DE19802296A1 - Verfahren und Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentemperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentemperaturen, bei dem in einem Gehäuse, an dem eine Anlagefläche zur Kopplung des Temperaturfühlers mit dem auszumes­ sendem Medium angebracht ist, ein elektronisches temperaturempfindliches Sensorelement angeordnet ist, das mit einem nach außen führenden Anschlußkabel verbunden ist.

Der Temperaturfühler ist vorteilhaft zur Messung der Oberflächentempera­ tur in Heizplatten, Heizkörpern und Rohrleitungen mit größerem Durchmes­ ser einsetzbar.

Im Stand der Technik sind Temperaturfühler zur Messung der Oberflächen­ temperatur bekannt, die als Sensoren elektronische temperaturabhängige Bauelemente enthalten, beispielsweise Thermoelemente sowie Nickel- oder Platin-Meßwiderstände.

Nach EP 0 246 435 A2 ist eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur bekannt, die einen Widerstandsoberflächenfühler und einen widerstandsmeß­ wertverarbeitenden Verstärker beinhaltet. Der Meßfühler ist dabei im vorde­ ren Ende eines Rohres bzw. einer Hülse angeordnet und das Rohr ist auf der zu messenden Oberfläche befestigbar, wobei insbesondere die Befestigung durch Aufschweißen vorgesehen ist. Das der Oberfläche abgewendete Rohrende trägt ein Gehäuse für den elektrischen Anschluß, in dem auch der Verstärker angebracht ist.

Nach US 4 549 162 ist ebenfalls eine Oberflächentemperatur-Meßanordnung bekannt, die sich durch geringe Wärmeabführung auszeichnet. Dies wird eine thermische Entkopplung bewirkt, die durch zwei voneinander getrennte Gehäuseteile erreicht wird.

Nach DE 37 29 076 A1 ist ein Temperaturfühler bekannt, bei dem in ein Fühlergehäuse ein Metalltopf eingesetzt ist, in dem ein ein Widerstandsele­ ment tragender Halter angeordnet ist. Dabei sind Isolierschläuche, welche zu den Widerstandselementen führen und die Anschlußdrähte umhüllen, bis in den Metalltopf eingeführt. Eine in den Metalltopf eingebrachte Vergußmasse hält den Halter und die Isolierschläuche im Metalltopf.

Bei den bekannten Temperaturfühlern wird durch verschiedene konstruktive Maßnahmen versucht, einen guten Wärmeübergang von der Oberfläche des zu messenden Mediums auf das äußere Gehäuseteil des Oberflächentempe­ raturfühlers sowie eine gute Wärmeleitung von diesen Gehäusebauteil auf den Temperatursensor zu erreichen.

Ferner ist man bemüht, eine starke thermische Isolation des Sensors gegen­ über der Umgebungstemperatur zu erreichen. Hierzu wird der Sensor mit Vergußmassen oder anderen stark isolierenden Werkstoffen umgeben. In neueren Schutzrechtsanmeldungen wird auf diese thermische Isolation bzw. auf eine thermische Endkopplung besonders hingewiesen.

Nachteilig ist dabei jedoch, daß über die Anschlußdrähte Wärme abgeführt wird, die das Meßergebnis verfälscht.

An moderne Meßanordnungen werden wachsende Anforderungen an die Meßgenauigkeit sowie an die Miniaturisierung der Meßanordnungen gestellt. Je kleiner die Meßanordnungen ausgeführt werden und je genauer die Meßtemperatur mit der wahren Oberflächentemperatur übereinstimmen soll, um so höher werden die Anforderungen, die an die Isoliermaterialien und an konstruktive Maßnahmen zur Optimierung des Wärmeüberganges gestellt werden müssen. Hohe Anforderungen an die Oberflächentempera­ turmessung werden sowohl in der Anlagentechnik als in zunehmenden Maße auch in der Heizungs-, Klima- und Lüftungstechnik gefordert. Bei der Konstruktion und Entwicklung von derartigen Temperaturfühlern besteht die Schwierigkeit, daß nicht in jedem Fall vorhergesagt werden kann, wie sich eine einzelne konstruktive Maßnahme auf die Meßgenauigkeit auswirkt. Die den im Stand der Technik bekannten Fühler zugrunde liegende Betrach­ tungsweise, wonach der Wärmeübergang nur in einer bestimmten Schicht zum Sensor gelangt und die übrigen Elemente der Konfektionierungshülle die Wärme wieder abgeben, reicht für die hier gestellten Anforderungen nicht mehr aus. Es muß dabei auch die Struktur der inneren Wärmeströme, die Wärmeabgabe nach oben, zu den Seiten sowie der Wärmeabgang durch das Kabel beachtet werden.

Von großem Einfluß auf die Meßgenauigkeit sind die Temperaturschichtun­ gen im Temperaturfühler selbst, die die Wärmeströmungen verursachen. Das temperaturempfindliche Bauteil beeinflußt diese Verhältnisse insbesondere durch seine geometrische Abmessungen und Lage. Auch die Art der Anord­ nung der Anschlußkabel und der Befestigungselemente, beeinflußt die Wärme-Strömverhältnisse und damit die Meßgenauigkeit. Weitere entschei­ dende Einflußgrößen sind die relevanten Parameter der einzelnen Bauele­ mente, wie Wärmeleitkoeffizient, Wärmekapazität, geometrische Gestaltung sowie die Anordnung in der Gesamtkonfektionierung. Diese Parameter sind insbesondere bei gedrungenen Miniatur-Anlegefühlern, mit denen eine hohe Meßgenauigkeit erzielt werden soll, von großem Einfluß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen durch definierte Wärmeführung eine hohe Meßgenauigkeit und Meßdynamik bei geringen Abmessungen des Temperaturfühlers ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche angegebenen Mitteln.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Gestal­ tung des Temperaturfühlers wird erreicht, daß sich ein weitgehend konstan­ tes Isothermenprofil in der Meßfühleranordnung einstellt. Dies gelingt durch eine Entkopplung des Wärmestromes, der von der Anlagefläche zum Sensor verläuft, von dem Wärmefluß, der von der Anlagefläche zu den übrigen Bauteilen, insbesondere zu den eine große Wärmekapazität aufweisenden Anschlußkabeln, verläuft. Damit wird gewährleistet, daß das temperatur­ empfindliche Sensorelement sich immer auf einem wärmetechnisch niedri­ geren Niveau als die übrigen stark wärmeleitenden Bauteile befindet und dadurch ein das Meßergebnis verfälschender Abfluß der Wärme vom Senso­ relement zu den übrigen Bauteilen verhindert wird. Das Wärmeniveau des Temperatursensors bleibt damit auf einem konstanten Niveau. Dadurch gelingt es, bei geringen Abmessungen der Meßanordnung eine hohe Meßge­ nauigkeit und gute Meßdynamik zu erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Temperaturfühler,

Fig. 2 die Oberseite der elektrisch isolierenden Grundplatte,

Fig. 3 eine Darstellung des Wärmestromverlaufs durch den Tempera­ turfühler,

Fig. 4 eine Darstellung des Wärmestromverlaufs durch einen herkömm­ lichen Fühler,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Anlagefühler und

Fig. 6 einen Schnitt durch den Temperaturfühler mit aufgelötetem Formstück.

Im dargestelltem Beispiel befindet sich auf der zu messenden Oberflächen­ seite, die dem Temperaturfühler zugewandt ist, eine Schichtanordnung, die aus der Kombination zweier Metall schichten mit einer elektrischen Isolier­ schicht, welche einen mittleren Wärmedurchgangskoeffizient aufweist, besteht. Damit wird ein gleichmäßiger Wärmedurchgang in den Innenkörper des Temperaturfühlers gewährleistet. Die obere Metallschicht ist strukturiert und enthält Anschlußflächen zur Kontaktierung der Bauelemente. Die hierzu vorgesehen Lötpads sind dabei so ausgebildet, daß sie bewirken, daß die Wärme nur zu einem geringeren Teil direkt vom temperaturempfindlichen Bauelement abfließt. Ein größerer Teil des Wärmestromes verläuft direkt zum Anschlußkabel und wird vor diesen nach außen abgeleitet. Ein Abflie­ ßen der Wärme vom temperaturempfindlichen Bauteil über die elektrische Verbindung wird durch diese Gestaltung der strukturierten Oberfläche vermieden. Unterstützt wird dies durch ein Querschnittsverhältnis der Zulei­ tungen zum Sensor zu den Zuleitungen, die zum elektrischen Anschluß führen, im Bereich von 1 : 5 bis 1 : 10. Ein Rückfluß der Wärme ist deshalb aufgrund des größeren Zustromes an Wärme nicht möglich. Die Lage des Sensorelementes über der oberen strukturierten Schicht gewährleistet weiterhin, daß das temperaturempfindliche Bauteil auf einem thermisch niedrigeren, aber konstantem Niveau liegt als mindestens ein Punkt der elektrischen Zuleitung. Dadurch ergeben sich immer gleichbleibende Tempe­ raturverhältnisse am Sensor, die selbst durch Schwankungen der Verhält­ nisse an den übrigen Bauteilen wie Kabel und dergleichen nicht in relevanter Weise beeinflußt werden können.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 und 6 dargestellten Temperaturfühler ist ein im Dünnschichtverfahren hergestelltes Platin-Widerstandselement an den Enden der sensitiven Schicht elektrisch leitend beschichtet und mit diesen Enden auf eine elektrisch isolierende Grundplatte, die im vorliegenden Fall durch eine Leiterkarte gebildet wird, angelötet. Das Leiterkartenstück weist eine Dicke von 0,5 bis 1,8 mm auf, ist länglich zugeschnitten und enthält auf der unteren Seite eine Nickelschicht. Auf der Oberseite befindet sich eine strukturierte Kupferschicht. Die Strukturierung ist so ausgebildet, daß sie vier Lötpads enthält. Davon dienen zwei als Anschlußflächen für die Anschlußleitung und zwei als Anschlußflächen für das den Temperatursen­ sor bildende Dünnschichtelement. Zwischen den jeweiligen Lötpads befinden sich dünne Leiterkartenzüge, die etwa im Verhältnis 1 : 10 zu dem Querschnitt stehen, der sich im angelöteten Zustand der Bauelemente an dem Dünnschichtelement ergibt, wobei sich durch einen starken Lotauftrag am Platinelement das Verhältnis noch verbessern (größer als 1 : 10) kann. Das isolierende Material zwischen den beiden Metallschichten weist einen Wärmeleitkoeffizienten von 0,2 bis 0,4 W/m × K auf. An die hinteren Bondflächen ist ein Anschlußkabel aufgelötet. Auf die isolierte Grundplatte mit den aufgebrachten Dünnschichtelementen und dem Kabelanschluß ist eine Isolierstoffmasse aus Kunststoff aufgebracht. Die Isolierstoffmasse füllt dabei eine Kappe aus, die über der doppelseitig beschichteten Grundplatte liegt. Die Kappe weist eine entsprechende Aussparung aus, aus der das Anschlußkabel herausgeführt wird. Am anderen Ende der Kappe befindet sich eine Nut, die fast bis in die Höhe des Meßwiderstandes reicht.

Fig. 3 erläutert den Verlauf der Wärmeströme, die vom zu messenden Medium über die Anlagefläche in die Meßanordnung laufen. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß zwei Wärmeströme bestehen, wobei der zum Sensorelement verlaufende Wärmestrom getrennt von dem Wärmestrom verläuft, der zu den Anschlußkabeln führt. Der Wärmestrom zum Sensor hängt von der Art und der Zahl der Anschlußbeichen ab. Beim Platinmeßele­ ment gemäß Fig. 3 ergibt sich der Wärmesensorstrom aus der Summe der beiden Ströme, die über die gelöteten Polkappen zur Platinfläche gelangen. Die beiden Wärmeströme verlaufen so, daß der Wärmestrom von der Anlagefläche zum Sensorelement etwas geringer ist als der Wärmestrom von der Anlagefläche zum Anschlußkabel. Im vorliegendem Fall wird das dadurch erreicht, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen der Wärmestrom parallel zur Anlagefläche in zwei Teilbereiche aufgetrennt wird, wobei ein Teilbereich zum Sensorelement führt und ein weiterer Teilbereich zu den Anschlußleitungen verläuft und daß der Wärmestrom zum Sensor einen höheren Widerstand überwinden muß.

Im dargestellten Beispiel wird letzteres dadurch erreicht, daß die obere metallische Schicht in waagerechter Richtung gesehenen in zwei Teilbereic­ he unterschiedlicher Querschnitte aufgeteilt ist, die nur durch dünne Stege elektrisch leitend verbunden sind. Eine unterstützende Maßnahme ist die erhöhte Anordnung des Sensorelementes gegenüber der oberen metallischen Schicht. Dabei können zwischen Sensor und oberer metallischer Schicht noch Bauelemente mit definierten Wärmeleiteigenschaften angeordnet werden.

Gemäß Fig. 6 kann durch ein auf die isolierende Grundplatte aufgelötetes Formstück ein verbesserter Wärmeübergang zu nicht ebenen Oberflächen realisiert werden.

Bezugszeichenliste

1

Sensor

11

Sensoranschluß

2

isolierende Grundplatte

21

strukturierte innere Oberfläche der Grundplatte

22

Anlagefläche der Grundplatte

23

aufgelötetes Formstück auf der äußeren Anlagefläche

3

Gehäuse

4

Isolierstoff

5

Kabel

51

Kabelanschluß

Claims (9)

1. Verfahren zur Messung von Oberflächentemperaturen mit einem ein elektronisches temperaturempfindliches Sensorelement und nach außen führende Anschlußkabel enthaltenden Temperaturfühler, bei dem von einem auszumessenden Medium ein Wärmestrom über eine Anlagefläche in den Temperaturfühler gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß der in das Gehäuse eindringende Wärmestrom in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei ein Teilstrom von der Anlagefläche zum Sensorelement verläuft und getrennt davon ein zweiter Teilstrom zum Anschlußkabel verläuft und die beiden Wärmeströme so gelenkt werden, daß der von der Anlagefläche zum Sensorelement verlaufende Teilstrom über einen höheren Wärmewider­ stand geleitet wird als der von der Anlagefläche zum Anschlußkabel verlau­ fende Teilstrom.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrom in zwei senkrecht zur Anlagefläche verlaufende Teilströme getrennt wird.

3. Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentemperaturen, bei dem in einem Gehäuse, an dem eine Anlagefläche zur Kopplung des Temperatur­ fühlers mit dem auszumessendem Medium angebracht ist, ein elektronisches temperaturempfindliches Sensorelement angeordnet ist, das mit einem nach außen führenden Anschlußkabel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Temperaturfühlers Mittel angebracht sind, mit denen der Wärmestrom von der Anlagefläche zum Sensorelement vom Wärmestrom zu den Anschlußkabeln getrennt wird und die beiden Wärmeströme so verlau­ fen, daß der Wärmestrom von der Anlagefläche zum Sensorelement schwä­ cher ist als der von der Anlagefläche zum Anschlußkabel verlaufende Wärmestrom.

4. Temperaturfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagefläche an einer elektrisch isolierenden Grundplatte angebracht ist, die an ihrer Unterseite und an ihrer Oberseite metallische Schichten aufweist, wobei mindestens die metallische Schicht an der Oberseite strukturiert ist und die Strukturierung an der Oberseite elektrische Anschlußflächen für den Meßwiderstand und elektrische Anschlußflächen für das Anschlußkabel bildet und bei dem die Mittel zur Wärmeleitung von Anlagefläche zum Sensorelement so ausgebildet sind, daß das Sensorelement auf wärmetech­ nisch niedrigerem Niveau liegt als mindestens ein Punkt der Zuleitungen für das Anschlußkabel.

5. Temperaturfühler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere metallische Schicht zwei Bereiche mit unterschiedlicher Wärmekapazität aufweist und die Anschlußflächen für den Sensor in dem Bereich mit der kleineren Wärmekapazität und die Anschlußflächen für das Anschlußkabel an den Bereich mit den größeren Wärmekapazität angeord­ net sind.

6. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor an Anschlußflächen angebracht ist, die eine kleinere Fläche aufweisen als die Anschlußflächen für die Anschlußkabel.

7. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Sensor und der Grundplatte ein zusätzliches wärmeleitendes Medium befindet.

8. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement einen größeren Abstand von der Oberseite der Grundplatte aufweist als mindestens eines der von der Struk­ turierung gebildeten Zuleitungselemente zwischen Sensorteil und Anschluß­ kabel.

9. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Grundplatte paßgenaue Formstücke aufgelötet sind.