DE10216532A1 - Sensorverfahren und Sensor - Google Patents

Abstract

Das Sensorverfahren bezweckt die Herstellung eines in einem Messgehäuse eingebrachten und mit dessen Innenwandung verbundenen elektrischen Sensorelementes, das einen oder mehrere physikalische Zustände des die Außenwandung des Messgehäuses umgebenden, vorzugsweise fließenden, Mediums erfasst. Das Messgehäuse ist gegenüber dem Medium als metallisch geschlossenes Kapillarrohr ausgebildet und weist in seinem inneren Teil ein auf einem Träger aufgebrachtes Sensorelement aus, das von einem Lötmittel umhüllt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Sensorverfahren zur Herstellung eines in einem Gehäuse eingebrachten und mit dessen Innenwandung verbundenen elektrischen Sensorelementes, das einen oder mehrere physikalische Zustände des in die Außenwandung des Messgehäuses umgebenden, vorzugsweise fließenden Mediums erfasst, mit einem Messgehäuse, das gegenüber dem Medium als metallisch geschlossenen Kapillarrohr ausgebildet ist und seiner technischen Realisierung einen Innendurchmesser von 1,5-3,0 mm aufweist.
• Sensoren der eingangs beschriebenen Art werden vorzugsweise im Bereich der Industrieelektronik als Füllstands- oder Strömungsüberwachungssensoren verwendet.
• In der DE 40 17 877 C2 ist ein Sensor zur Strömungsüberwachung beschrieben, dessen Sensorelement auf einem Träger aufgebracht in thermisch leitenden Kontakt mit der Innenwandung eines in ein Medium eingetauchten metallischen Sensorgehäuse gebracht ist, wobei die Außenwandung des Sensorgehäuses in das Medium eintaucht und auf diese Weise ein Wärmestrom vom Sensor in das Medium hinein erfolgt. Dieser Wärmestrom ist abhängig von der Fließgeschwindigkeit des Mediums und wird in ein Fließgeschwindigkeit abhängiges elektrisches Signal umgesetzt. Einen anderen Sensor beschreibt die DE 195 12 111 C2. Hier wird der Wärmestrom über ein in ein Gehäuse integriertes Heizelement, das als Wärmeleiter ausgebildet ist, vermittelt, an den ein auf einem Träger aufgebrachtes Sensorelement thermisch gekoppelt ist.
• Diese oben beschriebenen Techniken sind in kapillarähnlichen Sensorgehäusen nicht anwendbar, weil es keine Möglichkeit gibt, die präzise Lage und zuverlässige Lötung von Träger- und Sensorelement mit produktionsfreundlichen und kostengünstigen Techniken reproduzierbar in einer Kapillare zu kontrollieren, insbesondere dann, wenn die Kapillare wesentlich länger als das Sensorelement oder dessen Träger ist. Die bekannten Techniken vermeiden es zu dem strikt das Sensorelement selbst metallisch, z. B. mit Lötzinn allseitig wärmeleitend zu umhüllen.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung zur eines kapillarförmigen Sensors, insbesondere zur Erfassung des Strömungszustandes eines flüssigen Mediums und dessen Ausführung anzugeben, der die oben genannten Nachteile vermeidet und wo ein auf einen Träger aufgebrachtes Sensorelement in kontrollierter Weise wärmeleitend mit der Innenwandung des Sensors zuverlässig verlötet ist.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in Ansprüchen 1 und 8. dargestellt. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt. Die Erfindung geht von einem Kapillarrohr aus, das metallisch einteilig gefertigt und nur an einem Ende offen ist. Dieses einseitig geschlossene Kapillarrohr kann aus unterschiedlichen Metallen wie z. B. aus Edelstahl, aber auch aus Nickel oder Hastelloy bestehen. Ein wesentliches Problem besteht nur darin, innerhalb dieses Kapillarrohres ein Sensorelement mit dessen Innenwandung in einen metallisch gut wärmeleitenden Kontakt zu bringen. Dieser Kontakt muss langfristig stabil sein, was eine zuverlässige Lötung voraussetzt. Diese Lötung ist dadurch wesentlich erschwert, dass das Kapillarrohr nur einen kleinen Innendurchmesser von 1,5-3,0 mm aufweist, so dass die sichere Lötung optisch in keiner Weise kontrolliert werden kann. Die oben genannten Metalle sind zudem schwer lötbar und benötigen für eine sichere Lötverbindung ein aggressives Flussmittel. Dieses aggressive Flussmittel greift aber die Kontaktierung des Sensorelementes mit seinem Träger oder die Metallisierung des Trägers seinerseits an, wodurch eine sichere Lötung innerhalb der Kapillare unter diesen Bedingungen nicht möglich ist.
• Die Erfindung geht daher von dem Grundgedanken aus, eine metallische Beschichtung der Innenwandung der Kapillare, vorzugsweise mit Lötzinn in einem ersten Lötvorgang vorzunehmen, um dann in einem zweiten Lötvorgang eine Verschmelzung des an der Innenwandung aufgetragenen Metalls mit der Metallisierungsfläche des Trägers vorzunehmen. Bei diesen Vorgehen muss sichergestellt sein, dass keine Reste des Flussmittels mehr vorhanden sind, dass auch ihre überschüssigen Reaktionsprodukte zuverlässig beseitigt sind.
• Dies geschieht durch ein Auswaschen des Kapillarrohres nachdem es nach dem ersten Schmelzvorgang abgekühlt ist. Während des Waschens und während des zweiten Schmelzvorganges der sich dann anschließt ist es wichtig, dass keine unerwünschten Reaktionsprodukte, wie z. B. Metalloxide an den zu verlötenden Oberflächen entstehen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gewährleistet, dass während dieser Vorgänge ein die Oberflächenkorrosion der Lötmittel blockierendes und/oder abbauendes Medium in die Kapillare eingebracht ist. Insbesondere die Oxidation der Oberflächen wird durch ein Schutzgas wie z. B. Argon aber auch durch Einführen von überhitztem Wasserdampf unterbunden. Der erhitzte Wasserdampf hat zudem den Vorzug, dass er ein Vorwärmung des Kapillarbereiches sicherstellt und somit eine schnelle Lötung durch von außen zugeführte Wärme gewährleistet. Das Sensorelement ist gut wärmeleitend mit einem Träger verbunden, der seinerseits auf der dem Sensorelement abgewandten Seite metallisiert ist. Diese Metallisierung ist bei angewendeter Zinn-Löttechnik verzinnt. Erfindungsgemäß wird die Verlötung zwischen dem Innenzylinder des Kapillarrohres und dem Träger in der Weise durchgeführt, dass der Träger mit leichtem Druck in einen stirnseitig geschmolzenen Bereich von überschüssigem Lötzinn eingetaucht wird, dieses verdrängt, so dass es entlang der Trägerlänge aufsteigt. Durch geeeignete Dosierung des Lötmittels, die sehr genau bestimmt werden kann, wird die Aufsteighöhe festgelegt, so dass es z. B. möglich ist, die gesamte metallisierte Fläche des Trägers sicher mit der Innenwandung der Kapillare zu verlöten. Weil das Lötzinn innerhalb der Kapillare allseitig und gleichmäßig den Träger umhüllend aufsteigt, wird auch das auf dem Träger aufgebrachte Sensorelement mit von dem Lötmittel umfasst.
• Je nach Anschlusstechnik ist es vorteilhaft, die elektrischen Kontaktierungspunkte des Sensors von dem aufsteigenden Lötmittel fernzuhalten, was ebenfalls durch eine exakte Dosierung möglich ist. Erfindungsgemäß ist die Schmelz- und Verlötungstemperatur des Lötmediums niedriger als die Erweichungstemperaturen der Umhüllung des Sensorelementes und dessen Kontaktierung mit dem Träger.
• Anhand von Anwendungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
• Abb. 1 zeigt einen als Kapillarrohr ausgebildetes Messgehäuse 1 in dem ein Keramikträger 2 eingebracht ist. Der Keramikträger weist auf einer seiner größeren Flächen 4 ein Zinnmetallisierung auf, während auf der anderen Seite ein Messelement 6 aufgebracht ist. Das Messelement 6 ist durch eine temperaturbeständige Glasschicht 5 abgedeckt. Die elektrischen Anschlüsse des Messelementes sind einer Kontaktierungsstelle 7 auf dem Träger zugeführt. Mit dieser Kontaktierungsstelle sind die elektrischen Anschlussdrähte 8 verbunden. Der Keramikträger mit Messelement ist stirnseitig innerhalb des Kapillarrohres von Lötzinn 3 umhüllt, in der Weise, dass die Kontaktierungsstelle 7 nicht von Lötzinn bedeckt ist. Hier nicht dargestellt aber durchführbar, ist die Möglichkeit, die Kontaktierungsstelle 7 mit den elektrischen Zuleitungen 8 innerhalb der Glasabdeckschicht 5 anzuordnen, so dass es auch zulässig ist, die Zinnumhüllung über den Kontaktierungspunkt 7 hinaus vorzusehen. Eine sichere Lötverbindung mit Hilfe des Lötzinns 3 innerhalb des stirnseitigen Bereiches des Kapillarrohres zwischen dem Innenmantel des Kapillarrohres 1 und der metallisierten Fläche des Trägers 4 ist dadurch gewährleistet, dass in einem ersten Lötvorgang mit Hilfe eines für das Kapillarrohr wirksamen Flussmittels eine Vorverzinnung des inneren Mantelbereiches vorgenommen ist und dass das Lötzinn stirnseitig im Überschuss eingebracht worden ist, so dass bei einem zweiten Schmelzvorgang und dem Eintauchen des Trägers mit Sensorelement diese von dem im Kapillarrohr aufsteigenden Lötzinn bis zu der gewünschten Höhe umhüllt sind. Abb. 2 zeigt ein aus Edelstahl gefertigtes Kapillarrohr 1 in der Aufsicht.
• Hier nicht dargestellt ist eine besondere Ausführung, die darin besteht, dass die Längskanten des Trägers gerade die Innenwandung des Kapillarrohres berühren, so dass eine Selbstzentrierung des Trägers innerhalb des Kapillarrohres gegeben sind.
• Abb. 3 zeigt ein Kapillarrohr 1, das in ein zweites Messgehäuse 9 eingeschoben ist, wobei Kapillarrohr und das zweite Messgehäuse durch eine Lötverbindung 10 miteinander dichtend und mechanisch stabil verbunden sind. Hier nicht dargestellt ist auch eine Variante, die anstelle der Lötverbindung 10 eine geeignete O-Ring-Dichtung vorsieht. Das zweite Messgehäuse weist ein Einschraubgewinde 11 auf, so dass diese Anordnung mechanisch sehr stabil einschraubbar ausgeführt ist. Das Kapillarrohr 1 ist einteilig durchgehend in dem zweiten Messgehäuse eingefasst, wodurch eine günstige Produktionstechnik gegeben ist.
• Abb. 4 zeigt ein modifiziertes Messgehäuse 12 zur Strömungsüberwachung, in dem zwei Kapillaren 1 stirnseitig auf gleicher Höhe aus diesem Messgehäuse herausragend mit einem Abstand voneinander eingebaut sind. Eine dieser Kapillaren ist mit einem zusätzlichen Strom beheizt, während die andere Kapillare unbeheizt die Temperatur des fließenden Mediums erfasst, so dass durch eine einfache Brückenschaltung der Temperatureinfluss des Mediums auf das Messergebnis ausgeschaltet ist.

Claims (12)

1. Sensorverfahren zur Herstellung eines in einem Messgehäuse eingebrachten und mit dessen Innenwandung verbundenen elektrischen Sensorelementes, das einen oder mehrere physikalische Zustände des die Außenwandung des Messgehäuses umgebenden, vorzugsweise fließenden Mediums erfasst, mit einem Messgehäuse, das gegenüber dem Medium als metallisch geschlossenes Kapillarrohr ausgebildet ist und einen Innendurchmesser von 1,5-3,0 mm aufweist, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
Stirnseitiges Einbringen eines Lötteils zusammen mit einem Flussmittel in das Kapillarrohr.
Erhitzen des stirnseitigen Kapillarrohr-Bereiches, was einen ersten Schmelzvorgang des Lötteils bewirkt, wobei das geschmolzene Lötteil zusammen mit dem Flussmittel eine sichere Lötmittelbenetzung der inneren Stirn- und Mantelfläche herstellt und wo ein Überschuss von Lötmittel stirnseitig verbleibt.
Auswaschen des Kapillarrohres nach dessen Abkühlung.
Einbringen eines vorzugsweise auf einem mindestens einseitig metallisierten Trägers aufgebrachten Sensorelementes in das in einem zweiten Schmelzvorgang erhitzte Kapillarrohr.
Ausüben eines auf das Lötmittel verdrängend wirkenden Druckes in Richtung der Stirnseite des Kapillarrohres auf den Träger, wobei die geschmolzene Restmenge des Lötmittels so dosiert ist, dass der Träger beim stirnseitigen Anschlag allseitig von Lötmittel bis zu einer vorgegebenen Höhe umhüllt ist.
Einführen eines die Oberflächenkorrosion des Lötmittels blockieren und/oder abbauenden Mediums in die Kapillare während des zweiten Schwelzvorganges.

2. Sensorverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswaschen des Kapillarrohres mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise Wasser erfolgt.

3. Sensorverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus Keramik besteht.

4. Sensorverfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lötteil Lötzinn ist.

5. Sensorverfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem Träger aufgebrachte Sensorelement temperaturbeständig, vorzugsweise mit Glas umhüllt ist, wobei die Erweichungstemperatur der Umhüllung und der Trägerverbindung höher ist, als die Schmelztemperatur des Lötteils.

6. Sensorverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Oberflächenkorrosion blockierende und/oder abbauende Medium Argon oder auf mindestens 180°C überhitzter Wasserdampf ist.

7. Sensorverfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Oberflächenkorrosion und/oder abbauende Medium während des ersten Schmelzvorganges eingeführt ist.

8. Sensor zur Erfassung von einem oder mehreren physikalischen Zuständen einen Mediums, dessen Messgehäuse mit seiner Außenwandung in das Medium eintaucht, mit dessen Innenwandung im Eintauchbereich mindestens ein elektrisches Sensorelement wärmeleitend verbunden ist, wobei das Sensorelement über nach außen geführte Anschlussdrähte ein dem physikalischen Zustand des Mediums entsprechendes elektrisches Signal abgibt und wo das Sensorelement auf einem Träger aufgebracht ist, der auf seiner dem Sensorelement abgewandten Trägerfläche metallisiert ist, mit einem Messgehäuse, das als Kapillarrohr von 1,5-3,0 mm Innendurchmesser ausgebildet ist, mit einer wärmeleitenden Lötverbindung, die den Träger mit der zylindrischen Innenwandung des Kapillarrohres in seinem geschlossenen Stirnbereich verbindet, wobei Träger- und Sensorelement von Lötmittel umhüllt sind.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus Keramik besteht, wo das Sensorelement temperaturbeständig, vorzugsweise mit Glas oder Glaskeramik abgedeckt ist und wo der Träger die stirnseitige Innenwandung der Kapillare mit einer Toleranz von max. 1 mm berührt.

10. Sensor nach einem der Anspüche 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass Träger und Sensorelement bis zur Höhe der elektrischen Anschlusspunkte des Sensorelementes auf dem Träger Lötmittel umhüllt sind.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensorelemente in zwei Kapillarrohren eingebracht sind, wobei ein Sensorelement zusätzlich mit einem Strom beheizt ist und wo beide Kapillaren in einem gemeinsamen zweiten Messgehäuse in das Medium hineinragend eingebaut sind.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarrohr in ein mechanisches erweitertes und/oder verstärktes zweites Messgehäuse eingebaut ist, und wo die Länge des Kapillarrohrs so gewählt ist, dass es einteilig im Inneren des zweiten Messgehäuses hindurchgeführt ist.