DE19715080C1 - Thermometeranordnung mit einem Thermoelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Thermometeranordnung mit einem Thermoelement, wie es zur elektrischen Temperaturmessung verwendet wird. Wegen ihrer geringen Störanfälligkeit werden Thermoelemente zur Temperaturmessung im industriellen Bereich bevorzugt eingesetzt.

Gemäß "Lexikon der Physik", achte Lieferung, Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart, 1951, Seite 1300, besteht ein Thermoelement aus zwei Leitern verschiedener Werkstoffe, deren eine Enden zu einer Hauptverbindungsstelle vereinigt sind und deren andere Enden entweder zu einem vom Thermoelement getrennten Meßgerät führen oder jeweils mit einem zumeist aus Kupfer bestehenden Draht zu Nebenverbindungsstellen ausgebildet sind. Die Hauptverbindungsstelle und die Nebenverbindungsstellen werden regelmäßig durch Löten oder Schweißen hergestellt.

Da jede Vereinigung zweier Leiter verschiedener Werkstoffe jeweils für sich ein Thermoelement darstellt, bilden die Nebenverbindungsstellen, soweit an ihnen zwei Leiter verschiedener Werkstoffe zusammengeführt werden, jeweils ein bezogen auf die Hauptverbindungsstelle, an der die Temperatur gemessen werden soll, parasitäres Thermoelement. Soweit neben Kupfer nur ein weiterer leitfähiger Werkstoff in der gesamten Thermometeranordnung in Gebrauch ist, ist nur eine einzige Nebenverbindungsstelle als parasitäres Thermoelement zu berücksichtigen. Prinzipbedingt ist dann die am Meßgerät anliegende Thermospannung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der die Meßstelle bildende Hauptverbindungsstelle und der einzigen Nebenverbindungsstelle. Zur Messung der Temperatur an der Hauptverbindungsstelle ist daher die hinreichend genaue Kenntnis der Temperatur an der Nebenverbindungsstelle erforderlich.

Durch offenkundige Vorbenutzung ist bekannt, die Verbindungsleitungen zwischen dem Thermoelement und dem Meßgerät als sogenannte Thermoelementausgleichleitung auszuführen, die aus demselben Werkstoffpaar wie das Thermoelement besteht und bei der jede Ader aus einem der Werkstoffe besteht und mit dem Anschluß des Thermoelements mit demselben Werkstoff verbunden ist. Dabei befindet sich die einzige Nebenverbindungsstelle innerhalb des Meßgeräts. Um weitere parasitäre Thermoelemente zu vermeiden, wird dabei die Temperatur der Nebenverbindungsstelle indirekt abgetastet. Dazu ist aus der JP 2-285225 (A) in Patents Abstracts of Japan Vol. 15/No. 55, 8. Febr. 1991, P-1164 bekannt, ein temperatursensitives elektrisches Bauelement, beispielsweise einen Widerstand oder eine Diode, in unmittelbarer Nähe der Nebenverbindungsstelle anzuordnen.

Diese indirekte Abtastung der Temperatur der Nebenverbindungsstlle hat nachteiligerweise zur Folge, daß Temperaturdifferenzen zwischen der Nebenverbindungsstelle und dem zugeordneten temperatursensitiven elektrischen Bauelement prinzipbedingt unvermeidbar zu Meßfehlern bei der Bewertung der Thermospannung führen. Darüber hinaus ist diese Temperaturdifferenz neben konstruktiven Parametern von der Luftzirkulation innerhalb des Meßgeräts abhängig und somit jedenfalls während der Meßzeit inkonstant, so daß auch die Genauigkeit des Meßwertes während der Meßzeit Schwankungen unterworfen ist.

Weiterhin ist aus der US 3,706,962 eine Temperaturmeßeinrichtung mit einem Thermoelement bekannt, bei der das Thermoelement über eine zweiadrige Kupferleitung an die Temperaturmeßeinrichtung angeschlossen ist, wobei die Nebenverbindungsstellen zwischen den Adern der Kupferleitung und den Anschlüssen des Thermoelements tiefgekühlt auf gleicher Temperatur gehalten werden.

Aus der US 4,936,690 ist bekannt, einen Meßumformer in einer abgeschlossenen Kammer anzuordnen, deren Wandung den Temperaturausgleich zwischen den die Nebenverbindungsstellen bildenden elektrischen Durchführungen zum Anschluß des Thermoelements bewirkt. Mit einem Temperatursensor wird innerhalb des Meßumformers die Temperatur an einer der elektrischen Durchführungen aufgenommen. Mit Hilfe eines Mikrocontrollers werden die Meßwerte vom Thermoelement durch die Meßwerte vom Temperatursensor durch mathematische Berechnung korregiert.

Darüber hinaus ist aus der DE 195 16 260 C1 eine Anordnung zur Temperaturerfassung an einem Meßwandler bekannt, bei der die Leiterplatte in ihrem durch den Meßwandler überdeckten Bereich eine im wesentlichen U-förmige Ausnehmung unter Bildung einer Zunge aufweist, auf der ein Temperatursensor angeordnet ist, dessen Bauhöhe größer als die Baufreiheit zwischen dem Meßwandler und der bestückten Oberfläche der Leiterplatte am Temperaturmeßpunkt ist. Dabei wird der Temperatursensor durch die Federkraft der Zunge an den Meßwandler angepreßt.

Im Vergleich zu einem Meßwandler sind jedoch die Abmessungen der zu bemessenden Nebenverbindungsstelle sehr gering, so daß neben den konstruktiven Aufwand zur Anordnung des entsprechenden Temperatursensors der manuelle Aufwand zur präzisen Positionierung desselben tritt. Nachteiligerweise würde dabei die Nebenverbindungsstelle darüber hinaus durch mechanische Verspannung belastet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Temperaturdifferenz zwischen der Nebenverbindungsstelle und dem zugeordneten temperatursensitiven elektrischen Bauelement bei möglichst geringem Aufwand und ohne mechanische Belastung möglichst weitgehend zu verringern und damit die Meßgenauigkeit sowohl statisch als auch dynamisch zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mittel des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Das Wesen der Erfindung liegt darin, den thermischen Übergangswiderstand zwischen der Nebenverbindungsstelle und dem zugeordneten temperatursensitiven elektrischen Bauelement unter Ausnutzung der in der gedruckten Schaltungstechnik üblichen Mittel einerseits und besonderer Eigenschaften einiger marktüblicher Halbleitersensoren für Temperatur andererseits maßgeblich zu verringern. Diese besonderen Eigenschaften einiger marktüblicher Halbleitersensoren bestehen im einzelnen darin, daß die Gehäuse der Bauelemente eine über die für die Funktion des Bauelements erforderliche, hinausgehende Anzahl von Anschlüssen aufweisen, die sich aus der Wahl einer standardisierten Gehäusebauform ergibt.

Ausgehend von einer für sich bekannten Thermometeranordnung mit einem Thermoelement, das aus zwei Leitern verschiedener Werkstoffe besteht, deren eine Enden zu einer Hauptverbindungsstelle vereinigt sind und deren andere Enden entweder zu einem vom Thermoelement getrennten Meßgerät führen oder jeweils mit einem Anschlußdraht zu Nebenverbindungsstellen ausgebildet sind, ist die Hauptverbindungsstelle an der Temperaturmeßstelle angeordnet.

Bei räumlicher Trennung zwischen dem Thermoelement und dem Meßgerät besteht zweckmäßigerweise einer der Werkstoffe des Thermoelements sowie der zugehörige Anschlußdraht aus demselben Material wie die Verbindungsleiter innerhalb des Meßgeräts, so daß nur eine einzige parasitäre Nebenverbindungsstelle in der Thermometeranordnung gebildet ist, deren Temperatur auf die Temperatur der Hauptverbindungsstelle zu referenzieren ist.

Zur hinreichend genauen Bestimmung der Temperatur an der Nebenverbindungsstelle ist im einzelnen vorgesehen, die Nebenverbindungsstelle innerhalb des Meßgeräts anzuordnen und mit einem Verbindungsleiter in gedruckter Schaltungstechnik wärmeleitend mit mindestens einem funktional unbenutzten Anschluß eines Halbleiter- Temperatursensors zu verbinden.

Als Material für die Verbindungsleiter in der gedruckten Schaltungstechnik wird üblicherweise Kupfer eingesetzt, das neben seiner guten elektrischen Leitfähigkeit auch eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt. Im Zusammenhang mit der Erfindung steht dabei die gute thermische Leitfähigkeit im Vordergrund, die vorteilhafterweise zu einem raschen Temperaturausgleich zwischen der Nebenverbindungsstelle und dem Halbleiter-Temperatursensor führt.

Die Anschlußdrähte des Thermoelements sind im Meßgerät an Anschlußelementen mit der gedruckten Schaltung verbunden. Diese Anschlußelemente können in für sich bekannter Art als Schraubklemmen, Lötstützpunkte oder beliebiger anderer geeigneter Weise ausgeführt sein. Jenes Anschlußelement, an dem unterschiedliche Werkstoffe der Verbindungsleitung und des Anschlußdrahts verbunden sind, ist die Nebenverbindungsstelle.

Für einen besonders raschen Temperaturausgleich zwischen der Nebenverbindungsstelle und dem Halbleiter-Temperatursensor ist vorgesehen, daß der Verbindungsleiter in gedruckter Schaltungstechnik durch eine kurze flächig ausgeführte Leiterbahn zwischen dem Anschlußelement der Nebenverbindungsstelle und mindestens einem Anschlußelement zum Anschluß mindestens eines funktional unbenutzten Anschlusses des Halbleiter-Temperatursensors gebildet ist. Im Gegensatz zu in der gedruckten Schaltungstechnik üblichen Leiterbreiten von etwa 0,4 mm bis etwa 2,0 mm bei weitgehend vordefinierter Schichtdicke der Kupferbeschichtung wird unter einer flächig ausgeführte Leiterbahn eine Leiterbreite von mindestens 5 mm verstanden, um den thermischen Widerstand gering zu halten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend an hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu vorgesehenen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prizipdarstellung der Thermometeranordnung

Fig. 2 eine Prizipdarstellung der Leiterseite einer gedruckten Schaltung für einen Halbleiter-Temperatursensor im Metallgehäuse

Fig. 3 eine Prizipdarstellung der Leiterseite einer gedruckten Schaltung für einen Halbleiter-Temperatursensor in einem Gehäuse für Oberflächenmontage.

In Fig. 1 ist die Thermometeranordnung prinzipiell dardestellt. Ein für sich bekanntes Thermoelement 1 besteht aus zwei Leitern verschiedener Werkstoffe 12 und 13, deren eine Enden zu einer Hauptverbindungsstelle 11 vereinigt sind. Die Hauptverbindungsstelle 11 ist an der Temperaturmeßstelle angeordnet. Das Thermoelement 1 ist mittels zweier Anschlußdrähte 121, 131 mit einem Meßgerät 2 verbunden, das für jeden Anschlußdraht 121, 131 jeweils ein Anschlußelement 201, 202 aufweist. Das Meßgerät 2 umfaßt zumindest einen Meßumformer 23, der über Verbindungsleiter 21 mit den Anschlußelementen 201, 202 verbunden ist.

Im weiteren wird davon ausgegangen, daß die Verbindungsleiter 21 aus Kupfer bestehen. Sodann ist der mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Leiter des Thermoelements 1 sowie der ihn mit dem Anschlußelement 202 verbindende Anschlußdraht 131 gleichfalls aus Kupfer bestehend. Der mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnete Leiter des Thermoelements 1 sowie der ihn mit dem Anschlußelement 201 verbindende Anschlußdraht 121 bestehen aus demselben jedoch von Kupfer verschiedenem Material, so daß das Anschlußelement 201 durch die Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien in der Thermometeranordnung zur Nebenverbindungsstelle 201 ausgebildet ist.

Diese Nebenverbindungsstelle 201 ist mittels eines als flächige Leiterbahn 211 ausgeführten, möglichst kurzen Verbindungsleiters mit mindestens einem funktional unbenutzten Anschluß 221 eines Halbleiter-Temperatursensors 22 verbunden. Derartige Halbleiter-Temperatursensoren 22 sind in verschiedenen standardisierten Gehäusebauformen handelsüblich, die eine vorgegebene, über die Funktion des Halbleiter-Temperatursensors 22 bedingte, hinausgehende Anzahl von Anschlüssen aufweisen. Diese funktional unbenutzten Anschlüsse 221 sind mit dem Gehäuse des Halbleiter-Temperatursensors 22 zumindest thermisch verbunden und somit vorteilhafterweise zum einem raschen Temperaturausgleich zwischen der Nebenverbindungsstelle 201 und dem Halbleiter-Temperatursensor 22 geeignet.

Der Halbleiter-Temperatursensor 22 ist mittels Verbindungsleiter 21 mit dem Meßumformer 23 verbunden.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in Fig. 2 die Leiterseite eines stilisierten Leiterplattenlayouts einer gedruckten Schaltung mit einem Halbleiter-Temperatursensor 22 in einem Metallgehäuse dargestellt.

Das Metallgehäuse weist drei Anschlüsse auf, von denen zwei für die Funktionalität des Halbleiter-Temperatursensor 22 benutzt sind. An diesen beiden funktional benutzten Anschlüssen ist eine der Temperatur des Halbleiter- Temperatursensor 22 proportionale Spannung abgreifbar, die dem Meßumformer 23 über Verbindungsleiter 21 zugeführt ist.

Darüber hinaus weist das Metallgehäuse einen dritten, funktional unbenutzten Anschluß 221 auf, der mit dem Metallgehäuse verbunden ist. Da das Metallgehäuse den Halbleiter-Temperatursensor 22 sowie dessen Trägermaterial allseitig umschließt und der Halbleiter-Temperatursensor 22 selbst kaum Eigenverlustleistung entwickelt, ist die Gehäusetemperatur weitgehend gleich der gemessenen Sensortemperatur.

Für jeden Anschluß des Metallgehäuses ist zur Verbindung mit den Verbindungsleitern 21 sowie der flächigen Leiterbahn 211 jeweils eine lötbare Leiterfläche als Anschlußelement vorgesehen, die insbesondere bei einem Metallgehäuses mit Anschlußdrähten als Lötaugen ausgeführt sind. Soweit das Metallgehäuse des Halbleiter-Temperatursensor 22 mehrere funktional unbenutzte Anschlüsse 221 aufweist, ist es von Vorteil zumindest den funktional unbenutzten Anschluß 221, der mit dem Metallgehäuse verbunden ist, mit einem der Anschlußelemente der flächig ausgeführten Leiterbahn 211 zu verbinden.

Der thermische Widerstand zwischen der Nebenverbindungsstelle 201 und dem Halbleiter-Temperatursensor 22 ist durch die unmittelbare Kopplung über die flächige Leiterbahn 211 und das Metallgehäuse außerordentlich gering, so daß die Temperatur der Nebenverbindungsstelle 201 hinreichend genau bestimmbar ist.

Weiterhin ist in Fig. 3 unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel die Leiterseite eines stilisierten Leiterplattenlayouts einer gedruckten Schaltung mit einem Halbleiter-Temperatursensor 22 in einem Gehäuse für Oberflächenmontage, sogenannte SMD-Gehäuse (surface mounted device) dargestellt.

Das SMD-Gehäuse weist in zwei parallelen Reihen insgesamt acht Anschlüsse auf, von denen drei für die Funktionalität des Halbleiter-Temperatursensor 22 benutzt und über Verbindungsleiter 21 mit dem Meßumformer 23 verbunden sind.

Die restlichen fünf Anschlüsse sind funktional unbenutzte Anschlüsse 221 jedoch als solche thermisch mit dem SMD-Gehäuse und dem Trägermaterial des Halbleiter- Temperatursensors 22 verbunden. Da der Halbleiter-Temperatursensor 22 selbst kaum Eigenverlustleistung entwickelt, ist die Gehäusetemperatur beziehungsweise die Temperatur des Trägermaterials weitgehend gleich der gemessenen Sensortemperatur.

Für jeden Anschluß des SMD-Gehäuses ist zur Verbindung mit den Verbindungsleitern 21 sowie der flächigen Leiterbahn 211 jeweils eine lötbare Leiterfläche als Anschlußelement vorgesehen. Auf grund der geringen Abmessungen der Anschlüsse eines SMD-Gehäuses ist es von Vorteil, alle funktional unbenutzten Anschlüsse 221 mit einem der Anschlußelemente der flächig ausgeführten Leiterbahn 211 zu verbinden.

Der thermische Widerstand zwischen der Nebenverbindungsstelle 201 und dem Halbleiter-Temperatursensor 22 ist durch die unmittelbare Kopplung über die flächige Leiterbahn 211 und das SMD-Gehäuse außerordentlich gering, so daß die Temperatur der Nebenverbindungsstelle 201 hinreichend genau bestimmbar ist.

Für alle Ausführungen der erfindungsgemäßen Thermometeranordnung ist es vorteilhaft, die gedruckte Schaltung so zu gestalten, daß die Länge der flächig ausgeführten Leiterbahn 211 möglichst gering ist und der Halbleiter-Temperatursensor 22 möglichst nahe an der Nebenverbindungsstelle 201 angeordnet ist.

Claims (6)

1. Thermometeranordnung mit einem Thermoelement, das aus zwei Leitern verschiedener Werkstoffe, deren eine Enden zu einer Hauptverbindungsstelle vereinigt sind und deren andere Enden entweder direkt oder jeweils mit einem Anschlußdraht unter Bildung von Nebenverbindungsstellen zu einem vom Thermoelement getrennten Meßgerät führen, besteht, wobei die Hauptverbindungsstelle an der Temperaturmeßstelle angeordnet ist und wobei einer der Werkstoffe des Thermoelements sowie der zugehörige Anschlußdraht aus demselben Material wie die Verbindungsleiter innerhalb des Meßgeräts besteht,
dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die einzige parasitäre Nebenverbindungsstelle (201) innerhalb des Meßgeräts (2) angeordnet ist und
• 2. daß die parasitäre Nebenverbindungsstelle (201) mit einem Verbindungsleiter (211) in gedruckter Schaltungstechnik wärmeleitend mit mindestens einem funktional unbenutzten Anschluß (221) eines Halbleiter-Temperatursensors (22) verbunden ist.

2. Thermometeranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsleiter (211) in gedruckter Schaltungstechnik durch eine kurze flächig ausgeführte Leiterbahn zwischen einem Anschlußelement der Nebenverbindungsstelle (201) und mindestens einem Anschlußelement zum Anschluß mindestens eines funktional unbenutzten Anschlusses (221) des Halbleiter-Temperatursensors (22) gebildet ist.

3. Thermometeranordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anschlußelement zum Anschluß mindestens eines funktional unbenutzten Anschlusses (221) des Halbleiter-Temperatursensors (22) eine lötbare Leiterfläche ist.

4. Thermometeranordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß jedes Anschlußelement zum Anschluß mindestens eines funktional unbenutzten Anschlusses (221) des Halbleiter-Temperatursensors (22) ein Lötauge ist.

5. Thermometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleiter-Temperatursensor (22) im Metallgehäuse zumindest der mit dem Metallgehäuse verbundene, funktional unbenutzte Anschluß (221) mit einem der Anschlußelemente der flächig ausgeführten Leiterbahn (211) verbunden ist.

6. Thermometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleiter-Temperatursensor (22) im einem Gehäuse zur Oberflächenmontage alle funktional unbenutzten Anschlüsse (221) mit einem der Anschlußelemente der flächig ausgeführten Leiterbahn (211) verbunden sind.