DE102018115327B4

DE102018115327B4 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE102018115327B4
Application number: DE102018115327.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brethauer
Original assignee: Jumo & Co KG GmbH
Current assignee: Jumo & Co KG GmbH
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: DE102018115327A1

Abstract

Temperatursensor, umfassend:(a) eine axial langgestreckte Platine (1) mit mehreren voneinander wegweisenden Seitenflächen (5),(b) ein Temperaturmesselement (10), das an einer axial vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) angeordnet ist,(c) ein erstes Anschluss-Kontaktfeld (15) und ein zweites Anschluss-Kontaktfeld (16), die für einen elektrischen Anschluss des Temperatursensors an ein Messsystem vorgesehen und axial vom Temperaturmesselement (10) entfernt an oder in der Platine (1) angeordnet sind, und(d) eine erste Leiterbahn (11), die das Temperaturmesselement (10) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss-Kontaktfeld (15) verbindet, und eine zweite Leiterbahn (12), die das Temperaturmesselement (10) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss-Kontaktfeld (16) verbindet,(e) wobei die Platine (1) mit den Anschluss-Kontaktfeldern (15, 16) und den Leiterbahnen (11, 12) ein MID-Bauteil ist, dadurch gekennzeichnet, dass(f) der Temperatursensor mehrere weitere Anschluss-Kontaktfelder und mehrere weitere Leiterbahnen (13, 14) für die Verbindung des jeweiligen weiteren Anschluss-Kontaktfelds mit dem Temperaturmesselement (10) umfasst und der Temperatursensor in 4-Leitertechnik ausgeführt ist und(g) sich die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) jeweils an einer der Seitenflächen (5) der Platine, jede der Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) an einer anderen der Seitenflächen (5), erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor für die Messung der Temperatur eines Messfluids. Der Temperatursensor kann beispielsweise zur Bestimmung des Wärmeverbrauchs oder der Messung der Temperatur im Rahmen einer Temperaturregelung oder nur für eine Anzeige der Temperatur dienen. In derartigen Verwendungen kann der Temperatursensor Bestandteil eines Wärmemengenzählers oder beispielsweise eines Thermostats oder Thermometers sein. Das Messfluid kann, wie in den genannten Beispielen, als Wärmeträgerfluid dienen. Es kann sich stattdessen aber auch um ein Prozessfluid eines verfahrenstechnischen Prozesses handeln.
Die genaue Bestimmung der Temperatur ist in vielen Anwendungen wesentlich. Als Beispiel ist insbesondere die Wärmeverbrauchsmessung zu nennen, in der Messfehler direkten Einfluss auf die Kostenabrechnung nehmen. Einbaustellen für Temperatursensoren sind jedoch in vielen Fällen nicht ideal ausgeführt, da typischerweise nur sehr wenig Raum für den Einbau zur Verfügung steht. So tauchen Temperatursensoren häufig tangential oder mit geringer Eintauchtiefe in das Messfluid ein, dessen Temperatur bestimmt werden soll. Hierdurch kommt es zu erhöhten thermischen Messabweichungen. Grund ist die erhöhte Wärmeableitung zur Umgebung, deren Temperatur von der Temperatur des Messfluids typischerweise abweicht. Eine Verringerung des Wärmeableitfehlers kann durch thermische Entkopplung zur anders temperierten Umgebung und/oder verbesserte thermische Ankopplung an das Messfluid erreicht werden.
Die DE 10 2012 204 817 A1 verfolgt diesen Ansatz und offenbart einen Temperatursensor, bei dem eine Platine und ein auf der Platine angeordnetes Temperaturmesselement in einem thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Kunststoff eingeschlossen sind, während eine über Leiterbahnen mit dem Messelement verbundene Anschlusseinrichtung für den Anschluss an ein Messsystem mit einem anderen, thermisch und elektrisch nicht leitenden Kunststoff eingeschlossen ist.
Die US 2009/0168838 A1 betrifft elektronische Thermometer für medizinische Geräte und offenbart in diesem Zusammenhang einen gattungsgemäßen Temperatursensor.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Temperatursensor bereitzustellen, der in Bezug auf den Wärmeableitfehler verbessert ist und sich für eine Anordnung mit geringer Eintauchtiefe eignet.
Gegenstand der Erfindung ist ein Temperatursensor, der eine axial erstreckte Platine, vorzugsweise eine axial langgestreckte Platine, ein Temperaturmesselement im Bereich eines axial vorderen Endes der Platine, ein erstes Anschluss-Kontaktfeld, ein zweites Anschluss-Kontaktfeld, eine erste Leiterbahn und eine zweite Leiterbahn umfasst. Die Anschluss-Kontaktfelder sind axial vom Temperaturmesselement entfernt an der Platine angeordnet und dienen dem elektrischen Anschluss des Temperatursensors an ein Messsystem. Die erste Leiterbahn verbindet das Temperaturmesselement elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss-Kontaktfeld, und die zweite Leiterbahn verbindet das Temperaturmesselement elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss-Kontaktfeld. Zur thermischen Entkopplung des Temperaturmesselements von der Umgebung ist es vorteilhaft, wenn die Leiterbahnen schmal sind und/oder mäanderförmig verlaufen. Die Anschluss-Kontaktfelder können insbesondere jeweils als Lötpad ausgeführt sein.
Das Temperaturmesselement ist an einer vorderen Stirnfläche der Platine angeordnet. Im Vergleich zu der herkömmlichen Anordnung an einer Umfangsfläche der Platine kann der axiale Abstand, den das Temperaturmesselement von einem axial hinteren Ende der Platine und den Anschluss-Kontaktfeldern aufweist, bei sonst gleichen geometrischen Verhältnissen, insbesondere gleicher Platinenlänge, vergrößert werden. Bei gleicher Eintauchtiefe der Platine ist die Eintauchtiefe des Temperaturmesselements im Vergleich zur Anordnung an einer Umfangsfläche der Platine vergrößert. Mit der vergrößerten Eintauchtiefe geht eine Verringerung des Wärmeableitfehlers einher.
Der Temperatursensor ist für den Einbau mit einer Eintauchtiefe von 10 mm und weniger, sogar 5 mm und durchaus weniger, geeignet. Er hat in Computer-Simulationen bei Eintauchtiefen von 5 mm einen signifikant geringeren Wärmeableitfehler als Temperatursensoren mit gleichem, aber herkömmlich auf einer flachen Platine angeordnetem Temperaturmesselement gezeigt. Simuliert wurde der Einbau in einer Rohrleitung, wobei die Platine orthogonal von der Innenwandfläche des Rohrs in die Strömung ragte und die Frontfläche des Temperaturmesselements, die gleichzeitig die vorderste Fläche des Temperatursensors bildete, von der Innenwandfläche des Rohrs einen Abstand von 5 mm aufwies.
Das Temperaturmesselement kann in ersten Ausführungen auf die vordere Stirnfläche der Platine aufgesetzt sein und im Ganzen axial über die Platine vorragen. In zweiten Ausführungen kann die Platine an der vorderen Stirnfläche eine Vertiefung, beispielsweise eine Tasche, aufweisen. Das Temperaturmesselement kann zur Verbesserung des Halts an der Platine und/oder zum Schutz vor Abrieb durch Partikel, die das Messfluid möglicherweise mit sich führt, in der Vertiefung angeordnet sein. Das Temperaturmesselement ist vorteilhafterweise in der Vertiefung mit den Leiterbahnen elektrisch leitend kontaktiert, um diese Kontaktierungen vor etwaigem Abrieb zu schützen. In den zweiten Ausführungen kann das Temperaturmesselement axial über die Platine vorragen oder zur Verbesserung des Schutzes mit einer vordersten Stirnfläche der Platine bündig abschließen. Grundsätzlich kann das in der Vertiefung angeordnete Temperaturmesselement geringfügig hinter der vorderen Stirnfläche der Platine zurückstehen, bevorzugter ist jedoch die temperatursensible Komponente des Messelements, bei der es sich insbesondere um eine elektrische Widerstandsbahn handeln kann, mit der vordersten Stirnfläche der Platine bündig oder liegt axial vor der Platine, so dass die temperatursensible Komponente das vordere Ende des Temperatursensors bildet oder zumindest mitbildet.
Das Temperaturmesselement kann beispielsweise ein Platinwiderstandselement in SMD-Bauweise sein.
Das Temperaturmesselement kann eine unmittelbar an der vorderen Stirnfläche der Platine erzeugte Widerstandsbahn aus einem elektrisch leitenden Material sein. Bevorzugter umfasst es eine Trägerstruktur mit einer vorderen Stirnfläche, an der sich eine Widerstandsbahn aus einem elektrisch leitenden Material erstreckt. Es kann sich beispielsweise um eine Widerstandsbahn aus Nickel (Ni) oder Molybdän (Mo) oder wie bevorzugt um eine Widerstandsbahn aus Platin (Pt) handeln.
Die Platine ist axial langgestreckt. Sie kann insbesondere stabförmig sein. Die Platine ist zweckmäßigerweise zylindrisch mit einem runden, beispielsweise kreisrunden oder ovalen Querschnitt, oder vorzugsweise polygonalen Querschnitt. In bevorzugten Ausführungen ist die Platine quaderförmig. Eine quaderförmige oder anders polygonale Platine ist vorzugsweise gleichseitig, ihre Längsseitenflächen sind also zumindest im Wesentlichen gleich.
Zur Verringerung der durch den Leitungswiderstand verursachten Messabweichung ist der Temperatursensor in 4-Leitertechnik ausgeführt. Der Temperatursensor umfasst daher ein drittes Anschluss-Kontaktfeld und eine weitere, dritte Leiterbahn, die das Temperaturmesselement elektrisch leitend mit dem dritten Anschluss-Kontaktfeld verbindet, sowie darüber hinaus noch ein weiteres, viertes Anschluss-Kontaktfeld und noch eine weitere, vierte Leiterbahn, die das Temperaturmesselement elektrisch leitend mit dem vierten Anschluss-Kontaktfeld verbindet. Das dritte Anschluss-Kontaktfeld und das vierte Anschluss-Kontaktfeld sind zweckmäßigerweise axial auf der gleichen Höhe wie das erste und das zweite Anschluss-Kontaktfeld angeordnet.
Die Quaderform der Platine ermöglicht die Verwendung einer stabförmig schlanken Platine, da für die erste, zweite, dritte und vierte Leiterbahn und das jeweils zugeordnete Anschluss-Kontaktfeld jeweils eine der Längsseitenflächen der Platine zur Verfügung steht. Eine Platine, die vom vorderen Ende bis axial über die Anschluss-Kontaktfelder und vorzugsweise bis zum hinteren Platinenende, stabförmig als gleichseitiger Quader ausgeführt ist, stellt zwar ein Optimum dar, andere Formen von Platinen sollen jedoch nicht ausgeschlossen sein.
Die Platine mit den Leiterbahnen und den Anschluss-Kontaktfeldern sowie optional auch Sensor-Kontaktfeldern ist ein MID-Bauteil. In MID-Technologie können dreidimensionale spritzgegossene Schaltungsträger aus Kunststoff hergestellt und aufgrund der Dreidimensionalität miniaturisiert werden. Die Erfindung macht sich diese Technologie in Ausführungen zunutze, in denen die Leiterbahnen und Anschluss-Kontaktfelder an unterschiedlichen Seitenflächen der Platine angeordnet sind. In weiter bevorzugten Ausführungen werden die Leiterbahnen und die Anschluss-Kontaktfelder, vorzugsweise auch optionale Sensor-Kontaktfelder, mittels Laserstrukturierung der Platine erzeugt. Die Platine besteht hierfür zumindest in einer oberflächennahen Schicht, vorzugsweise gänzlich, aus einem mittels Laser aktivierbaren Kunststoffmaterial. Bei der Laserstrukturierung werden im Kunststoffmaterial enthaltene Metallisierungskeime freigelegt und aktiviert. Im aktivierten Bereich bildet sich anschließend in einem Metallisierungselektrolyten eine Kupferschicht, die die Leiterbahnen und Kontaktfelder oder zumindest eine unterste Schicht der Leiterbahnen und Kontaktfelder bildet.
Vorteilhafte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen beschrieben. Die in den Unteransprüchen und deren Kombinationen offenbarten Merkmale können die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen und/oder die nachstehenden Aspekte ergänzen.
In den nachstehenden Aspekten werden Merkmale der Erfindung beschrieben. Die Aspekte sind in der Art von Ansprüchen formuliert. In den Aspekten offenbarte Merkmale können die Ansprüche ergänzen. In Klammern gesetzte Bezugszeichen beziehen sich auf ein nachfolgend in Figuren illustriertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Sie schränken die in den Aspekten beschriebenen Merkmale nicht unter den Wortsinn als solchen ein, zeigen andererseits jedoch bevorzugte Möglichkeiten der Verwirklichung des jeweiligen Merkmals auf. Die in den Aspekten offenbarten Merkmale können auch die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen weiterbilden und umgekehrt auch durch vorstehend erläuterte und/oder durch in den Ansprüchen offenbarte Merkmale weitergebildet werden.

Aspekt 1. Temperatursensor, umfassend:
1. (a) eine axial langgestreckte Platine (1) mit mehreren voneinander wegweisenden Seitenflächen (5),
2. (b) ein Temperaturmesselement (10), das an einer axial vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) angeordnet ist,
3. (c) ein erstes Anschluss-Kontaktfeld (15) und ein zweites Anschluss-Kontaktfeld (16), die für einen elektrischen Anschluss des Temperatursensors an ein Messsystem vorgesehen und axial vom Temperaturmesselement (10) entfernt an oder in der Platine (1) angeordnet sind, und
4. (d) eine erste Leiterbahn (11), die das Temperaturmesselement (10) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss-Kontaktfeld (15) verbindet, und eine zweite Leiterbahn (12), die das Temperaturmesselement (10) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss-Kontaktfeld (16) verbindet,
5. (e) wobei die Platine (1) mit den Anschluss-Kontaktfeldern (17, 18) und den Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) ein MID-Bauteil ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- (f) der Temperatursensor mehrere weitere Anschluss-Kontaktfelder und mehrere weitere Leiterbahnen (13, 14) für die Verbindung des jeweiligen weiteren Anschluss-Kontaktfelds mit dem Temperaturmesselement (10) umfasst und der Temperatursensor in 4-Leitertechnik ausgeführt ist und
- (g) sich die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) jeweils an einer der Seitenflächen (5) der Platine, jede der Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) an einer anderen der Seitenflächen (5), erstrecken.
Aspekt 2. Temperatursensor nach Aspekt 1, wobei die vordere Stirnfläche (3) das vordere Ende (2) der Platine (1) oder einen Boden einer am vorderen Ende (2) der Platine (1) geformten Vertiefung bildet.
Aspekt 3. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) am vorderen Ende (2) eine Vertiefung aufweist, die vordere Stirnfläche einen Boden der Vertiefung bildet und das Temperaturmesselement (10) in der Vertiefung zumindest teilweise versenkt angeordnet ist.
Aspekt 4. Temperatursensor nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die vordere Stirnfläche (3) das vordere Ende (2) der Platine (1) bildet und das Temperaturmesselement (10) auf der vorderen Stirnfläche (3) angeordnet ist.
Aspekt 5. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Temperaturmesselement (10) über das vordere Ende der Platine (1) vorragt oder mit dem vorderen Ende der Platine (1) bündig abschließt.
Aspekt 6. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Temperaturmesselement (10) das vordere Ende des Temperatursensors bildet. Aspekt 7. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) stabförmig und/oder zylindrisch ist.
Aspekt 8. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) vier zumindest im Wesentlichen gleiche Seitenflächen (5) hat, die sich vom vorderen Ende (2) bis über die Anschluss-Kontaktfelder (15, 16), vorzugsweise bis zu einem hinteren Ende (4) der Platine (1) erstrecken.
Aspekt 9. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) quaderförmig ist.
Aspekt 10. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die erste Leiterbahn (11) und die dritte Leiterbahn (13) im Bereich des vorderen Endes (2) der Platine (1), vorzugsweise an der vorderen Stirnfläche (3), elektrisch leitend miteinander verbunden sind, vorzugsweise in einem der Kontaktierung des Temperaturmesselements (10) dienenden ersten Sensor-Kontaktfeld (7) enden.
Aspekt 11. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die zweite Leiterbahn (12) und die vierte Leiterbahn (14) im Bereich des vorderen Endes (2) der Platine (1), vorzugsweise an der vorderen Stirnfläche (3), elektrisch leitend miteinander verbunden sind, vorzugsweise in einem der Kontaktierung des Temperaturmesselements (10) dienenden zweiten Sensor-Kontaktfeld (8) enden.
Aspekt 12. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) eine vom vorderen Ende (2) bis zu einem hinteren Ende (4) der Platine (1) erstreckte Umfangsfläche mit in Umfangsrichtung nebeneinander axial erstreckten und voneinander wegweisenden, vorzugsweise planen Seitenflächen (5) aufweist, längs denen die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) verlaufen.
Aspekt 13. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) mehrere voneinander wegweisende, vorzugsweise plane, Seitenflächen (5) aufweist und die Anschluss-Kontaktfelder (15, 16) jeweils an einer der Seitenflächen (5), jedes der Anschluss-Kontaktfelder (15, 16) an einer anderen der Seitenflächen, vorzugsweise im Bereich eines hinteren Endes (4) der Platine (1), angeordnet sind.
Aspekt 14. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, umfassend ein mit der ersten Leiterbahn (11) elektrisch leitend verbundenes erstes Sensor-Kontaktfeld (7) und ein mit der zweiten Leiterbahn (12) elektrisch leitend verbundenes zweites Sensor-Kontaktfeld (8), die mit dem Temperatursensor (10) jeweils in einem elektrisch leitenden Kontakt sind.
Aspekt 15. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei das erste Sensor-Kontaktfeld (7) elektrisch leitend mit der dritten Leiterbahn (13) verbunden ist.
Aspekt 16. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt1, wobei das zweite Sensor-Kontaktfeld (8) elektrisch leitend mit der vierten Leiterbahn (14) verbunden ist.
Aspekt 17. Temperatursensor nach einem der drei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, wobei die Sensor-Kontaktleder (7, 8) an der vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) angeordnet sind.
Aspekt 18. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Temperaturmesselement (10) eine Widerstandsbahn aus Metall, vorzugsweise Platin, umfasst.
Aspekt 19. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die Widerstandsbahn auf einer Trägerstruktur, vorzugsweise in Dünnschichttechnik, angeordnet ist.
Aspekt 20. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die Trägerstruktur an einer von der Widerstandsbahn abgewandten Rückseite mit der Widerstandsbahn elektrisch leitend verbundene Kontaktfelder für den elektrischen Anschluss des Temperaturmesselements (10) an die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) aufweist.
Aspekt 21. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Temperaturmesselement (10) in SMD-Bauweise ausgeführt und an der vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) elektrisch leitend mit Sensor-Kontaktfeldern (7, 8), die mit den Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) elektrisch leitend verbunden sind, kontaktiert ist.
Aspekt 22. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) und die Kontaktfelder (7, 8, 15, 16) mittels Laserstrukturierung der aus einem laseraktivierbaren Kunststoffmaterial geformten Platine (1) erzeugt sind.
Aspekt 23. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) und die Kontaktfelder (7, 8, 15, 16) oder in mehrschichtiger Ausführung zumindest eine unterste Schicht der Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) und der Kontaktfelder (7, 8, 15, 16) aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung bestehen.
Aspekt 24. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Temperatursensor eine Anschlusseinrichtung, vorzugsweise einen Anschlusskopf, für die Befestigung des Temperatursensors an einem Messort umfasst und die Platine (1) von der Anschlusseinrichtung axial vorragt, so dass sie mit dem Temperaturmesselement (10) voran in ein Messfluid eintauchbar ist.
Aspekt 25. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Temperatursensor eine elektrisch leitend mit den Anschluss-Kontaktfeldern (15, 16) verbundene Anschlusseinrichtung (20), beispielsweise einen Anschlusskopf oder ein Anschlusskabel (21, 22), für den Anschluss an ein Messsystem umfasst.
Aspekt 26. Temperatursensor nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, wobei die Anschlusseinrichtung (20) in einem thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial (K2) eingeschlossen ist.
Aspekt 27. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei sich das thermisch und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K2) von der Anschlusseinrichtung (20) bis wenigstens über die Anschluss-Kontaktfelder (15, 16) erstreckt und auch diese einschließt.
Aspekt 28. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Platine (1) mit den Anschluss-Kontaktfeldern (15, 16) in einem thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial (K2), vorzugsweise dem Kunststoffmaterial (K2) nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, eingeschlossen ist.
Aspekt 29. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei die Platine (1) auch mit einem überwiegenden Teil der Längen der Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) in dem thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial (K2) eingeschlossen ist.
Aspekt 30. Temperatursensor nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, wobei das thermisch und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K2) die Platine (1) und die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) über wenigstens 70% der Länge der Platine (1) umschließt.
Aspekt 31. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Temperaturmesselement (10) in einem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial (K1) eingeschlossen ist.
Aspekt 32. Temperatursensor nach dem vorhergehenden Aspekt, wobei das thermisch leitende und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K1) nur das Temperaturmesselement (10) und optional den dem Temperaturmesselement (10) nahen vorderen Endbereich der Platine (1) und Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) einschließt.
Aspekt 33. Temperatursensor nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Aspekte, wobei das thermisch leitende und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K1) die Platine (1) und die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) vom vorderen Ende (2) der Platine (1) ausgehend über höchstens 30% der Länge der Platine (1) umschließt.
Aspekt 34. Temperatursensor nach einem der Aspekte 31 bis 33, wobei das thermisch leitende und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K1) ein mit Metallpartikeln gefülltes Kunststoffmaterial ist.
Aspekt 35. Temperatursensor nach einem der Aspekte 31 bis 34, wobei das thermisch leitende und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K1) eine Wärmeleitfähigkeit λ von wenigstens 2 W/(m*K), vorzugsweise wenigstens 4 W/(m*K), und/oder das thermisch und elektrisch isolierende Kunststoffmaterial (K2) eine Wärmeleitfähigkeit λ von höchstens 0,4 W/(m*K), vorzugsweise von 0,2 W/(m*K) oder weniger, aufweist oder aufweisen.
Aspekt 36. Wärmemengenzähler zur Erfassung des Verbrauchs von Wärmeenergie, die mittels eines strömenden Messfluids übertragen wird, wobei der Wärmemengenzähler zur Messung der Temperatur des Messfluids einen in das Messfluid eintauchbaren Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte umfasst.
Aspekt 37. Thermometer, der zur Messung der Temperatur eines Messfluids einen in das Messfluid eintauchbaren Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte umfasst.
Aspekt 38. Thermostat, der zur Einstellung einer Raumtemperatur mittels eines Wärme übertragenden Messfluids einen in das Messfluid eintauchbaren Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Aspekte umfasst.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An den Figuren offenbar werdende Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend erläuterten Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:

1 einen Temperatursensor mit einem Temperaturmesselement, das an einem Stirnende einer Platine angeordnet ist,
2 eine Draufsicht auf das vordere Stirnende des Temperatursensors, und
3 einen Temperatursensor mit Anschlusseinrichtung.

1 zeigt einen Temperatursensor in einer perspektivischen Sicht. Der Temperatursensor umfasst eine Platine 1 und ein Temperaturmesselement 10, das an einem vorderen Ende 2 der Platine 1 angeordnet ist. Das Temperaturmesselement 10 ist ein SMD-Bauteil mit einer Widerstandsbahn aus einem Metall, beispielsweise Nickel oder Molybdän oder zweckmäßigerweise Platin, die auf einer Trägerstruktur, beispielsweise einer Trägerstruktur aus Keramik, angeordnet ist. Die Trägerstruktur ist auf einer vorderen Stirnfläche 3 der Platine 1 angeordnet und an ihrer der Stirnfläche 3 zugewandten Rückseite zur Ableitung des Signals mit elektrischen Leiterbahnen kontaktiert. In 1 sind eine erste Leiterbahn 11 und eine zweite Leiterbahn 12 erkennbar, die das Temperaturmesselement 10 mit einem ersten Anschluss-Kontaktfeld 15 und einem zweiten Anschluss-Kontaktfeld 16 verbinden. Die Anschluss-Kontaktfelder 15 und 16 dienen dem Anschluss des Temperatursensors an ein Messsystem.
Die Platine 1 ist in eine axiale Richtung lang gestreckt, schlank, und über ihre gesamte Länge quaderförmig. Im Ausführungsbeispiel ist sie vorteilhafterweise als zumindest im Wesentlichen gleichseitiger Quader ausgeführt. Sie ist in MID-Technik als „Molded Interconnected Device“ gefertigt.
Die Anschluss-Kontaktfelder 15 und 16 sind axial vom Temperaturmesselement 10 entfernt in einem hinteren Endbereich, nahe dem hinteren Ende 4 der Platine 1 an der äußeren Umfangsfläche der Platine 1 angeordnet. Die Umfangsfläche der Platine 1 wird der Quaderform entsprechend von vier planen Seitenflächen 5 gebildet. An den vier Seitenflächen 5 ist dem hinteren Platinenende 4 nahe jeweils ein Anschluss-Kontaktfeld angeordnet, von denen in der Sicht der 1 nur das erste Anschluss-Kontaktfeld 15 und das zweite Anschluss-Kontaktfeld 16 zu erkennen sind. Ein drittes Anschluss-Kontaktfeld und ein viertes Anschluss-Kontaktfeld sind jeweils an einer der beiden verdeckten Seitenflächen der Platine 1 wie die beiden erkennbaren Anschluss-Kontaktfelder 16 und 17 angeordnet.
Die erste Leiterbahn 11 ist an der gleichen Seitenfläche 5 wie das zugeordnete erste Anschluss-Kontaktfeld 15 angeordnet und verbindet dieses mit dem Temperaturmesselement 10. Die Leiterbahn 11 erstreckt sich dementsprechend vom Anschluss-Kontaktfeld 15 bis zur vorderen Stirnfläche 3 am vorderen Ende 2 der Platine. Dabei erstreckt sie sich an der vorderen Stirnfläche 3 bis zum oder unter das Temperaturmesselement 10. Die zweite Leiterbahn 12 ist an der gleichen Seitenfläche 5 wie das zugeordnete zweite Anschluss-Kontaktfeld 16 angeordnet und erstreckt sich dort der ersten Leiterbahn 11 entsprechend vom Anschluss-Kontaktfeld 16 bis zum oder unter das Temperaturmesselement 10. An einer der verdeckten Seitenflächen der Platine 1 ist ein drittes Anschluss-Kontaktfeld auf der gleichen Höhe wie die Anschluss-Kontaktfelder 15 und 16 angeordnet. Von diesem dritten Anschluss-Kontaktfeld erstreckt sich an besagter Seitenfläche eine dritte Leiterbahn 13, von der in 1 ein vorderes Ende zu erkennen ist, bis zur vorderen Stirnfläche 3 und zum oder unter das Temperaturmesselement 10. Ein viertes Anschluss-Kontaktfeld ist an der verbleibenden weiteren verdeckten Seitenfläche der Platine 1 auf der gleichen Höhe wie die Anschluss-Kontaktfelder 15 und 16 angeordnet. Eine vierte Leiterbahn 14 erstreckt sich an dieser Seitenfläche vom vierten Anschluss-Kontaktfeld nach vorne bis zur vorderen Stirnfläche 3 und bis zum oder unter das Temperaturmesselement 10. Von der dritten Leiterbahn 13 und der vierten Leiterbahn 14 sind in 1 lediglich die an der vorderen Stirnfläche 3 erstreckten Endabschnitte erkennbar.
2 ist eine Draufsicht auf die vordere Stirnfläche 3 der Platine 1 vor Anbringung des Temperaturmesselements 10. Daher sind ein erstes Sensor-Kontaktfeld 7 und ein zweites Sensor-Kontaktfeld 8 erkennbar, die an der vorderen Stirnfläche 3 angeordnet sind und der Kontaktierung des Temperaturmesselements 10 dienen. Erkennbar sind ferner die vorderen Enden der vier Leiterbahnen 11, 12, 13 und 14, die sich am vorderen Platinenende 2 bis zum jeweils zugeordneten Sensor-Kontaktfeld 7 oder 8 erstrecken. Dabei sind die Leiterbahnen 11 und 13 mit dem ersten Sensor-Kontaktfeld 7 und die Leiterbahnen 12 und 14 mit dem zweiten Sensor-Kontaktfeld 8 verbunden.
Die Leiterbahnen 11 bis 14 verlaufen an der jeweiligen Seitenfläche mäanderförmig. Mittels der schmalen, mäanderförmigen Leiterbahnen 11 bis 14 wird die thermische Entkopplung von der anders temperierten Umgebung des Temperatursensors verbessert. Die Leiterbahnen 11 bis 14 können insbesondere Kupferbahnen sein.
Die Sensor-Kontaktfelder 7 und 8 sind an der glatten, im Ausführungsbeispiel planen vorderen Stirnfläche der Platine 1 angeordnet. In modifizierten Ausführungen kann die Platine 1 an der vorderen Stirnfläche eine Vertiefung aufweisen, die beispielweise als ein zurückspringender Absatz oder insbesondere als Tasche geformt sein kann. Das Temperaturmesselement 10 kann in der Vertiefung, wie etwa an einer Bodenfläche der Tasche oder des Absatzes, teilweise oder gänzlich versenkt angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist die Widerstandsbahn auch in derartigen Ausführungen axial vor der Platine 1 oder bündig, d.h. auf axial gleicher Höhe, mit dem vorderen Ende der Platine 1 angeordnet, um bei gegebener Eintauchtiefe des Temperatursensors die Eintauchtiefe des Temperaturmesselements 10 zu maximieren. Die Sensor-Kontaktfelder 7 und 8 können vorteilhafterweise am Boden der Vertiefung angeordnet und das Temperaturmesselement dementsprechend in der Vertiefung kontaktiert sein.
Für den Anschluss an ein Messsystem kann der Temperatursensor über die Anschluss-Kontaktfelder 15 und 16 und die beiden weiteren Anschluss-Kontaktfelder mit einer Anschlusseinrichtung elektrisch leitend verbunden sein, die im verbundenen Zustand integrierter Bestandteil des Temperatursensors sein kann. Die Anschlusseinrichtung ist zweckmäßigerweise in axialer Verlängerung der Platine 1 angeordnet, so dass die Platine 1 mit dem Temperaturmesselement 10 voran, axial von der Anschlusseinrichtung vorragt. Die Anschlusseinrichtung kann ein einfaches Kabel nur zur Ableitung des Messsignals sein oder einen Analog-Digital-Wandler oder eine andere Komponente der Signalverarbeitung enthalten. Eine als Anschlusskopf gebildete Anschlusseinrichtung kann der Befestigung am Messort und/oder dem Anschluss an ein Messsystem dienen und beispielsweise eine Einrichtung zur Umwandlung der analogen Messsignale in Messdaten und/oder eine Temperaturanzeige umfassen oder auch lediglich der Weiterleitung der analogen Messsignale dienen.
Ein um eine integrierte Anschlusseinrichtung, vorzugsweise in Form eines Anschlusskopfs, erweiterter Temperatursensor ist ebenfalls ein Gegenstand der Erfindung. Umfasst der Temperatursensor auch noch die Anschlusseinrichtung, können die Platine 1, das Temperaturmesselement 10 und die Leiterbahnen 11 bis 14 in einem wärmeleitenden und elektrisch isolierenden ersten Kunststoffmaterial eingeschlossen, insbesondere mit dem ersten Kunststoffmaterial umspritzt sein, während die Anschlusseinrichtung, der hintere Bereich der Platine 1 und/oder ein optional axial zwischen der Platine 1 und der Anschlusseinrichtung verbleibender Axialabschnitt in einem anderen, weder thermisch noch elektrisch leitenden, zweiten Kunststoffmaterial eingeschlossen, mit dem zweiten Kunststoffmaterial beispielsweise umspritzt ist/sind.
Das erste Kunststoffmaterial ist mit einem oder mehreren wärmeleitenden Additiven gefüllt, zweckmäßigerweise mit metallischen Partikeln, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erzielen. Das zweite Kunststoffmaterial enthält keinen die Wärmeleitfähigkeit steigernden Zusatz oder allenfalls zu einem so geringen Anteil, dass der zweite Kunststoff zumindest im Wesentlichen nur die Wärmeleitfähigkeit des Polymers oder der Polymerfraktion aufweist.
Das erste Kunststoffmaterial weist eine Wärmeleitfähigkeit λ von wenigstens 2 W/(m*K), vorzugsweise wenigstens 4 W/(m*K) auf. Das zweite Kunststoffmaterial weist eine Wärmeleitfähigkeit λ von höchstens 0,4 W/(m*K), vorzugsweise von 0,2 W/(m*K) oder weniger auf.
Das thermisch leitende erste Kunststoffmaterial kann axial über den überwiegenden Teil der axialen Länge der Leiterbahnen 11 bis 14 reichen und axial noch vor den Anschluss-Kontaktfeldern enden. Die Anschluss-Kontaktfelder können in dem zweiten Kunststoffmaterial eingeschlossen sein. Der im zweiten Kunststoffmaterial eingeschlossene Bereich kann sich auch ein Stück weit nach vorne über die Leiterbahnen 11 bis 14 und optional ein Stück weit axial über den im ersten Kunststoffmaterial eingeschlossenen Axialbereich des Temperatursensors erstrecken. In einem axialen Überlappungsbereich kann das zweite Kunststoffmaterial das erste Kunststoffmaterial umgeben. Eine derartige Kunststoffummantelung und weitere vorteilhafte Details hierzu werden in der DE 10 2012 204 817 A1 beschrieben.
Für den erfindungsgemäßen Temperatursensor wird hiervon jedoch in vorteilhaften Ausführungen abgewichen, indem nur das Temperaturmesselement 10 und der vordere Endbereich der Platine 1 in dem ersten Kunststoffmaterial eingeschlossen sind, während die Platine 1 mit den Leiterbahnen 11 bis 14 über den überwiegenden Teil ihrer Länge im zweiten Kunststoffmaterial eingeschlossen ist. Eine axiale Überlappung wird gering gehalten und kann beispielsweise 10% und bevorzugt weniger der Länge der Platine 1 ausmachen. Vorteilhafterweise sind die Platine 1 und die Leiterbahnen 11 bis 14 über wenigstens 70% oder wenigstens 80% ihrer Länge im zweiten Kunststoffmaterial eingeschlossen. Das zweite Kunststoffmaterial kann die Platine 1 und die Leiterbahnen 11 bis 14 bis zum vorderen Ende 2 der Platine einschließen. Es kann sich auch noch bis zum Temperaturmesselement 10 erstrecken. Das Temperaturmesselement 10 oder zumindest dessen temperatursensible Komponente, im Ausführungsbeispiel die Widerstandsbahn, bleibt jedoch in allen Ausführungen frei vom wärmeisolierenden zweiten Kunststoffmaterial, so dass eine gute Ankopplung an das Messfluid und Entkopplung von der äußeren Umgebung erzielt werden.
In einer Modifikation kann auch nur der bis nahe zu den Anschluss-Kontaktfeldern reichende Axialabschnitt der Platine einschließlich Temperaturmesselement 10 zum Schutz vor Abrieb im ersten Kunststoffmaterial eingeschlossen sein.
Der Temperatursensor und insbesondere ein wie vorstehend erläutert in Kunststoffmaterial eingeschlossener Temperatursensor kann beispielsweise Bestandteil eines Thermometers, eines Thermostats oder eines Wärmemengenzählers sein. Andererseits kann der Temperatursensor ohne Kunststoffummantelung in ein Schutzrohr, beispielsweise ein Edelstahl-Schutzrohr, eingebracht werden. An den Kanten der Platine 1 können hierzu Abstandshalter angebracht sein, um einen Abstand zwischen den Leiterbahnen und dem Anschluss-Kontaktfeldern einerseits und dem Schutzrohr andererseits zu gewährleisten.
In 3 ist der Temperatursensor der 1 und 2 um eine Anschlusseinrichtung 20 erweitert und zu seinem Schutz vor Abrieb durch im Messfluid befindliche Partikel in Kunststoff eingeschlossen. Die Anschlusseinrichtung 20 umfasst ein vieradriges Kabel 22, dessen vier Leitungsadern 21 am vorderen Ende des Kabels 22 aus dessen elektrisch isolierenden Ummantelung vorragen und an ihren vorderen Enden mittels Lötverbindung elektrisch leitend jeweils mit einem der Anschluss-Kontaktfelder verbunden sind. In 3 sind lediglich das Anschluss-Kontaktfeld 15 und die damit verbundene Leitungsader 21 erkennbar.
Die Platine 1 und Leiterbahnen 11 bis 14 sind in ihrem vorderen Endbereich, nahe dem vorderen Ende 2 bzw. der vorderen Stirnfläche 3 der Platine 1, mit einem ersten Kunststoffmaterial K1 ummantelt, das insbesondere auch das Temperaturmesselement 10 einschließt und dadurch schützt. Das Kunststoffmaterial K1 ist thermisch leitend und elektrisch isolierend. Es handelt sich um ein mit thermisch leitfähigen Metallpartikeln gefülltes Kunststoffmaterial. Das Kunststoffmaterial K1 weist eine Wärmeleitfähigkeit λ von wenigstens 2 W/(m*K), in vorteilhaften Ausführungen von 4 W/(m*K) oder mehr, auf. Die Platine 1 ist von ihrem vorderen Endbereich abgesehen, der im Kunststoffmaterial K1 eingeschlossen ist, mit einem zweiten Kunststoffmaterial K2 ummantelt, das die Platine 1 und die Leiterbahnen 11 bis 14 über den überwiegenden Teil ihrer axialen Länge und auch sämtliche Anschluss-Kontaktfelder sowie die frei liegenden Enden der Leitungsadern 21 und auch noch einen vorderen Endbereich der isolierenden Ummantelung des Kabels 22 einschließt. Das Kunststoffmaterial K2 weist eine Wärmeleitfähigkeit λ von höchstens 0,4 W/(m*K) auf. Es kann insbesondere eine für Kunststoffe typische Wärmeleitfähigkeit λ von 0,2 W/(m*K) aufweisen. Als thermische leitend werden im Sinne der Erfindung Kunststoffmaterialien angesehen, die eine Wärmeleitfähigkeit λ von wenigstens 2 W/(m*K) aufweisen, während als thermisch isolierend Kunststoffmaterialien verstanden werden, deren Wärmeleitfähigkeit λ höchstens 0,4 W/(m*K) beträgt. Zumindest werden Kunststoffmaterialien mit einer für reine Kunststoffe typischen Wärmeleitfähigkeit λ von etwa 0,2 W/(m*K) als thermisch nicht leitend verstanden.
In Tests hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn nur das Temperaturmesselement 10 und der vordere Endbereich der Platine 1 im thermisch leitenden Kunststoffmaterial K1 eingeschlossen sind und der gesamte weitere, demgegenüber rückwärtige Bereich des Temperatursensors im thermisch nicht leitenden Kunststoffmaterial K2 eingeschlossen ist. Auf diese Weise wird eine bestmögliche thermische Entkopplung des Temperaturmesselements 10 von der anders temperierten äußeren Umgebung erzielt.

Claims

Temperatursensor, umfassend: (a) eine axial langgestreckte Platine (1) mit mehreren voneinander wegweisenden Seitenflächen (5), (b) ein Temperaturmesselement (10), das an einer axial vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) angeordnet ist, (c) ein erstes Anschluss-Kontaktfeld (15) und ein zweites Anschluss-Kontaktfeld (16), die für einen elektrischen Anschluss des Temperatursensors an ein Messsystem vorgesehen und axial vom Temperaturmesselement (10) entfernt an oder in der Platine (1) angeordnet sind, und (d) eine erste Leiterbahn (11), die das Temperaturmesselement (10) elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss-Kontaktfeld (15) verbindet, und eine zweite Leiterbahn (12), die das Temperaturmesselement (10) elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss-Kontaktfeld (16) verbindet, (e) wobei die Platine (1) mit den Anschluss-Kontaktfeldern (15, 16) und den Leiterbahnen (11, 12) ein MID-Bauteil ist, dadurch gekennzeichnet, dass (f) der Temperatursensor mehrere weitere Anschluss-Kontaktfelder und mehrere weitere Leiterbahnen (13, 14) für die Verbindung des jeweiligen weiteren Anschluss-Kontaktfelds mit dem Temperaturmesselement (10) umfasst und der Temperatursensor in 4-Leitertechnik ausgeführt ist und (g) sich die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) jeweils an einer der Seitenflächen (5) der Platine, jede der Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) an einer anderen der Seitenflächen (5), erstrecken.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei die vordere Stirnfläche (3) das vordere Ende (2) der Platine (1) bildet und das Temperaturmesselement (10) auf der vorderen Stirnfläche (3) angeordnet ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Platine (1) am vorderen Ende (2) eine Vertiefung aufweist, die vordere Stirnfläche (3) einen Boden der Vertiefung bildet und das Temperaturmesselement (10) in der Vertiefung zumindest teilweise versenkt angeordnet ist.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platine (1) quaderförmig und/oder stabförmig und/oder zylindrisch ist.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) mäanderförmig verlaufen.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren voneinander wegweisenden Seitenflächen (5) plan sind.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platine (1) mehrere voneinander wegweisende, vorzugsweise plane, Seitenflächen (5) aufweist und die Anschluss-Kontaktfelder (15, 16) jeweils an einer der Seitenflächen (5), jedes der Anschluss-Kontaktfelder (15, 16) an einer anderen der Seitenflächen, vorzugsweise im Bereich eines hinteren Endes (4) der Platine (1), angeordnet sind.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein mit der ersten Leiterbahn (11) elektrisch leitend verbundenes erstes Sensor-Kontaktfeld (7) und ein mit der zweiten Leiterbahn (12) elektrisch leitend verbundenes zweites Sensor-Kontaktfeld (8), die mit dem Temperatursensor (10) jeweils in einem elektrisch leitenden Kontakt und vorzugsweise an der vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) angeordnet sind.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Temperaturmesselement (10) in SMD-Bauweise ausgeführt und an der vorderen Stirnfläche (3) der Platine (1) elektrisch leitend mit Sensor-Kontaktfeldern (7, 8), die mit den Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) elektrisch leitend verbunden sind, kontaktiert ist.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (11, 12, 13, 14) und Kontaktfelder (7, 8, 15, 16) mittels Laserstrukturierung erzeugt sind.
Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Temperatursensor eine Anschlusseinrichtung (20) für den Anschluss an ein Messsystem und/oder für die Befestigung des Temperatursensors an einem Messort umfasst und die Platine (1) von der Anschlusseinrichtung (20) axial vorragt, so dass sie mit dem Temperaturmesselement (10) voran in ein Messfluid eintauchbar ist.
Temperatursensor nach einem der zwei unmittelbar vorhergehenden Ansprüche, wobei das Temperaturmesselement (10) in einem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial (K1) eingeschlossen ist und/oder die Anschlusseinrichtung (20) in einem thermisch und elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial (K2) eingeschlossen ist.