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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperatursensor für einen Kraftfahrzeugmotor.
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Die Temperatursensoren, umfassend ein Thermoelement zum Messen der hohen Temperaturen, werden auf dem Gebiet der Auspuffsysteme eines Verbrennungsmotors häufig verwendet.
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Die Thermoelemente liefern eine relativ hohe Messgenauigkeit. Deshalb werden sie auf dem Gebiet, das hohe Anforderungen im Hinblick auf die Kontrolle von Schadstoffemissionen stellt, verwendet.
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Das Messprinzip der Thermoelemente basiert auf dem Seebeck-Effekt, der sich in einem Potentialunterschied zwischen zwei verschiedenen Metalldrähten zeigt, wenn sie einem Temperaturunterschied ausgesetzt werden.
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Die zwei Metalldrähte sind an einem ersten Ende miteinander verschweißt, das eine Messspitze (oder warmen Punkt) bildet, die dazu bestimmt ist, die Temperatur T1 des zu messenden Mediums zu messen, wie beispielsweise die Temperatur der Auspuffgase eines Auspuffsystems.
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Die zwei Metalldrähte des Thermoelements umfassen auch jeweils ein zweites Ende, das jeweils mit einem Voltmeter durch eine allgemein Vergleichsstelle (oder kalter Punkt) genannte Verbindung verbunden ist, die sich auf einer Referenztemperatur T0 befindet.
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Dieser Typ von Temperatursensor ist bekannt dafür, dass er eine gedruckte Schaltung (PCB) enthält, umfassend eine integrierte Schaltung, die das Voltmeter einschließt. Die integrierte Schaltung ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC (Application Specific for Integrated Circuit), die geeignet ist, Spannungssignale zu bearbeiten, um sie in Temperatur umzuwandeln. Sie ist geeignet, ein analoges oder digitales Ausgangssignal zu liefern, und ein Protokoll („SENT“) zu verwenden.
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Das von dem Voltmeter an den zweiten Enden der Metalldrähte gemessene Spannungssignal wird über elektrische Leiter an die gedruckte Schaltung, dann an die integrierte Schaltung übertragen.
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Die Spannungsvariation zwischen diesen zwei zweiten Enden der Metalldrähte des Thermoelements ist proportional zur Temperaturvariation zwischen der Messspitze, die auf der Temperatur T1 ist, und den zweiten Enden der Metalldrähte, die auf einer Referenztemperatur T0 sind.
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Wenn die Referenztemperatur T0 des kalten Punktes und die Spannung zwischen den zweiten Enden der Metalldrähte bekannt sind, ist es möglich, die Temperatur T1 des warmen Punktes abzuleiten.
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Bei diesem Typ von Temperatursensor schließt die integrierte Schaltung eine Temperatursonde zur Eichung des Voltmeters ein, dessen Messung von der Temperatur abhängt. Da diese Sonde bereits vorhanden ist, wird sie üblicherweise zum Messen der Referenztemperatur T0 in der integrierten Schaltung zur Vereinfachung des Temperatursensors und zur Reduzierung der Kosten verwendet.
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Allerdings ist die integrierte Schaltung von den zweiten Enden der Metalldrähte (oder Vergleichsstelle) entfernt.
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Folglich unterscheidet sich die Referenztemperatur T0, die an der Stelle der integrierten Schaltung abgelesen wird, von der Temperatur der zweiten Enden der Metalldrähte (oder Vergleichsstelle). Der Temperaturunterschied kann 4°C bis 5°C betragen, was also eine Fehler- und Ungenauigkeitsquelle für die Temperatur T1 des zu messenden Mediums darstellt.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden, wobei ein genauerer Temperatursensor vorgeschlagen wird, bei dem die Fehlerquellen reduziert sind.
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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor für einen Kraftfahrzeugmotor, umfassend:
- - ein Thermoelement, umfassend zwei Metalldrähte, die von verschiedenen Metallen gebildet sind, die miteinander an einem ersten Ende verschweißt sind, das eine Messspitze zum Messen einer Temperatur T1 im Motor bildet, wobei die zwei Metalldrähte jeweils ein zweites Ende umfassen,
- - eine gedruckte Schaltung, umfassend eine integrierte Schaltung, wobei die integrierte Schaltung ein Voltmeter und eine Temperatursonde, die eine Referenztemperatur T0 misst, umfasst, wobei die Metalldrähte des Thermoelements elektrisch mit zwei jeweiligen Klemmen der gedruckten Schaltung durch zwei jeweilige elektrische Verbindungsmittel verbunden sind, und
- - ein Schutzgehäuse, in dem die zweiten Enden der Metalldrähte und die gedruckte Schaltung angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist jedes dieser elektrischen Verbindungsmittel von demselben Metall wie jenes des Metalldrahts des Thermoelements, mit dem es verbunden ist, gebildet, wobei das Voltmeter der integrierten Schaltung die Spannung zwischen den zwei Klemmen der gedruckten Schaltung misst.
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Nach einer möglichen Ausführungsart umfasst jedes elektrische Verbindungsmittel einen elektrischen Leiter, der einerseits an ein erstes Ende eines Metalldrahts des Thermoelements und andererseits an eine der Klemmen der gedruckten Schaltung angeschlossen ist.
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Nach einer weiteren möglichen Ausführungsart ist jedes elektrische Verbindungsmittel von einem der Metalldrähte des Thermoelements gebildet, wobei sich jedes zweite Ende der Metalldrähte bis zu einer Klemme der gedruckten Schaltung verlängert.
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Nach einer weiteren möglichen Ausführungsart ist der Abstand zwischen den Klemmen der gedruckten Schaltung und der integrierten Schaltung kleiner als 6 mm und vorzugsweise kleiner als 2,5 mm.
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Nach einer weiteren möglichen Ausführungsart ist das Thermoelement vom Typ J, K, T, R, S oder N.
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Nach einer weiteren möglichen Ausführungsart sind die zwei Metalldrähte des Thermoelements und die zwei elektrischen Verbindungsmittel von einem Paar aus Metallen Nisil/Nicrosil gebildet.
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Die Erfindung liefert somit einen genaueren Temperatursensor, bei dem die Fehlerquellen reduziert sind.
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Die Kontinuität des Thermoelements ist bis zu der gedruckten Schaltung verlängert. Die Vergleichsstelle oder der kalte Punkt ist an der Stelle der gedruckten Schaltung lokalisiert.
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Der thermische Abstand zwischen der integrierten Schaltung und dem von den zwei Enden der Metalldrähte des Thermoelements gebildeten kalten Punkt ist verringert.
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Der Messpunkt der Spannung befindet sich nämlich in unmittelbarer Nähe der integrierten Schaltung. Die starke Wärmeleitfähigkeit der gedruckten Schaltung ermöglicht eine gute Übertragung der Wärme vom kalten Punkt zu der integrierten Schaltung und gleichsam eine Homogenität der Temperaturen.
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Die Temperaturabweichung zwischen den zweiten Enden der zwei Metalldrähte des Thermoelements und der Temperatursonde, die in die integrierte Schaltung integriert ist, die eine Referenztemperatur T0 misst, ist verringert, wobei sie von 4°C oder 5°C bis zu weniger als 1°C reicht.
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Die Erfindung ermöglicht es somit, die bereits in die integrierte Schaltung integrierte Temperatursonde zu verwenden, wobei ein minimaler Fehler bei der Referenztemperatur T0 vorhanden ist.
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Die Merkmale der Erfindung werden detaillierter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
- - 1 eine schematische Darstellung des Inneren eines Temperatursensors gemäß der Erfindung im Profil gesehen ist.
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1 stellt das Innere eines Temperatursensors 1 für einen Kraftfahrzeugmotor gemäß der Erfindung dar.
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Der Temperatursensor 1 umfasst ein Thermoelement 2, umfassend zwei verschiedene Metalldrähte 3, die miteinander an einem ersten Ende verschweißt sind, das eine Messspitze zum Messen einer Temperatur T1 im Motor (nicht dargestellt) bildet.
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Die Temperatur T1 entspricht der Temperatur des zu messenden Mediums. Die Metalldrähte 3 sind von zwei verschiedenen Metallen gebildet, wie beispielsweise einem Metallpaar Nisil/Nicrosil. Das Thermoelement 2 ist beispielsweise vom Typ J, K, T, R, S, N.
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Die Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 sind elektrisch mit zwei jeweiligen Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 durch zwei jeweilige elektrische Verbindungsmittel 10 verbunden.
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Der Temperatursensor 1 umfasst eine gedruckte Schaltung 5, umfassend eine integrierte Schaltung 6. Die integrierte Schaltung 6 umfasst das Voltmeter und eine Temperatursonde, die eine Referenztemperatur T0 misst. Die integrierte Schaltung 6 ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC (Application Specific for Integrated Circuit), die geeignet ist, Spannungssignale zu bearbeiten, um sie in Temperatur umzuwandeln. Sie ist geeignet, ein analoges oder digitales Ausgangssignal zu liefern, und ein Protokoll („SENT“) zu verwenden.
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Die zwei Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 umfassen jeweils ein zweites Ende 4.
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Der Temperatursensor 1 umfasst ein Schutzgehäuse 7 aus Polymer, in dem die zwei Enden 4 der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 und die gedruckte Schaltung 5 angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist jedes dieser elektrischen Verbindungsmittel 10 von demselben Metall wie jenes des Metalldrahts 3 des Thermoelements, mit dem es verbunden ist, gebildet. Das Voltmeter der integrierten Schaltung 6 misst die Spannung zwischen den zwei Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5.
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Wenn die Referenztemperatur T0 und die Spannung am kalten Punkt, d.h. zwischen den zwei Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5, bekannt sind, wird davon die Temperatur T1 des warmen Punktes, die der Temperatur des zu messenden Mediums im Motor des Fahrzeugs entspricht, abgeleitet.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsart umfasst jedes elektrische Verbindungsmittel 10 einen elektrischen Leiter 10, der einerseits an ein zweites Ende 4 eines Metalldrahts 3 des Thermoelements 2 und andererseits an eine der Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 angeschlossen ist, wie in 1 dargestellt.
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Die elektrischen Leiter 10 sind von den Metalldrähten 3 des Thermoelements 2 getrennte Elemente, die aber jeweils von denselben Metallen gebildet sind.
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Die elektrische Kontinuität ist bis zu den Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 gewährleistet.
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Die zweiten Enden 4 der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 sind von der gedruckten Schaltung 5 entfernt, wie in 1 dargestellt.
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Allerdings ermöglicht es die Tatsache, dass die Metalle der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 und jene der elektrischen Leiter 10 identisch sind, den kalten Punkt oder die Vergleichsstelle an die Stelle der Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 zurückzuführen. Das Voltmeter misst die Spannung zwischen den zwei Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5.
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Die zweiten Enden 4 der Metalldrähte 3 sind unter der gedruckten Schaltung 5 angeordnet. In dem Temperatursensor sind die Metalldrähte 3 und die gedruckte Schaltung 5 im Wesentlichen parallel.
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Die zweiten Enden 4 der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 sind mit einem ersten Steckverbinder 14, der an das Schutzgehäuse 7 angeschlossen ist, verbunden.
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Die zweiten Enden 4 der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 sind elektrisch an zwei elektrische Leiter 10 beispielsweise durch Schweißen oder Crimpen angeschlossen.
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Die zwei elektrischen Leiter 10 sind an zwei Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 geschweißt. In 1 durchqueren die zwei Klemmen 11 die gedruckte Schaltung 5 und ragen aus den zwei Flächen 9a, 9b der gedruckten Schaltung 5 heraus.
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Das Schutzgehäuse 7 umfasst zwei Abteile 12, 13, die durch die gedruckte Schaltung 5 getrennt sind, darunter ein erstes Abteil 12, in dem die zweiten Enden 4 der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 sowie die elektrischen Verbindungsmittel 10 angeordnet sind, und ein zweites gegenüberliegendes Abteil 13.
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Der Temperatursensor 1 umfasst auch einen zweiten Steckverbinder 19, um ihn elektrisch mit einer elektronischen Vorrichtung (nicht dargestellt) zu verbinden. Zweite Anschlussklemmen 20 sowie elektrische Drähte 21 sind vorgesehen, um die gedruckte Schaltung 5 mit dem zweiten Steckverbinder 19 zu verbinden.
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Die gedruckte Schaltung 5 umfasst eine erste Fläche 9a, die sich auf der Seite der zweiten Enden 4 der zwei Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 befindet, und eine zweite gegenüberliegende Fläche 9b, die das zweite Abteil 13 des Schutzgehäuses 7 begrenzt.
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Vorzugsweise ist die integrierte Schaltung 6 auf der ersten Fläche 9a der gedruckten Schaltung 5 auf der Seite der elektrischen Verbindungsmittel 10 angeordnet.
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Alternativ, aber auf weniger vorteilhafte Weise, ist die integrierte Schaltung 6 auf der zweiten Fläche 9b der gedruckten Schaltung 5 angeordnet.
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Da die integrierte Schaltung 6 auf der ersten Fläche 9a der gedruckten Schaltung 5 angeordnet ist, ist der Abstand zwischen den Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5, die aus dieser ersten Fläche 9a herausragen, und der integrierten Schaltung 6 kleiner als 6 mm und vorzugsweise kleiner als 2,5 mm.
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Ein Teil der Kalorien, die von den zwei elektrischen Leitern 10 kommen, wird an die Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 übertragen. Je kleiner der Abstand zwischen den Klemmen 11 und der integrierten Schaltung 6 ist, desto geringer ist der thermische Widerstand. Die gedruckte Schaltung 5 ist ein guter Wärmeleiter. Sie überträgt die Kalorien von den Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 zu der integrierten Schaltung 6, umfassend die Temperatursonde, die die Referenztemperatur T0 misst.
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Die Wärmeverluste sind somit reduziert. Die Temperaturabweichung zwischen den zweiten Enden 4 der zwei Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 und der Temperatursonde, die die Referenztemperatur T0 misst, ist reduziert, wobei sie von 4°C oder 5°C bis zu weniger als 1°C reicht.
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Nach einer weiteren möglichen Ausführungsart ist jedes elektrische Verbindungsmittel 10 von einem der Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 gebildet. Jedes zweite Ende 4 der Metalldrähte 3 verlängert sich bis zu einer der Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5.
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Mit anderen Worten verlängern sich die zwei Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 direkt bis zu den Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5.
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Die zwei Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 sind direkt an die Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 geschweißt.
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Da die Metalldrähte 3 des Thermoelements 2 von mehreren sehr dünnen Metalldrähten gebildet sind, die schwer an die Klemmen 11 der gedruckten Schaltung 5 zu schweißen sind, ist die Ausführungsart, die einen von den Metalldrähten 3 des Thermoelements 2 getrennten elektrischen Leiter 10 verwendet, der oben beschriebenen Ausführungsart vorzuziehen.
