DE102013208785A1

DE102013208785A1 - Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen Sensorspitze

Info

Publication number: DE102013208785A1
Application number: DE102013208785.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Liehr; Stephan Reichart; Walter Reichart
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-20
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: DE112014002416B4; US10309837B2; WO2014184142A1; DE112014002416A5; DE102013208785B4; US20160103020A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen Sensorspitze (10), die ein Gehäuse (11), ein sich innerhalb des Gehäuses (11) befindliches Sensorelement (3) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und zur Generierung eines Sensorsignals elektronische Bauelemente umfasst, die über elektrische Anschlussleitungen und/oder einen Leiterfilm (6) mit dem Sensorelement verbundenen sind, wobei das Sensorelement (3) mittels einer Lötung (21) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist und zwischen dem Sensorelement (3) und der Lötung (21) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) angeordnet ist. Um das temperaturempfindliche elektronische Bauteil auf der Innenseite der Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufzulöten und dabei den fertigungstechnischen Aufwand zu verringern sowie den Wärmeübergang zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramiksubstrat ausgeführt ist und dass das Gehäuse (11) eine stufenartige Vertiefung (20) aufweist, über die das Keramiksubstrat (2) geführt ist, wobei die Vertiefung (20) an der Innenseite des Gehäuses (11) angeordnet ist und zur Aufnahme des Lots (21) dient, über das das Sensorelement (3) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, und das Lot (21) sich im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in der Vertiefung (20) verteilt, so dass sich im Bereich der Vertiefung (20) zwischen dem Gehäuse (11) und dem Keramiksubstrat (2) und damit auch zwischen dem Gehäuse (11) und dem Sensorelement (3) ein definierter Abstand einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen Sensorspitze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Messgeräte der vorgenannten Art werden in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt, die Eigenschaften eines Fluids, bspw. hinsichtlich Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand, zu überwachen, wobei eine zylinderförmige Sensorspitze zumeist bei Temperaturmessgeräten und thermischen Durchflussmessgeräten vorhanden ist. Bei derartigen Messgeräten befindet sich in die Sensorspitze ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil, das die Temperatur des die Sensorspitze umgebenden Mediums erfasst. Als Beispiel sei hier ein Pt100-Element genannt. Damit die Temperatur nahezu verlustfrei zu dem temperaturempfindlichen Bauteil übertragen werden kann, wird es auf der Innenseite der Sensorspitze angelötet. Eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierenden Schicht, die zwischen dem temperaturempfindlichen Bauteil und der Lötung angeordnet ist, stellt die nahezu verlustfreie Übertragung der Temperatur zu diesem Bauteil sicher, isoliert jedoch das Bauteil von dem Sensorspitzengehäuse. Einen derartigen Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 590 449 A2 .
Entscheidend für die thermischen und damit messtechnischen Eigenschaften derartiger Messgeräte mit in der Sensorspitze aufgelöteten Bauteilen ist der Lötprozess, bei dem das betreffende Bauteil mit dem Innenboden eines z. B. aus Edelstahl bestehenden Gehäuses verbunden wird. Nichtbeherrschbare Schwankungen beim Lötprozess können zu erheblichen Variationen der Sensoreigenschaften einer Sensorserie führen. Insbesondere bei Durchflussmessgeräten ist neben der Menge auch die Homogenität und geometrische Verteilung des Lotes entscheidend für die qualitativ konstante Produktion der Sensorspitzen und deren messtechnischen Eigenschaften. Dies kann u. a. entscheidend dafür sein, ob die Messgeräte anschließend noch einzeln kalibriert werden müssen oder nicht.
Problematisch ist also zum einen das Löten selbst, da der Durchmesser der Sensorspitze zumeist in der Größenordnung 5–10 mm liegt und somit ein Löten auf konventionelle Art nicht möglich ist. Zum anderen muss eine gleichbleibende Lotverteilung und eine gleichmäßig dicke Lotschicht sichergestellt werden, um die Streuung der Eigenschaften des Messgeräts möglichst klein zu halten und den Kalibrieraufwand der gefertigten Messgeräte zu verringern.
Hierzu macht die DE 10 2006 048 448 A1 den Vorschlag, auf das Bauelement eine vorgebbare Menge Lot aufzubringen und das Bauelement an die Innenseite der Sensorspitze derartig anzunähern, dass sich das Lot zwischen dem Bauelement und der Innenseite der Sensorspitze befindet, und das Lot anschließend aufzuschmelzen. Nachteilig hierbei ist jedoch der vergleichsweise hohe Aufwand, insbesondere hinsichtlich der vorgegebenen Überkopflötung und dass ein Verschiebemechanismus vorhanden sein muss, um die definierte Annäherung des Bauelements zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil auf der Innenseite einer Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufzulöten und dabei den fertigungstechnischen Aufwand zu verringern sowie den Wärmeübergang zu verbessern.
Die aufgezeigte Aufgabe wird zunächst erfindungsgemäß gelöst durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den darauf rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht in der stufenartigen Vertiefung, die an der Innenseite des Sensorspitzengehäuses, genauer gesagt an dessen Stirnseite eingebracht ist. Der Leiterfilm passt sich U-förmig der Innenkontur der Sensorspitze an, wobei das temperaturempfindliche Bauteil im Bereich der Stirnseite der Sensorspitze auf dem Leiterfilm angeordnet ist. Über die Vertiefung hat das Lot einen definierten Bereich, in dem es sich verteilen kann, ohne dass dieser Verteilungsvorgang durch den Leiterfilm oder ein Werkzeug zum Einführen des Leiterfilms beeinflusst wird bzw. werden kann.
Für die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht hat sich die Verwendung eines Keramiksubstrats als vorteilhaft erwiesen. Das Sensorelement ist dabei direkt auf dieses Substrat aufgebracht und entweder direkt verdrahtet oder rückseitig über einen Leiterfilm elektrisch kontaktiert.
Bevorzugt ist die stufenartige Vertiefung an der Stirnseite des Gehäuses, d.h. an seinem distalen Ende, angeordnet, da sich in vielen Fällen die Positionierung des Sensorelements an dieser Stelle als vorteilhaft herausgestellt hat. Letztlich kann jedoch diese stufenartige Vertiefung auch an einer anderen Stelle vorgesehen werden, bspw. an der Seitenwand.
Die Vertiefung kann durch eine Reduzierung der Wandstärke des Sensorspitzengehäuses, bspw. durch einen Dreh- oder Fräsprozess, oder alternativ durch einen Umformprozess, wie bspw. Tiefziehen oder Prägen, oder durch das Einlegen eines ringförmigen Körpers in das Gehäuse hergestellt werden und liegt im Bereich von 100–500 µm, bevorzugt 100–300 µm, besonders bevorzugt bei 150 µm.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Messgerät der Prozessmesstechnik in Seitenansicht,
2 eine vergrößerte Darstellung der Sensorspitze des Messgeräts aus 1 als Schnittbild und
3 eine nochmals vergrößerte Darstellung der Sensorspitze des Messgeräts aus 2 als Schnittbild.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In 1 ist ein Messgerät 1 der Prozessmesstechnik dargestellt, das im vorliegenden Fall ein thermisches Durchflussmessgerät ist. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät. Das Messgerät 1 weist u.a. eine zylindrische Sensorspitze 10 auf, die mit dem zu messenden Medium in Berührung kommt und die für die eigentliche Messung notwendigen elektronischen Bauteile beinhaltet. Der kreisförmig umrandete Bereich der Sensorspitze 10 ist als Schnittbild in der 2 vergrößert dargestellt.
In 2 ist die Sensorspitze 10 als Schnittbild vergrößert abgebildet. Die Sensorspitze 10 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 11, das an seiner Stirnseite 12 eine Vertiefung 20 aufweist. Wie aus 2 ersichtlich, erstreckt sich die Vertiefung 20 nicht über den gesamten inneren Durchmesser des Gehäuses 11 sondern nur in einem Teilbereich, so dass sich eine Stufe ergibt.
Dass die Vertiefung 20 an der Stirnseite 12 angeordnet ist stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform dar. Selbstverständlich kann sich diese Vertiefung 12 – je nachdem, wo die temperaturempfindlichen Widerstände positioniert sind – auch bspw. an der Seitenwand des Gehäuses 11 angeordnet sein. Entscheidend ist, dass die Vertiefung am Ort des Wärmeübergangs vom Medium zum Sensorelement angeordnet ist.
Ein flexibler Leiterfilm 6 ist U-förmig in dem Gehäuses 11 angeordnet und umfasst die für die thermische Strömungsmessung notwendigen elektronischen Bauteile, u.a. ein erstes Thermistor-Bauelement 3, ein zweites Thermistor-Bauelement 4 und ein Heizelement 5. Die Thermistor-Bauelemente können bspw. als Pt100-Bauelement und das Heizelement als Widerstands-Bauelement ausgeführt sein. Über das erste Thermistor-Bauelement 3 wird eine erste Temperatur gemessen, die unmittelbar durch das Heizelement 5 beeinflusst wird. Das zweite Thermistor-Bauelement 4 fungiert als Referenz und misst eine zweite Temperatur, die zwar auch durch das Heizelement 5 beeinflusst wird, wobei allerdings eine Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des die Sensorspitze umgebenden und die Temperatur übertragenden Mediums vorhanden ist. Der Unterschied zwischen den gemessenen Temperaturwerten des ersten und des zweiten Thermistor-Bauelement 3, 4 ist dann ein Maß für diese Strömungsgeschwindigkeit. Die Funktionsweise eines thermischen Durchflussmessgeräts ist hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle nur eine grobe Darstellung erfolgt. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät, das dann nur ein Thermistor-Bauelement 3 aufweist.
Alternativ zu einer Kontaktierung mittels Leiterfilm 6 kann auch eine direkte Verdrahtung vorgesehen sein.
Über die Vertiefung 20 ist an der Stirnseite 12 die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht 2 in Form eines Keramiksubstrats geführt. In der Vertiefung 20, d.h. zwischen dem eines Keramiksubstrat 2 und der Gehäusewand 11 befindet sich das Lot 21, über das das eines Keramiksubstrat 2 und das Gehäuse miteinander verbunden sind, um die Temperatur des Mediums ohne starke Verluste über das Gehäuse 11 an das Thermistor-Bauelement 3 zu führen. Durch die Vertiefung 20 ergibt sich jetzt eine gleichmäßige und reproduzierbare Lotdicke, so dass die thermische Ankopplung des Thermistor-Bauelements 3 an das Gehäuse reproduzierbar ist und sich damit der Abgleichaufwand verringert. Für einfache Anwendungen, d.h. je nach Genauigkeitsanforderungen kann sogar auf einen Abgleichvorgang verzichtet werden.
Bei der Fertigung wird, nachdem das Keramiksubstrat 2 mit dem Thermistor-Bauelement 3 in das Gehäuse 11 der Sensorspitze 10 eingeführt ist, das Keramiksubstrat 2 mit der Gehäuseinnenwand 11a der Sensorspitze 10 verlötet, in dem auf der Außenseite der Gehäusestirnseite 12 punktuell Wärmeenergie zugeführt wird. Vorzugsweise erfolgt diese punktuelle Wärmezuführung durch einen Laserstrahl.
In 3 ist der untere Teil der Sensorspitze 10 nochmals vergrößert dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, wie sich das Keramiksubstrat 2 über die Vertiefung 20 erstreckt und rechts bzw. links neben der Vertiefung 20 auf der Gehäusestirnseite 12 aufliegt. Damit wirkt das Keramiksubstrat 2 wie ein Deckel und ermöglicht so die gleichmäßige Verteilung des Lots 21 innerhalb der Vertiefung 20, während es selbst für einen sehr guten Wärmeübergang vom Gehäuse 11 bzw. der Stirnfläche 12 zum Thermistor-Bauelement 3 sorgt.
Die Gehäuseinnenwand weist vorzugsweise eine Nickel-Kupfer-Beschichtung auf, um die Verbindung mit dem Lot 21 zu erleichtern und damit den Lötprozess ans sich zu verbessern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0590449 A2 [0002]
DE 102006048448 A1 [0005]

Claims

Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen Sensorspitze (10), die ein Gehäuse (11), ein sich innerhalb des Gehäuses (11) befindliches Sensorelement (3) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und zur Generierung eines Sensorsignals elektronische Bauelemente umfasst, die über elektrische Anschlussleitungen und/oder einen Leiterfilm (6) mit dem Sensorelement verbundenen sind, wobei das Sensorelement (3) mittels einer Lötung (21) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist und zwischen dem Sensorelement (3) und der Lötung (21) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramiksubstrat ausgeführt ist und dass das Gehäuse (11) eine stufenartige Vertiefung (20) aufweist, über die das Keramiksubstrat (2) geführt ist, wobei die Vertiefung (20) an der Innenseite des Gehäuses (11) angeordnet ist und zur Aufnahme des Lots (21) dient, über das das Sensorelement (3) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, und das Lot (21) sich im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in der Vertiefung (20) verteilt, so dass sich im Bereich der Vertiefung (20) zwischen dem Gehäuse (11) und dem Keramiksubstrat (2) und damit auch zwischen dem Gehäuse (11) und dem Sensorelement (3) ein definierter Abstand einstellt.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch eine Reduzierung der Wandstärke des Gehäuses (11) erreicht wird.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch einen Umformprozess, insbesondere durch Tiefziehen erreicht wird.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch einen auf der Innenseite des Gehäuses (11) aufliegenden ringförmigen Körper erreicht wird.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (20) im Bereich von 100–500 µm liegt, bevorzugt 100–300 µm, besonders bevorzugt bei 150 µm.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) des Gehäuses (11) an der Stirnseite (12) seines distalen Endes angeordnet ist.