DE102017113768A1

DE102017113768A1 - Thermometer mit verbesserter Ansprechzeit

Info

Publication number: DE102017113768A1
Application number: DE102017113768.8A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Saecker
Original assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-12-27
Also published as: US20200132556A1; US11480476B2; WO2018233925A1; CN110832291A; EP3642581A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur (T) eines Mediums (5)
umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Anordnen eines Sensorelements (7) in einen Sensorkopf (3),
- Erzeugen eines Vakuums in einem Innenvolumen (V) des Sensorkopfes (3),
- Einbringen von zumindest einem Füllmaterial (6) zumindest in einen Teilbereich des Innenvolumens (V) des Sensorkopfes (3), und
- Verschließen des Sensorkopfes (3).
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine entsprechend hergestellte Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums, sowie auf eine entsprechende Vorrichtung.
Thermometer sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise bei Verwendung von Widerstandselementen oder Thermoelementen. Dagegen wird bei Strahlungsthermometern, insb. Pyrometern, zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils zugrundeliegenden Messprinzipien sind jeweils in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben worden.
Bei einem Temperatursensor in Form eines sogenannten Dünnschicht-Sensors, insbesondere eines Resistance Temperature Detectors (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Als Sensorelemente werden dabei sogenannte Widerstandselemente, welche beispielsweise durch Platinelemente gegeben sind, verwendet, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind.
Die Widerstandselemente werden häufig mittels eines Lötverfahrens innerhalb eines Sensorkopfes, beispielsweise eine Fühlerspitze, und insbesondere auf den Innenboden einer z. B. aus Edelstahl bestehenden Hülse, eingebracht. Entsprechende Thermometer werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung Quicksens hergestellt und vertrieben.
Als Lötverfahren wird in vielen Fällen eine sogenannte SMD-Lötung durchgeführt, bei welcher zunächst ein Lot auf ein erstes Bauteil aufgebracht wird und anschließend ein zweites Bauteil aufgesetzt und durch Erhitzung mit dem ersten Bauteil verlötet wird. Für das Beispiel eines Sensorkopfes eines Widerstandsthermometers wird üblicherweise zunächst eine definierte Menge Lot in festem Zustand („Lotplättchen“) in den Sensorkopf eingebracht und durch anschließendes Erhitzen mit dem Innenboden des Sensorkopfes verschmolzen. Das Sensorelement wird dann mit seiner metallisierten Seite in das Lot eingetaucht und auf diese Weise innerhalb des Sensorkopfes verlötet. Verfahren zum Herstellen einer derartigen Lotverbindung für ein Thermometer sind beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE102006048448A1 oder DE102015112199A1 bekannt geworden. Grundsätzlich hat bei einem entsprechenden Widerstandsthermometer die Lotverbindung einen großen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften des Thermometers, insbesondere auf die thermische Ankopplung zwischen Widerstandselement und Sensorkopf.
Alternativ zu Thermometern, bei welchen das Widerstandselement mit dem Sensorkopf verlötet ist, sind zahlreiche Thermometer bekannt geworden, bei denen die Temperatursensoren eingeschlossen und/oder gekapselt werden, insbesondere in Keramikpulvern, wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃), oder in einem, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss. Auch derartige Thermometer werden von der Anmelderin hergestellt und vertrieben, und tragen beispielsweise die Bezeichnung Strongsens. Das Kapseln oder Vergießen dient der Fixierung der Temperatursensoren. Außerdem sind beispielsweise die Anschlussleitungen des Temperatursensors auch bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von etwa bis zu 600°C, voneinander und vom Gehäuse des Sensorkopfes, insbesondere einer Fühlerspitze, isoliert. Ein Verfahren zur Herstellung eines derart ausgestalteten Thermometers ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE02329239A1 bekannt geworden. Um den Temperatursensor zu vergießen, werden vorgebbare Mengen einer ersten und einer zweiten Komponente einer Vergussmasse in eine Gießform, insbesondere eine Fühlerspitze, eingebracht. Anschließend wird die Fühlerspitze gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt.
Vorteilhaft weisen Widerstandsthermometer, bei welchen der Temperatursensor mit dem Sensorkopf verlötet ist, besonders gute Ansprechzeiten für eine Reaktion auf eine Änderung der Temperatur eines Mediums auf. Entsprechende Thermometer sind nachteilig allerdings nicht für den Einsatz zur Messung von hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturen T>200 °C, geeignet. Auch weisen sie im Vergleich zu Thermometern, bei welchen der Temperatursensor eingeschlossen und/oder gekapselt ist, eine deutlich verminderte mechanische Stabilität auf. Thermometer mit eingeschlossen und/oder gekapselten Temperatursensoren wiederum verfügen nachteilig im Vergleich zu Thermometern mit eingelöteten Temperatursensoren über schlechtere Ansprechzeiten.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ansprechzeiten von Thermometern mit eingeschlossenen und/oder gekapselten Temperatursensoren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums mit folgenden Verfahrensschritten:

- Anordnen eines Sensorelements in einen Sensorkopf,
- Erzeugen eines Vakuums in einem Innenvolumen des Sensorkopfes,
- Einbringen von zumindest einem Füllmaterial zumindest in einen Teilbereich des Innenvolumens des Sensorkopfes, und
- Verschließen des Sensorkopfes.

Zur Einbringung des Füllmaterials kann beispielsweise das in der Offenlegungsschrift DE02329239A1 beschriebene Verfahren eingesetzt werden. Aber auch andere dem Fachmann geläufige Verfahren zum Einbringen eines Füllmaterials in einen Sensorkopf sind möglich und fallen unter die vorliegende Erfindung.
Die Wärmeleitung innerhalb des Sensorkopfes, insbesondere die Wärmeleitung von der Bewandung des Sensorkopfes zum Temperatursensor, hängt entscheidend von der Dichte des Füllmaterials innerhalb des Sensorkopfes ab - es besteht also ein Zusammenhang zwischen der Wärmeleitfähigkeit Füllmaterials und dessen Anordnung innerhalb des Sensorkopfes, insbesondere in Bezug auf die erzielbare Dichte. Indem zumindest das Innenvolumens des Sensorkopfes vor dem Einbringen des Füllmaterials vakuumisiert wird, kann eine erhöhte Dichte der Füllung erzielt werden, was wiederum vorteilhaft zu einer deutlich verbesserten Ansprechzeit des Thermometers auf eine Temperaturänderung des jeweiligen Mediums führt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem Sensorelement um einen Temperatursensor umfassend zumindest ein temperaturempfindliches Element und zumindest einen Anschlussdraht zur, insbesondere elektrischen, Kontaktierung des Elements. Beispielsweise kann es sich bei dem temperaturempfindlichen Element um ein Widerstandselement, insbesondere ein Platin-Element handeln.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass ein Vakuum mit einem Druck von kleiner 10-1 mbar, bevorzugt kleiner 10^-2mbar, und besonders bevorzugt kleiner 10^-3mbar erzeugt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial um ein pulverförmiges Material handelt. Ein pulverförmiges Material lässt sich besonders einfach in einen Sensorkopf, welche in der Regel in Form einer zylinderförmigen Hülse ausgestaltet ist, einfüllen. Durch die Verwendung eines Pulvers kann insbesondere gewährleistet werden, dass im Wesentlich sämtliche Zwischenräume zwischen den inneren Wandungen des Sensorkopfes und dem zumindest teilweise innerhalb des Sensorkopfes angeordneten Sensorelements mit Füllmaterial gefüllt werden. Das pulverförmige Füllmaterial wird häufig nach dem Füllen des Sensorkopfes innerhalb desselben weiter verdichtet. Hierfür sind verschiedene dem Fachmann geläufige Verfahren möglich, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial um ein Aluminiumoxid, ein Magnesiumoxid, einen, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss, Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, oder um ein Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber. Allen diesen Materialien ist gemeinsam, dass die Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Materials unter anderem von dessen Dichte bzw. dessen Feststoffgehalt abhängt.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest ein erstes und ein zweites Füllmaterial in den Sensorkopf eingebracht werden.
Hierbei kann es sich beispielsweise um ein zweikomponentiges Vergussmaterial handeln. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn das erste und zweite Füllmaterial in Form eines Gemisches in den Sensorkopf eingebacht werden. Ebenso denkbar ist jedoch, dass das erste und zweite Füllmaterial jedoch auch nacheinander in den Sensorkopf eingebracht werden. Hierbei kann insbesondere auch ein erster Teilbereich des Innenvolumens mit dem ersten Füllmaterial und ein zweiter Teilbereich des Innenvolumens mit dem zweiten Füllmaterial gefüllt werden.
Bezüglich der letztgenannten Ausgestaltungen sei insbesondere auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102016125403.7 und die darin beschriebenen Ausgestaltungen verwiesen. Die genannte Anmeldung bezieht sich auf ein Thermometer, bei welchem ein Sensorkopf mit zumindest zwei verschiedenen Materialien gefüllt ist, wobei das erste Material der Fixierung zumindest einer Komponente des Sensorelements und das zweite Material der Wärmeleitung innerhalb des Sensorkopfes dient. Auf diese Anmeldung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich Bezug genommen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Sensorkopf gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt wird. Dies kann bereits während des Einfüllens des zumindest einen Füllmaterials also auch im Anschluss an das Einfüllen passieren. Diese Ausgestaltung gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Füllung des jeweils zu füllenden Innenvolumens des Sensorkopfes. Darüber hinaus kann im Falle mehrerer Füllmaterialien beispielsweise eine homogene Durchmischung der verschiedenen Füllmaterialien erreicht werden, falls diese in Form eines Gemisches in den Sensorkopf eingebracht werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Einbringen des Füllmaterials ein Gas in den Sensorkopf eingefüllt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gas um ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit >0,05 W/(mK), beispielsweise Helium. In Bezug auf diese Ausgestaltung ist es außerdem von Vorteil, wenn das Gas mit einem Druck von mindestens 5bar, vorzugsweise mit einem Druck von mindestens 10bar in den Sensorkopf eingefüllt wird. Durch die zusätzliche Füllung mit einem entsprechenden Gas kann die Ansprechzeit des Thermometers noch weiter verbessert werden.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend ein in einem Sensorkopf angeordnetes Sensorelement, welche Vorrichtung gemäß einem der beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst der Sensorkopf ein, insbesondere zylindrisches, Mantelelement, und ein, insbesondere kreisförmiges, Bodenelement.
Die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sind mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbar und umgekehrt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren genauer erläutert. Es zeigt

1 eine schematische Zeichnung eines Thermometers mit gekapseltem Sensorelement nach Stand der Technik,
2 eine schematische Zeichnung zum Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 ein Diagramm der Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien als Funktion ihrer Dichte, und
4 ein Diagramm zur Illustrierung des zusätzlichen Effekts durch Füllen des Sensorkopfes mit einem Gas.

Im Folgenden werden gleiche Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine schematische Abbildung eines Thermometers 1 mit einem Schutzrohr 2 und einer Elektronikeinheit 4 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der dem jeweiligen Medium 5 zugewandte Teilbereich des Schutzrohres 2 wird auch als Sensorkopf 3 bezeichnet. Ein Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 ist mit einem Füllmaterial 6 gefüllt. Ferner ist im Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 ein Temperatursensor 7 angeordnet, welcher in der gezeigten Ausführung ein temperaturempfindliches Element 8, hier in Form eines Widerstandselements, und zwei Anschlussdrähte 9a, 9b zur elektrischen Kontaktierung mit der Elektronikeinheit 5, umfasst. Das temperaturempfindliche Element 8 sowie ein Teilabschnitt der Anschlussdrähte 9a,9b des Temperatursensors 7 sind durch den Füllmaterial 6 innerhalb des Innenvolumens V des Sensorkopfes 3 eingeschlossen und/oder gekapselt. Dies führt zu einer besonders hohen mechanischen Stabilität und Vibrationsfestigkeit des Thermometers 1. Allerdings zeichnen sich die allgemein bekannten, zur Gewährleistung einer hohen mechanischen Stabilität und Vibrationsfestigkeit geeigneten Materialien nachteilig durch vergleichsweise geringe thermische Wärmeleitfähigkeiten λ aus. Somit weisen Thermometer 1, bei welchen zumindest eine Komponente des Temperatursensors 7, in diesem Fall das Sensorelement 7 und ein Teilabschnitt der Anschlussdrähte 9a,9b in einen Füllstoff 6 eingeschlossen oder innerhalb des Füllmaterials 6 gekapselt ist, durch vergleichsweise schlechtere Ansprechzeiten auf.
Bei dem Füllmaterial 6 handelt es sich beispielsweise um ein Aluminiumoxid, ein Magnesiumoxid, einen, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss, Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, oder um ein Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber.
Im Falle, dass das Füllmaterial 6 elektrisch leitfähig ist, sind verschiedene Maßnahmen denkbar, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen zumindest einer Komponente 8,9 des Temperatursensors 7 und dem Sensorkopf 3, welcher üblicherweise aus einem Metall gefertigt ist, zu gewährleisten. Die Anschlussdrähte 8,9 können über einen großen Abschnitt hinweg durch eine elektrische Isolierung (nicht gezeigt) umgeben sein. Im Bereich der Kontaktierung zwischen den Anschlussdrähten 9a, 9b kann ein elektrisch isolierendes Formteil (ebenfalls nicht gezeigt) zum Einsatz kommen. Bezüglich dieser Thematik sind dem Fachmann ferner viele weitere Möglichkeiten bekannt, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.
Nun ist es jedoch so, dass bei einem Thermometer grundsätzlich neben einer durch das Vergießen bzw. Kapseln des Sensorelements erzielbaren hohen mechanischen Stabilität auch eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit λ in Bezug auf das Füllmaterial 6 wünschenswert ist. Die beiden Bestrebungen sind jedoch in der Regel nicht ohne weiteres vereinbar. Dieser Problematik begegnet die vorliegende Erfindung dadurch, dass ein Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 vakuumisiert wird, bevor das Füllmaterial 6 eingebracht wird.
Durch die Erzeugung eines Vakuums kann eine erhöhte Dichte des Füllmaterials 6 erzielt werden, was zu deutlich verbesserten Ansprechzeiten des jeweiligen Thermometers führt.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf ein Füllmaterial 6 in Form eines Pulvers. Zur Kapselung von Sensorelementen 3 bei Thermometern 1 werden derartige pulverförmige Materialien besonders häufig eingesetzt. Ein Pulver ist insbesondere vorteilhaft, weil es besonders einfach in den Sensorkopf 3 einbringbar ist. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines Pulvers gewährleistet werden, dass das Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 gleichmäßig mit dem Füllmaterial 6 gefüllt wird. Analoge Überlegungen lassen sich auch für andere Aggregatzustände eines Füllmaterials, sowie für Granulate oder ähnliches anstellen.
2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Widerstandsthermometers 1. Nach der Anordnung des Sensorelements 3, welches für den vorliegenden Fall durch ein Widerstandselement gemäß 1 gegeben ist, wird in einem ersten Schritt ein Vakuum innerhalb eines Innenvolumens V des Sensorkopfes 3 erzeugt. Hierzu kann eine Vorrichtung 10 in Form eines T-förmigen Rohrstücks verwendet werden, in welches in einem ersten Endbereich 10a über ein Ventil 11 eine Vakuumpumpe 12 und in einem zweiten Endbereich 10b der Sensorkopf 3 eingebracht werden kann. Der Sensorkopf 3 umfasst ein zylinderförmiges Mantelelement, welches im dem T-förmigen Rohrstück 10 zugewandten Bereich nicht verschlossen ist sondern über die Öffnung O vakuumisierbar ist. Der Sensorkopf 3 kann dabei mittels einer geeigneten Dichtung 12, beispielsweise in Form eines O-Ringes, innerhalb des T-förmigen Rohrstücks 10 befestigt werden. Eine Öffnung des T-förmigen Rohrstücks 10 in einem dritten Endbereich weist schließlich ein Gewinde 13a auf, an welches eine Kappe 14 mit einem entsprechenden komplementären Gewinde 13b angeschraubt werden kann, innerhalb welchem sich das zumindest eine Füllmaterial 6 befindet.
Es sei darauf verwiesen, dass die Vorrichtung 10 keineswegs notwendig zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Vielmehr sind zahlreiche andere Varianten denkbar, mittels welcher der Sensorkopf 3 ebenfalls vakuumisiert werden kann und welche dem Fachmann wohlbekannt sind. Außerdem versteht es sich von selbst, dass die Vorrichtung 10 beliebig verändert werden kann, wenn beispielsweise das Füllmaterial 6 aus mehreren Komponenten besteht. Diese können beispielsweise in getrennten Kappen 14 eingebracht sein o.ä.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Thermometers 1 wird das Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 über das Rohrstück 10 in einem ersten Schritt vakuumisiert. Vorzugsweise wird hierbei ein Vakuum mit einem Druck von kleiner 10^-1 mbar erzeugt. Anschließend kann die Kappe 14 optional für ein vorgebbares Zeitintervall geheizt werden, um etwaige Verunreinigungen innerhalb des Pulvers 6 zu entfernen. Die Verunreinigungen betreffen beispielsweise verschiedene, adsorptiv an das Pulver 6 gebundene Gasmoleküle. Die Temperatur, bis zu welcher die Kappe 14 mit dem Pulver 6 geheizt wird, sollte dabei vorzugsweise geringer sein als eine Schmelz- oder Sintertemperatur des Pulvers 6, insbesondere kleiner als eine Verdampfungstemperatur des Pulvers 6.
In einem zweiten Schritt kann die Vorrichtung 10 beispielsweise entsprechend der durch die Pfeile 15a, 15b indizierten Drehrichtung rotiert werden, damit das Pulver 6 von der Kappe 14 in den Sensorkopf 3 eingefüllt werden kann. Während dieses Verfahrensschrittes oder im Anschluss daran kann der Sensorkopf 3 mit der Vorrichtung 10 optional zusätzlich gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt werden.
In einem letzten Verfahrensschritt (nicht gezeigt) wird der Sensorkopf 3 verschlossen. Dies kann beispielsweise durch ein Verschweißen einer Öffnung O mittels einer Bodenplatte (nicht gezeigt) erfolgen, nachdem der Sensorkopf 3 aus der Vorrichtung 10 entfernt wurde.
In 3 ist ein schematisches Diagramm der Wärmeleitfähigkeit λ eines pulverförmigen Füllmaterial 6 in Form eines Aluminiumoxides (Al₂O₃) als Funktion des Feststoffanteils der Schüttung in Volumenprozent gezeigt. Die Wärmeleitfähigkeit λ eines Pulvers kann anhand den Wärmeleitfähigkeiten seiner Bestandteile ermittelt werden. Hierbei ist das Pulver selbst (λ_p) sowie das das Pulver umgebende Medium (λ_m), im Allgemeinen Luft, sowie der Volumenanteil (v) des umgebenden Mediums (m) zu berücksichtigen. Es gilt: $λ = {(λ_{m})}^{v} {(λ_{p})}^{(v - 1)}$
Wie aus dem Diagramm in 3 ersichtlich, sorgt ein erhöhter Feststoffanteil in Volumenprozent, entsprechend einer erhöhten Dichte des Füllmaterials 6, zu einer deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit λ.
Gemäß Stand der Technik wird ein zu verkapselndes Sensorkopf 3 durch die Öffnung O mit dem jeweiligen Füllmaterial 6, in der Regel in Form eines Pulvers, gefüllt. Die Luft, welche sich im Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 befindet, wird dabei aus dem Sensorkopf 3 herausgedrängt und strömt gegen das herabrieselnde Pulver 6 aus demselben heraus. Desto mehr Pulver 6 bereits in den Sensorkopf 3 enthalten ist, desto höher ist die Verdichtung der einzelnen Schichten des Pulvers 6 und desto schwieriger ist die Verdrängung verbleibender Lufteinschlüsse aus dem Innenvolumen V des Sensorkopfes 3. Es ist also nicht möglich, einen bestimmten, von dem gewählten pulverförmigen Füllmaterial 6 abhängigen Feststoffanteil innerhalb des Sensorkopfes 3 zu überschreiten. Dies stellt einen grundsätzlichen Begrenzungsfaktor für die maximal mögliche Wärmeleitung innerhalb des Sensorkopfes 3 dar.
Ein sehr häufig verwendetes Füllmaterial ist gegeben durch Aluminiumoxid-Pulver. Die Dichte typischer im Bereich des Thermometerbaus verwendeter Aluminiumoxid-Pulver liegt im Bereich von 0,9-1,12 kg/dm³, was einem Feststoffanteil x von etwa 28 Vol.-% entspricht. Damit beträgt die Wärmeleitfähigkeit λ eines Aluminiumoxid-Pulvers etwa 0,15-0,18W/(mK) und ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium in Form eines Festkörpers etwa um den Faktor 150 geringer.
Wird das Füllmaterial nun unter Vakuum in den Sensorkopf eingefüllt, so kann eine zusätzliche Verdichtung erzielt werden. Dies führt zu einer signifikanten Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit λ des Füllmaterials 6 und damit einhergehend zu einer deutlich verbesserten Ansprechzeit eines entsprechenden Thermometers 1. Im Falle von Aluminium-Oxid-Pulver kann beispielsweise eine Vergrößerung des Feststoffanteils x von etwa 28% auf etwa 35% erzielt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass das Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 nach dem Einbringen des Füllmaterials 6 zusätzlich mit einem Gas gefüllt wird, beispielsweise mittels des Ventils 11 aus 2. Nach dem Füllen des Sensorkopfes 3 unter Vakuum wird der Sensorkopf 3 beispielsweise über das Ventil 11 belüftet. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann ein Gas, vorzugsweise mit einem Druck von etwa 5bar, besonders bevorzugt mit einem Druck von mindestens 10bar, in den Sensorkopf 3 eingefüllt. Bei dem Gas handelt es sich um ein Gas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit λ, insbesondere mit einer Wärmeleitfähigkeit λ, welche größer ist als die von Luft. Besonders bevorzugt und auch für das in 4 gezeigte Beispiel wird als Gas Helium verwendet. Zur Füllung des Sensorkopfes 3 mit dem Gas sind verschiedenste dem Fachmann bekannte Verfahren denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Vorzugsweise wird der Sensorkopf 3 vor dem Einfüllen des Gases bis auf eine verbleibende Öffnung vorgebbarer Querschnittsfläche, insbesondere eine Kapillaröffnung, verschlossen. Die verbleibende Öffnung wird also bevorzugt möglichst klein gewählt, um ein Austreten des Gases beim Verschließen des Sensorkopfes 3 nach dem Einfüllen des Gases zu minimieren. Nach dem Einfüllen des Gases in den Sensorkopf 3 wird dieser vollständig verschlossen, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens.
Der Effekt einer zusätzlichen Füllung des Sensorkopfes 3 mit einem Gas ist für das Beispiel von Helium schematisch in 4 illustriert. Das Diagramm zeigt für pulverförmiges Aluminiumoxidpulver jeweils die Wärmeleitfähigkeit λ als Funktion des Feststoffanteils x des Pulvers 6 bei einer herkömmlichen Füllung an Luft [durchgezogene Linie] und im Falle einer zusätzlichen Füllung mit Helium [gestrichelte Linie]. Durch die Einfüllung von Helium unter Überdruck können im Sensorkopf 3 verbleibende Lufteinschlüsse weiter verdrängt werden, was zu einer weiteren Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit λ und damit einhergehend zu einer weiteren Verbesserung der Ansprechzeit eines entsprechenden Thermometers 1 führt. Es versteht sich von selbst, dass eine zusätzliche Verbesserung ebenso auftritt, wenn das pulverförmige Füllmaterial 6 zuvor unter Vakuumbedingungen in den Sensorkopf 3 eingefüllt wurde.
Bezugszeichenliste

1: Thermometer
2: Schutzrohr
3: Sensorkopf
4: Elektronikeinheit
5: Medium
6: Füllmaterial
7: Temperatursensor
8: Sensorelement
9a,9b: Anschlussdrähte
10: T-förmige Vorrichtung
10a,10b,10c: Endbereiche der T-förmigen Vorrichtung
11: Ventil
12: Vakuumpumpe
13a,13b: Gewinde
14: Kappe
15a,15b: Drehrichtung
λ: Wärmeleitfähigkeit
V: Innenvolumen des Sensorkopfes
O: Öffnung des Sensorkopfes

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

DE 102006048448 A1 [0005]
DE 102015112199 A1 [0005]
DE 02329239 A1 [0006, 0011]
DE 102016125403 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur (T) eines Mediums (5) umfassend folgende Verfahrensschritte: - Anordnen eines Sensorelements (7) in einen Sensorkopf (3), - Erzeugen eines Vakuums in einem Innenvolumen (V) des Sensorkopfes (3), - Einbringen von zumindest einem Füllmaterial (6) zumindest in einen Teilbereich des Innenvolumens (V) des Sensorkopfes (3), und - Verschließen des Sensorkopfes (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sensorelement (7) um einen Temperatursensor (7) umfassend zumindest ein temperaturempfindliches Element (8) und zumindest einen Anschlussdraht (9a,9b) zur, insbesondere elektrischen, Kontaktierung des Elements (8), handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Vakuum mit einem Druck von kleiner 10-1 mbar, bevorzugt kleiner 10^-2mbar, und besonders bevorzugt kleiner 10^-3mbar erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial (6) um ein pulverförmiges Material handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial (6) um ein Aluminiumoxid, ein Magnesiumoxid, einen, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss, Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, oder um ein Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber, handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein erstes und ein zweites Füllmaterial in den Sensorkopf (3) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste (6) und zweite Füllmaterial in Form eines Gemisches in den Sensorkopf (3) eingebacht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste (6) und zweite Füllmaterial nacheinander in den Sensorkopf (3) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein erster Teilbereich des Innenvolumens (V) mit dem ersten Füllmaterial (3) gefüllt wird und ein zweiter Teilbereich des Innenvolumens (V) mit dem zweiten Füllmaterial.
Verfahren nach zum indest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorkopf (3)gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Einbringen des Füllmaterials (6) ein Gas in den Sensorkopf (3) eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem Gas um ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit >0,05 W/(mK) handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Gas mit einem Druck von mindestens 5bar, vorzugsweise mit einem Druck von mindestens 10bar in den Sensorkopf (3) eingefüllt wird.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend ein in einem Sensorkopf (3) angeordnetes Sensorelement (7), welche Vorrichtung (1) gemäß einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.
Vorrichtung Anspruch 11, wobei der Sensorkopf (3) ein, insbesondere zylindrisches, Mantelelement, und ein, insbesondere kreisförmiges, Bodenelement umfasst.