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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor zum Bestimmen der Temperatur eines Mediums in einem Behältnis. Die Erfindung betrifft weiter einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Bestimmen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums in einem Behältnis sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Temperatursensors oder eines solchen induktiven Leitfähigkeitssensors.
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Im Allgemeinen werden in der Prozessautomatisierung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Medium häufig Leitfähigkeitssensoren verwendet, die nach einem induktiven oder einem konduktiven Messprinzip arbeiten.
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Ein konduktiver Leitfähigkeitssensor umfasst mindestens zwei Elektroden, die zur Messung in ein Medium eingetaucht werden. Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums wird der Widerstand oder Leitwert der Elektrodenmessstrecke im Medium bestimmt. Bei bekannter Zellkonstante lässt sich daraus die Leitfähigkeit des Mediums ermitteln. Zur Messung der Leitfähigkeit einer Messflüssigkeit mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ist es zwingend erforderlich, mindestens zwei Elektroden in Kontakt mit der Messflüssigkeit zu bringen.
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Beim induktiven Prinzip der Leitfähigkeitsbestimmung von Prozessmedien werden Sensoren eingesetzt, die eine Sendespule sowie eine davon beabstandet angeordnete Empfangsspule aufweisen. Mittels der Sendespule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf geladene Teilchen, z.B. Ionen, in dem flüssigen Medium einwirkt und einen entsprechenden Stromfluss im Medium hervorruft. Durch diesen Stromfluss entsteht an der Empfangsspule ein elektromagnetisches Feld, das in der Empfangsspule ein Empfangssignal (Induktionsspannung) nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert. Dieses Empfangssignal kann ausgewertet und zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen Mediums herangezogen werden.
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Typischerweise sind induktive Leitfähigkeitssensoren wie folgt aufgebaut: Die Sende- und Empfangsspule sind in der Regel als Ringspulen ausgestaltet und umfassen eine durchgehende, von dem Medium durchströmbare Öffnung. Die Spulen sind in einem Gehäuse angeordnet, das in das zu messende Medium getaucht wird. Beide Spulen sind somit von Medium umströmt. Bei Erregung der Sendespule bildet sich ein innerhalb des Mediums verlaufender geschlossener Strompfad, der sowohl Sende- als auch Empfangsspule durchsetzt. Durch Auswertung des Strom- oder Spannungssignals der Empfangsspule in Antwort auf das Signal der Sendespule kann dann die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit ermittelt werden. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert.
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Die Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit wird zur Steuerung verfahrenstechnischer Prozesse genutzt. In der Lebensmitteltechnologie beispielsweise werden Produktströme in Rohrleitungen von Reinigungslösungen oder Spülwasser durch die Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit unterschieden. Auch werden in Abhängigkeit von bestimmten Medien verfahrenstechnische Prozesse beeinflusst.
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Eine schnelle Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ist dafür unbedingt erforderlich. Das bedingt aber auch eine exakte und schnelle Temperaturmessung, um den Leitfähigkeitswert auf eine Bezugstemperatur rückrechnen zu können. Die Leitfähigkeit ist hochgradig temperaturabhängig. In Gasen, Lösungen und Elektrolyten beispielsweise ist der Widerstand stark temperaturabhängig, da dort die Beweglichkeit der Ionen und die Anzahl der Ladungsträger mit steigender Temperatur stark zunimmt. In der Regel steigt die Ladungsträgerbeweglichkeit mit der Temperatur und der Widerstand wird kleiner.
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In der Lebensmitteltechnologie und Biotechnologie bestehen weiterhin Forderungen die Sensoren thermisch sterilisieren zu können und die Sensoren so zu gestalten, dass diese gut reinigbar sind (Stichwort: „hygienisches Design“).
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Induktive Leitfähigkeitssensoren müssen prinzipbedingt wenigstens teilweise aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Üblicherweise wird dafür Kunststoff eingesetzt. Diese Kunststoffe benötigen für die Verwendung im Lebensmittel- oder Biotechnologiebereich eine spezielle Zulassung.
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Wie erwähnt ist die exakte und ausreichend schnelle Bestimmung der Temperatur essentiell für eine präzise Leitfähigkeitsmessung. Der Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur ist dafür entweder in einem Kunststoffgehäuse oder in einer in das Kunststoffgehäuse eingebrachten Metallbuchse untergebracht. Der Temperatursensor ist dabei als drahtbehafteter Temperaturfühler oder als Bauelement auf einer Platine ausgestaltet. Außer einer Wärmeleitpaste erfolgt keine besondere thermische Anbindung an die Umgebung.
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Ein Kunststoffgehäuse (häufig einteilig hergestellt) vermeidet Dichtübergänge zwischen unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und ermöglicht kontinuierliche, d.h. spaltfreie Oberflächen. Solche Gehäuse sind geeignet Forderungen zum hygienischen Design zu erfüllen. Die Dicke des Kunststoffs wirkt sich maßgeblich auf die Temperaturansprechzeit aus. Diese ist entsprechend relativ hoch (>15 s). Es werden aber teils große Wandstärken benötigt um etwa die Druckbeständigkeit des Gehäuses zu erhöhen oder Dampfdiffusion durch die Gehäusewand zu verzögern. Kunststoffe, welche für den Lebensmittel- oder Biotechnologiebereich zugelassen sind, haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.
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Eine zur Unterbringung des Sensor im Gehäuse eingebrachte Metallbuchse hingegen bindet den Temperatursensor thermisch zwar besser an den Prozess an, so dass sich eine relativ kurze Temperaturansprechzeit (<10 s) ergibt. Der Dichtübergang zwischen Metallgehäuse und Kunststoffgehäuse stellt aber eine potentielle Leckagestelle für den Sensor dar und erzeugt Spalte, die nicht den Forderungen eines hygienischen Designs entsprechen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor bereit zu stellen, der eine geringe Temperaturansprechzeit bei gleichzeitigem hygienischem Design aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Temperatursensor, umfassend: ein Temperaturelement, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert; ein Gehäuse mit einer Gehäusewandung, wobei das Temperaturelement in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen zum Eintauchen in das Medium bestimmten mediumsundurchlässigen Gehäuseabschnitt aufweist, wobei der zum Eintauchen in das Medium bestimmte Gehäuseabschnitt einen Bereich umfasst über den das Temperaturelement mittels Wärmeleitung mit dem Medium in thermischer Verbindung steht. Der Temperatursensor ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich über den das Temperaturelement mit dem Medium in thermischer Verbindung steht ein Einlegeteil angeordnet ist, und das Temperaturelement über das Einlegeteil mit dem Medium in Verbindung steht, wobei das Einlegeteil als Molded Interconnect Device ausgestaltet ist.
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Molded Interconnect Device“ (MID) ist ein englischer Begriff und steht für „spritzgegossener Schaltungsträger“, also spritzgegossene Kunststoffbauteile mit nach speziellen Verfahren aufgebrachten metallischen Leiterbahnen, die als Schaltungsträger für elektronische bzw. mechatronische Baugruppen dienen. Im Allgemeinen ergeben sich eine verbesserte Gestaltungsfreiheit und die Integration von elektrischen und mechanischen Funktionen in ein Spritzgussteil. Es können neue Funktionen realisiert und beliebige Formen gestaltet werden.
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Es kann gewährleistet werden, dass sowohl ein hygienische Design erreicht wird, als auch dass die Temperatur des Medium schnell an den Temperatursensor geleitet wird und so eine geringe Temperaturansprechzeit gewährleistet werden kann da das Spritzgussteil gut wärmeleitende Bereiche aus Metall umfasst.
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Bevorzugt ist das Einlegeteil als Molded Interconnect Device mittels Laser-Direkt-Strukturierung ausgestaltet. Dies ist ein Verfahren um eine entsprechende Geometrie des Einlegeteils herzustellen, die für einen Temperatursensor geeignet ist. Das Laser-Direkt-Strukturierung-Verfahren nutzt einen thermoplastischen Kunststoff, dotiert mit einer (nichtleitenden) laseraktivierbaren Metall-Verbindung als Kunststoff-Additiv. Das Basisbauteil wird im Einkomponenten-Spritzguss hergestellt, fast ohne Limits bezüglich der 3D-Gestaltungsfreiheit. Ein Laserstrahl schreibt die späteren Leiterbahnen auf den Kunststoff. Wo der Laserstrahl auf diesen Kunststoff trifft, wird oberflächlich die Kunststoffmatrix in flüchtige Spaltprodukte zersetzt, also geringfügig abgetragen. Gleichzeitig werden aus dem Additiv Metallkeime abgespalten, die feinst verteilt in der mikrorauen Oberfläche liegen. Diese Metallpartikel bilden die Keime für die nachfolgende Metallisierung. In einem stromlosen Metallbad, z.B. in einem Kupferbad, entstehen auf den belaserten Teilflächen die Leiterbahnschichten. Nacheinander lassen sich so Schichten aus Metall wie Kupfer, Nickel oder ein Goldfinish aufbringen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat das Einlegeteil in einer ersten und einer zweiten Raumrichtung eine größere Ausdehnung als in einer dritten Raumrichtung, und die mindestens eine Fläche, die durch diese erste und zweite Raumrichtung aufgespannt wird, ist metallisiert. Somit wird eine große Kontaktfläche für optimalen Wärmetransport erreicht.
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Um den Wärmetransport weiter zu verbessern, umfasst das Einlegeteil durchmetallisierte Löcher.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Gehäuse aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast. Der Kunststoff des Gehäuses ist bevorzugt für die Verwendung im Lebensmittel- oder Biotechnologiebereich zugelassen.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor, umfassend: eine Sendespule, die ein Eingangssignal in das Medium einstrahlt; und eine über das Medium mit der Sendespule gekoppelte Empfangsspule; die ein Ausgangssignal liefert. Der Leitfähigkeitssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen Temperatursensor wie oben beschrieben umfasst, wobei das Gehäuse des Temperatursensors die Sendespule und die Empfangsspule umgibt, und die Leitfähigkeit anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur bestimmbar ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors oder eines induktiven Leitfähigkeitssensors wie oben stehend beschrieben, umfassend die Schritte: Herstellen des Einlegteils als Molded Interconnect Device; Anbringen des Einlegeteils am Gehäuse; und Anbringen des Temperaturelements am Einlegeteil.
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Bevorzugt wird dabei das Einlegeteil mittels Laser-Direkt-Strukturierung hergestellt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 der erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensor, und
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2 das erfindungsgemäße Messsystem in einer Ausgestaltung.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der erfindungsgemäße induktive Leitfähigkeitssensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt. Der Leitfähigkeitssensor 1 ist zur Anwendung in der Prozessautomatisierung ausgestaltet.
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Der Leitfähigkeitssensor 1 ist an einem Behältnis 3, etwa über einen Flansch 4 (im Allgemeinen über einen Prozessanschluss), angeordnet, in dem sich das zu messende Medium 2 befindet. Bei dem Behältnis 3 handelt es sich etwa um ein Rohr, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall.
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Der Leitfähigkeitssensor 1 umfasst eine Sendespule 6 und eine Empfangsspule 7, die in einem Gehäuse 9 untergebracht sind. Das Gehäuse 9 umfasst eine Gehäusewandung 16. Das Gehäuse 9 ist aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, gefertigt. Dieser Kunststoff ist zur Verwendung im Lebensmittel und Biotechnologiebereich zugelassen. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Polyaryletherketon, etwa Polyetheretherketon (PEEK). Die Sendespule 6 und die Empfangsspule 7 sind beispielsweise einander gegenüberliegend auf voneinander abgewandten Seiten einer Leiterkarte (nicht abgebildet) angeordnet. Die als rotationssymmetrische Ringspulen („Toroide“) ausgestaltete Sende- und Empfangsspule 6 bzw. 7 sind auf diese Weise koaxial hintereinanderliegend angeordnet. Die Leiterkarte umfasst die Spulen kontaktierende Leiterbahnen, welche die Sendespule 6 mit einer Treiberschaltung und die Empfangsspule 7 mit einer Empfangsschaltung verbinden. Die Treiberschaltung und die Empfangsschaltung können Bestandteile einer auf der Leiterkarte angeordneten Sensorschaltung sein. Die Spulen 6, 7 sind mit einer Datenverarbeitungseinheit 5, in 1 mit einem Messumformer, verbunden.
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Das Gehäuse 9 bildet einen die Sendespule 6 und die Empfangsspule 7 entlang ihrer Rotationsachsen durchsetzenden Kanal 12. Wird das Gehäuse 9 in ein elektrisch leitfähiges Medium 2 eingetaucht, umgibt dieses das Gehäuse 9, bzw. einen zum Eintauchen in das Medium 2 bestimmten Gehäuseabschnitt 8, und dringt in den Kanal 12 ein, so dass sich im Medium ein beide Spulen 6, 7 durchsetzender, geschlossener Strompfad 13 ausbilden kann, wenn die Sendespule 6 mit einem Eingangssignal, also einer Wechselspannung erregt bzw. durchflossen wird.
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Der Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule 6, 7 wie erwähnt mindestens so weit in das Medium 6 eingeführt werden, dass sich ein durch das Medium 6 verlaufender, die Sende- und die Empfangsspule 6, 7 durchsetzender, geschlossener Strompfad 13 ausbilden kann. Wenn die Sendespule 6 mit einem Wechselspannungssignal als Eingangssignal angeregt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das einen die Spulen 6 bzw. 7 durchsetzenden Strompfad 13 induziert, dessen Stärke von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums 2 abhängt. Es ergibt sich also ein Strompfad mit einer Ionenleitung im Medium 2. Da dieser elektrische Wechselstrom im Medium wiederum ein ihn umgebendes veränderliches Magnetfeld hervorruft, wird ein Wechselstrom in der Empfangsspule 7 als Ausgangssignal induziert. Dieser von der Empfangsspule 7 als Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende Wechselspannung ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Mediums 2.
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Der Leitfähigkeitssensor 1 umfasst einen erfindungsgemäßen Temperatursensor 10 zum Messen der Temperatur des Mediums 2. Die Datenverarbeitungseinheit 5 ermittelt die Leitfähigkeit des Mediums 2 anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur des Mediums 2. Bei dem Temperatursensor 10 handelt es sich um ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert. Es handelt sich etwa um einen Heißleiter oder Kaltleiter als Bauteile, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Beispiele sind hier Platin-Messwiderstände oder Keramik-Kaltleiter. Alternativ kann ein Bauteil verwendet werden, das direkt ein verarbeitbares elektrisches Signal liefert wie ein Halbleiter-Temperatursensor, der etwa einen zur Temperatur proportionalen Strom oder Spannung liefert. Als weitere Alternativen können ein Thermoelement oder ein anderes gängiges Temperaturmesselement verwendet werden.
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Wie erwähnt steht der Temperatursensor 10 bzw. der Leitfähigkeitssensor 1 in einem Bereich 11 über den zum Eintauchen in das Medium bestimmten Gehäuseabschnitt 8 mit dem zu messenden Medium 2 in thermischer Verbindung.
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Die 2 zeigt den Temperatursensor 10 in einer detaillierten Ansicht im Querschnitt.
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Der Temperatursensor 10 umfasst ein Temperaturelement 14, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert. Es handelt sich hierbei etwa um einen Thermistor, beispielsweise ein Pt100 oder Pt1000. Über Leitungen 18 wird dieses Signal, also etwa Widerstandswerte oder eine Spannung, an den Messumformer 5 weitergeleitet. Der Temperatursensor 10 umfasst weiter das Gehäuse 9 mit einer Gehäusewandung 16, wobei das Temperaturelement 14 in dem Gehäuse 9 angeordnet ist.
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Im Gehäuse 9 angeordnet ist ein Einlegeteil 17, wobei das Einlegeteil 17 zumindest im Bereich 11 angeordnet ist. Das Temperaturelement 14 steht im Bereich 11 über das Einlegeteil 17 mittels Wärmeleitung mit dem Medium 2 in thermischer Verbindung.
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Das Einlegeteil 17 ist als Molded Interconnect Device ausgestaltet. „Molded Interconnect Device“ (MID) ist ein englischer Begriff und steht für „spritzgegossener Schaltungsträger“, also spritzgegossene Kunststoffbauteile mit nach speziellen Verfahren aufgebrachten metallischen Leiterbahnen, die als Schaltungsträger für elektronische bzw. mechatronische Baugruppen dienen.
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MIDs können auf verschiedenste Art gefertigt werden. Die wichtigsten Verfahren zur Aufbringung der Leiterbahnen sowie von sendenden bzw. schirmenden Flächen sind der Zweikomponentenspritzguss, das Heißprägen, das Maskenbelichtungsverfahren, die Laserstrukturierung und das Folienhinterspritzen. Grundsätzlich wird zwischen subtraktiv strukturierenden und additiv metallisierenden Verfahren unterschieden.
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Bevorzugt wird das MID als Laser-MID mittels Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) hergestellt. Das LDS-Verfahren nutzt einen thermoplastischen Kunststoff, dotiert mit einer (nichtleitenden) laseraktivierbaren Metall-Verbindung als Kunststoff-Additiv. Das Basisbauteil wird im Einkomponenten-Spritzguss hergestellt. Ein Laserstrahl schreibt die Leiterbahnen auf den Kunststoff. Wo der Laserstrahl auf diesen Kunststoff trifft, wird oberflächlich die Kunststoffmatrix in flüchtige Spaltprodukte zersetzt, also geringfügig abgetragen. Gleichzeitig werden aus dem Additiv Metallkeime abgespalten, die feinst verteilt in der mikrorauen Oberfläche liegen. Diese Metallpartikel bilden die Keime für die nachfolgende Metallisierung. In einem stromlosen Kupferbad entstehen auf den belaserten Teilflächen die Leiterbahnschichten. Nacheinander lassen sich so beispielsweise Schichten aus Kupfer, Nickel und ein Goldfinish aufbringen.
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Das Temperaturelement 14 des Temperatursensors 10 wird mittels eines Wärmeleitklebers 15 am Einlegeteil 17 befestigt. Das Einlegeteil 17 ist im Bereich 11 dünn umgeben von der Gehäusewandung 16, die wie bereits erwähnt zur Verwendung im Lebensmittel- und Biotechnologiebereich zugelassen ist. Somit können die Vorteile von guter Wärmeleitfähigkeit und erfolgter Zulassung kombiniert werden.
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Zumindest im Bereich des Temperaturelements 14, ist das Einlegeteil flächig ausgestaltet damit eine große Kontaktfläche für optimalen Wärmetransport entsteht. Diese Flächen 20 sind zudem metallisiert.
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Zur besseren Ableitung der Wärme bzw. der Temperatur des Mediums 2, umfasst das Einlegeteil 17 mehrere metallisiert Löcher 19.
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Die Wärmekopplung des Temperaturelements 14 wird durch den dünnwandigen Kunststoff sowie durch den metallischen Unterbau deutlich verbessert und der zugehörige Temperatursensor 10 hat zudem eine hygienische Oberfläche.
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Zur Herstellung des Temperatursensors 10 oder eines induktiven Leitfähigkeitssensors 1 wird in einem ersten Schritt deren Gehäuse 9 samt Gehäusewandung 16 hergestellt. In einem weiteren Schritt wird das Einlegeteil 17 als Molded Interconnect Device hergestellt. Bevorzugt wird dabei das Einlegeteil 17 mittels Laser-Direkt-Strukturierung hergestellt. Im nächsten Schritt wird das Einlegeteil 17 am Gehäuse angebraucht. In einem weiteren Schritt wird das Temperaturelement 14 am Einlegeteil 17 angebracht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitfähigkeitssensor
- 2
- Medium
- 3
- Behältnis
- 4
- Flansch
- 5
- Datenverarbeitungseinheit
- 6
- Sendespule
- 7
- Empfangsspule
- 8
- zum Eintauchen in 2 bestimmter Gehäuseabschnitt von 1
- 9
- Gehäuse
- 10
- Temperatursensor
- 11
- Bereich
- 12
- Kanal
- 13
- Strompfad
- 14
- Temperaturelement
- 15
- Wärmeleitpaste
- 16
- Gehäusewandung
- 17
- Einlegeteil
- 18
- Leitungen
- 19
- Löcher in 17
- 20
- Metallisierte Schicht von 17
