsträger 20 gemäß der zweiten Ausführungsform kann mittels einem Schrumpfschlauch, einem Kabelbinder, einer Rohrisolierung oder einem Klebeband 40 befestigt sein. In 3 ist exemplarisch ein Klebeband 40 dargestellt. Zur Verdeutlichung ist auch das Klebeband 40 in einem größeren Abstand zum Schaltungsträger 20 gezeichnet. Selbstverständlich kann dieses jedoch mit seiner Klebefläche unmittelbar auf dem Schaltungsträger 20 anliegen. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel kann das Klebeband 40 einen Ausschnitt 45 aufweisen, welcher das Sensorelement 10 aufnimmt.
5 zeigt die Aufsicht auf einen Schaltungsträger 20 mit dem daran befestigten Sensorelement 10. Das Sensorelement 10 kann als SMD-Bauteil mit einem Gehäuse 100 und drei Anschlusskontakten 101, 102, 103 ausgeführt sein. Das Gehäuse 100 kann beispielsweise ein SOT-23-Gehäuse sein.
Der Schaltungsträger 20 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Leiterbahnen 21 und 22 auf. Über die Leiterbahnen 21 und 22 kann dem Sensorelement 10 ein Messstrom zugeführt werden, um auf diese Weise den elektrischen Widerstand des Sensorelementes 10 zu bestimmen. Da sich der elektrische Widerstand mit der Temperatur ändert, ist der gemessene Widerstand ein Maß für die vom Sensorelement 10 gemessene Temperatur.
Weiterhin weist der Schaltungsträger 20 zwei Lötpads 221 und 222 auf. An diesen kann ein Kabel 55 befestigt werden, welches in einen Stecker 50 mündet. Auf diese Weise kann der Temperatursensor leicht mit einer Messelektronik verbunden werden. Sofern der Temperatursensor 1 mit dem in 7 dargestellten Klebeband 40 auf dem Rohr 30 befestigt wird, so dient das Klebeband 40 einerseits der sicheren Befestigung des Temperatursensors 1 mit guter thermischer Ankopplung des Sensorelementes 10 als auch gleichzeitig der Zugentlastung des Kabels 55. Weiterhin ist in 7 die Aussparung 45 zu erkennen, welche das Sensorelement 10 und die Anschlusskontakte 101, 102 und 103 aufnimmt, um einen elektrischen Kurzschluss durch ein elektrisch leitfähiges Klebeband 40 zu verhindern.
Das dargestellte Sensorelement 10 weist weiterhin einen optionalen Anschlusskontakt 101 auf, welcher thermisch mit dem Halbleiterbauelement im Gehäuse 100 gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die thermische Kopplung weiter verbessert werden. Hierzu kann der Anschlusskontakt 101 durch eine optionale Bohrung 26 geführt werden. Das Prinzip wird anhand von 6 näher erläutert.
6 zeigt einen Schnitt durch den Schaltungsträger 20 im Bereich der optionalen Bohrung 26. Dargestellt ist weiterhin ein Ausschnitt aus dem Gehäuse 100 mit dem Anschlusskontakt 101. Es ist gezeigt, wie der Anschlusskontakt 101 durch die Bohrung 26 auf die dem Rohr 30 zugewandte Seite des Schaltungsträgers 20 geführt werden kann. Auf diese Weise kann der Anschlusskontakt 101 unmittelbar mit dem Rohr 30 in Kontakt stehen bzw. mit einer Zwischenlage aus einem duktilen und elektrisch nicht leitfähigen Material, beispielsweise einer Wärmeleitpaste oder einem Silikonpad. Da der Anschlusskontakt 101 als metallischer Leiter eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird der Wärmeübergang vom Rohr 30 auf das Sensorelement 10 weiter verringert, und das Ansprechverhalten kann weiter verbessert werden.
Anhand der 8 und 9 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel de erfindungsgemäßen Sensors erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsformen beschränkt.
8 zeigt einen Schnitt durch den Temperatursensor gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. 9 zeigt eine Aufsicht, wobei übereinanderliegende Bauteile des Temperatursensors teilweise transparent dargestellt sind, um darunterliegende Teile sichtbar zu machen.
Auch der Temperatursensor gemäß der dritten Ausführungsform enthält einen Schaltungsträger 20. Der Schaltungsträger 20 ist beidseitig mit einer Metallisierung versehen. Die Metallisierung kann eine Kupferlegierung enthalten oder daraus bestehen, sodass die Metallisierung lötbar ist. Der Schaltungsträger 20 trägt das Sensorelement 10, welches im Gehäuse 100 angeordnet ist, wie vorstehend beschrieben.
Zur elektrischen Kontaktierung ist die Metallisierung auf der dem Sensorelement 10 zugewandten Seite des Schaltungsträgers 20 in drei Teilflächen strukturiert. Die Teilflächen sind voneinander beabstandet angeordnet, sodass diese elektrisch voneinander isoliert sind. Wie bereits anhand von 5 beschrieben, dienen zwei Teilflächen 21 und 22 zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelementes 10. Die dritte Teilfläche 24 kann den ersten Anschlusskontakt 101 aufnehmen, welcher mit dem Halbleiterkristall verbunden ist und primär die Aufgabe hat, die thermische Ankopplung des Sensorelementes 10 zu verbessern.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die dem Sensorelement 10 abgewandte Seite des Schaltungsträgers 20 mit einer vollflächigen Metallisierung 23 versehen. Die Metallisierung 23 hat die Aufgabe, die thermische Anbindung des Schaltungsträgers 20 an den Gegenstand zu verbessern.
Weiterhin ist in 8 ein zweiadriges Kabel 55 dargestellt. Die Isolierung ist in einem Längsabschnitt entfernt, sodass die zwei Adern 550 beidseitig des Kabels entlang dessen Längserstreckung zurück geführt werden können. Im äußersten Längsabschnitt 551 ist auch die Isolierung der Adern 550 entfernt, um eine Lötverbindung mit den Metallisierungen 21 und 22 zu ermöglichen.
Das Kabel 55 verläuft über dem Sensorelement 10, sodass die Befestigung des Temperatursensors 1 mit einem Kabelbinder oder einer Schlauchschelle sowohl eine Zugentlastung des Kabels 55 bewirkt als auch den Anpressdruck und damit die thermische Ankopplung des Sensorelementes 10 auf dem zu überwachenden Gegenstand verbessert.
Die Zugentlastung des Anschlusskabels 55 kann durch eine optionale Vergussmasse 70 verbessert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergussmasse 70 auch eine spritzwassergeschützte Ausführung des Temperatursensors ermöglichen. Die Vergussmasse 70 kann beispielsweise in einem Spritzgussverfahren appliziert werden, nachdem der Schaltungsträger 20 mit dem Sensorelement 10 und dem Anschlusskabel 55 in ein entsprechendes Spritzgusswerkzeug eingelegt wurde.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Unterseite des Schaltungsträgers 20 mit der Metallisierung 23 konkav gewölbt sein, sodass eine formschlüssige Anordnung auf dem zu überwachenden Gegenstand ermöglicht wird, falls dieser eine konvexe Außenkontur aufweist. Unter einer formschlüssigen Verbindung des Temperatursensors mit dem zu überwachenden Gegenstand wird im Sinne dieser Beschreibung verstanden, dass beide Teile jeweils Formen haben, welche ineinandergreifen. Die Berührung der Teile erfolgt zumindest an Flächen, auf welchen die zu übertragene Kraft senkrecht steht.
Sofern die Vergussmasse 70 aus einem elastischen Material besteht, kann bei der Montage des Temperatursensors 1 die Krümmung des Schaltungsträgers 20 noch in gewissen Grenzen modifiziert werden, sodass ein Temperatursensor 1 mit einer Krümmung von beispielsweise 12 mm auch auf einer ebenen Oberfläche oder einem Rohr mit 15 mm Durchmesser montiert werden kann.
10 zeigt die Aufsicht auf einen Lufttemperatursensor, beispielsweise einen Außentemperatursensor. Der Temperatursensor 1 weist ein Sensorelement 10 auf, wie vorstehend beschrieben. Das Sensorelement 10 kann ein Widerstandsthermometer sein, beispielsweise ein an sich bekannter Pt100- oder Pt1000-Widerstand oder ein Halbleitermaterial mit einem Dotierstoff. Das Sensorelement 10 kann in einem hermetisch dichten Gehäuse eingesetzt sein, beispielsweise der Bauformen TO-92, SOD-70 oder SOT-23. Insbesondere kleine SMD-Gehäuse weisen den Vorteil geringer thermischer Massen auf und verbessern somit das Ansprechverhalten des Temperatursensors 1.
Das Sensorelement 10 ist in etwa auf der Symmetrieachse des Gehäuses 60 angeordnet. Das Gehäuse 60 weist eine im Wesentlichen runde Außenkontur auf. Insbesondere kann das Gehäuse 60 die Form eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes haben. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gehäuse 60 auch einen polygonalen Grundriss zeigen, dementsprechend besteht die Form dann aus einem Quader oder einem Prisma. Durch die Anordnung des Sensorelementes 10 in der Mitte des Gehäuses 60 ist das Sensorelement 10 weitgehend thermisch entkoppelt, so dass die Temperaturänderung der das Gehäuse 60 durchströmenden Luft unmittelbar bestimmt werden kann, ohne dass das Gehäuse 60 zusätzliche thermische Massen und damit zusätzliche Trägheit bei der Temperaturbestimmung verursacht.
Das Sensorelement 10 ist mit zwei Anschlusskontakten 101 und 102 ausgestattet. Diese sind mit Leitungen 55 und 56 verbunden. Die Leitungen 55 und 56 können beispielsweise Kupferdrähte oder Stahldrähte oder Messingdrähte sein. Die Leitungen 55 und 56 können sich in einigen Ausführungsformen der Erfindung radial im Gehäuse 60 erstrecken und so eine stabile Befestigung des Sensorelementes 10 bewirken.
Die Drähte 55 und 56 sind an der Außenseite des Gehäuses 60 mit Steck- oder Klemmverbindern 50 versehen, um auf diese Weise ein elektrisches Anschlusskabel zur Kontaktierung des Sensorelementes 10 anbringen zu können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Leitung 55 und/oder 56 und/oder zumindest ein Anschlusskontakt des Sensorelementes von einer Vergussmasse 70 umschlossen sein. Eine solche Vergussmasse 70 kann ein Silikon, ein Kunstharz, ein Duroplast oder ein Thermoplast enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergussmasse 70 ein Epoxidharz oder ein Polyurethan-Kleber sein. Die Vergussmasse 70 verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit an die Anschlussleitungen bzw. das Sensorelement, so dass die Korrosion weiter verringert wird und damit die Lebensdauer des Sensorelementes weiter erhöht werden kann.
11 zeigt eine Seitenansicht des Gehäuses 60 und 12 zeigt eine Frontansicht des Gehäuses 60. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass das Gehäuse 60 an seinen Enden mit jeweils einem Ausschnitt 62 versehen ist. Auf diese Weise wird die Hinterkante des Gehäuses 60 freigestellt, so dass dort Montagebohrungen 61 angeordnet werden können, welche leicht mit einem Schraubendreher zugänglich sind. Somit kann das Gehäuse 60 in besonders einfacher Weise montiert werden, beispielsweise an einer Hauswand zur Bestimmung der Außentemperatur. Gleichzeitig ist die Herstellung des Gehäuses 60 ohne spezielle Spritzgusswerkzeuge in einfacher Weise möglich, indem ein Rohrabschnitt, beispielsweise eines Kunststoffrohres mit 30 bis 80 mm Durchmesser, mit zwei Ausschnitten 62 und zwei Montagebohrungen 61 versehen wird. Die gesamte Fertigung des Gehäuses 60 umfasst somit fünf einfache Bearbeitungsschritte, nämlich Ablängen, Anbringen des ersten Ausschnittes 62, Anbringen des zweiten Ausschnittes 62, Anbringen der ersten Montagebohrung 61 und Anbringen der zweiten Montagebohrung 61. Sofern das Gehäuse 60 für eine hängende Montage vorgesehen ist, kann eine Montagebohrung 61 entfallen. In diesem Fall kann auch auf einen Ausschnitt 62 verzichtet werden. Der geometrische Verlauf der Außenkontur der Aussparung 62 ist rein schematisch dargestellt. In unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verlauf unterschiedlich sein, beispielsweise gerade oder gekrümmt. Die Ausschnitte 62 können so gewählt sein, dass der verbleibende Gehäuseteil einerseits eine hinreichende mechanische Stabilität bietet und andererseits in Abhängigkeit von der geografischen Breite des Montageortes eine Form aufweist, welche eine ganzjährige und ganztägige Beschattung des Sensorelementes 10 sicherstellt.
Auch wenn in der vorliegenden Beschreibung von einer oberen Öffnung 601 und einer unteren Öffnung 602 die Rede ist, so kann das dargestellte Gehäuse 60 selbstverständlich auch horizontal montiert werden. In diesem Fall würde sich eine rechte und eine linke Öffnung 601 und 602 ergeben. Obgleich das Gehäuse 60 aufgrund seiner offenen Bauweise geringeren Schutz für das Sensorelement 10 bietet, hat sich doch überraschend gezeigt, dass die Korrosion des Sensorelementes 10 verringert ist, da sich im Gehäuse 60 keine Staunässe bilden kann und eindringende Feuchtigkeit schnell abgeführt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus.

Claims

Temperatursensor (1) zum Aufbringen auf einen Gegenstand (30), enthaltend ein Sensorelement (10) und einen Schaltungsträger (20) mit zumindest einer Leiterbahn (21, 22), dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) mit einem SMD-Gehäuse (100) versehen und auf dem Schaltungsträger (20) befestigt ist, wobei der Schaltungsträger eine Dicke von etwa 80 µm bis etwa 500 µm oder von etwa 150 µm bis etwa 300 µm aufweist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (20) Polyimid und/oder Polyester und/oder glasfaserverstärkten Kunststoff enthält oder daraus besteht.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das das Sensorelement (10) ein Halbleiterbauelement enthält und das SMD-Gehäuse (100) zumindest einen ersten Anschlusskontakt (101) enthält, welcher mit dem Halbleiterbauelement in Kontakt steht, wobei der Schaltungsträger (20) eine Aussparung (26) aufweist, welche den ersten Anschlusskontakt (101) aufnimmt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schaltungsträger (20) und dem Gegenstand (40) ein Isoliermaterial (25) angeordnet ist, welches eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 bis etwa 10 W/(m·K) oder von etwa 1 bis etwa 3,5 W/(m·K) oder von etwa 4 bis etwa 10 W/(m·K) und einen spezifischen elektrischen Widerstand von mehr als 10⁸ Ω·m oder mehr als 10¹⁰ Ω·m aufweist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor¬element (100) und/oder ein Anschlusskabel (55) mit einer Vergussmasse (70) umspritzt ist, wobei zumindest eine Fläche (23) des Schaltungsträgers (20) zumindest teilweise freiliegt.
Temperatursensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (20) auf der dem Sensorelement (100) abgewandten Seite konkav geformt ist.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusskabel (55) über das Sensorelement (100) verläuft.
Temperatursensor (1) zur Bestimmung der Lufttemperatur, enthaltend ein Gehäuse (60) und ein Sensorelement (10) mit zumindest 2 Anschlusskontakten (101), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (60) eine obere (601) und eine untere (602) Öffnung aufweist und das Sensorelement (10) mittels zumindest einer Anschlussleitung (55, 56) an den Anschlusskontakten (101, 102) frei hängend im Gehäuse (60) montiert ist.
Temperatursensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (60) eine zylindrische oder konische Grundform aufweist und zwei Anschlussleitungen (55, 56) entlang eines Radius angeordnet sind.
Temperatursensor (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Anschlussleitungen (55, 56) und/oder zumindest die Anschlusskontakte (102, 101) von einer Vergussmasse (70) umschlossen sind.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (60) so ausgebildet ist, dass das Sensorelement (10) beschattet wird.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (60) mit einem Montageelement (65) versehen ist, welches einstückig mit dem Gehäuse (60) verbunden ist.
Verwendung eines Temperatursensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Steuerung und/oder Regelung einer Heizungsanlage.