DE19816941A1 - Temperatursensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einem temperaturempfindlichen Sensorelement (11), elektrischen Anschlüssen (13, 14) für das Sensorelement (11) und einem Wärmeleitelement für den Wärmetransport zwischen einer Meßstelle und dem Sensorelement (11). Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens und zur Vereinfachung der Montage bzw. Demontage wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Wärmeleitelement ein stabiles Trägerelement (1) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit ist, das eine Anlagefläche (8) zur thermischen Ankopplung an der Meßstelle aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor mit einem tem­ peraturempfindlichen Sensorelement, elektrischen Anschlüssen für das Sensorelement und einem Wärmeleitelement für den Wärmetransport zwischen einer Meßstelle und dem Sensorele­ ment. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors.

Temperatursensoren der eingangs genannten Art, die als Meß­ effekt z. B. die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes bestimmter Materialien nutzen, werden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. Sie finden u. a. in der Lüftungs-, Heizungs- und Klimatechnik zur Messung der Temperatur strömender Fluide Verwendung. Bei bekannten Wi­ derstands-Temperatursensoren ist das temperaturempfindliche Widerstandselement üblicherweise auf einem Substrat aus iso­ lierendem Material angeordnet, das von einer Schutzhülse umgeben ist. Es ist darüber hinaus bekannt, innerhalb der Schutzhülse eine Wärmeleitpaste für die thermische Ankopp­ lung des Sensorelements an die Schutzhülse vorzusehen. Zur Messung der Wassertemperatur in Rohrleitungen wird ein der­ artiger Temperatursensor beispielsweise in das offene Ende eines einseitig geschlossenen Tauchrohrs eingesteckt, das in eine Rohrleitung eingeschweißt ist und vom Wasser umspült wird. Ein Nachteil dieser Temperatursensoren besteht aller­ dings darin, daß im eingebauten Zustand des Sensors ein Luftspalt zwischen der Schutzhülse und dem Tauchrohr be­ steht, durch den ein optimaler Wärmeübergang zwischen der Meßstelle und dem Sensorelement verhindert und damit das Ansprechverhalten des Temperatursensors beeinträchtigt wird. Außerdem erfordert die durch eine Wärmeleitpaste hergestell­ te Verbindung zwischen Widerstandselement und Schutzhülse einen relativ hohen Fertigungs- und Montageaufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen ein­ fach aufgebauten Temperatursensor zu schaffen, der ein ver­ bessertes Ansprechverhalten aufweist und eine vereinfachte Montage bzw. Demontage ermöglicht. Außerdem soll ein Verfah­ ren zur Herstellung eines solchen Temperatursensors geschaf­ fen werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Temperatursensor der bekannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmeleitelement ein stabiles Trägerelement aus einem Material mit guter Wär­ meleitfähigkeit ist, das eine Anlagefläche zur thermischen Ankopplung an der Meßstelle aufweist.

Durch das erfindungsgemäße Wärmeleitelement ist ein verbes­ serter Wärmeübergang zwischen der Meßstelle und dem Wider­ standselement erreichbar. Die Anlagefläche kann z. B. an die entsprechende Innen- oder Außenkontur eines zu messenden Gegenstandes oder Bereiches angepaßt sein, wodurch eine aus­ gezeichnete thermische Anbindung des Temperatursensors an der Meßstelle und damit eine Verkürzung der Ansprechzeit ermöglicht wird.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist das Sensorelement ein temperaturabhängiger Meßwiderstand, der auf einer auf dem Trägerelement aufgebrachten Isolations­ schicht angeordnet ist. Das Sensorelement kann allerdings auch als Thermoelement ausgebildet sein.

Zum Schutz des Sensorelementes kann dieses in vorteilhafter Weise mit einer abschließenden Deckschicht aus z. B. Glas, Email oder Kunststoff überzogen werden.

Bei einem einfach aufgebauten und kostengünstigen Tempera­ tursensor zum Einbau in eine rohrförmige Aufnahme, wie z. B. ein Tauchrohr, kann das Trägerelement als Metallstanzteil ausgeführt sein, das entsprechend der Innenwandung des Tauchrohrs gebogen ist. Für einen an der Außenseite einer Rohrleitung anzubringenden Sensor kann das Trägerelement eine an den Rohrdurchmesser angepaßte nach innen gewölbte Anlagefläche aufweisen. Durch einen derartigen Sensor kann z. B. die Wassertemperatur in einem Heizungsrohr erfaßt werden.

Der Wärmeübergang zwischen der Meßstelle und dem Temperatur­ sensor läßt sich in vorteilhafter Weise noch dadurch verbes­ sern, daß an dem Trägerelement ein Spannelement zum Anpres­ sen der Anlagefläche an die Meßstelle angeordnet ist. Ein besonders einfaches und zweckmäßiges Spannelement für einen Einsatzsensor kann aus einer Metallasche bestehen, die an einer Seite des wärmeleitenden Trägerelements angeformt und zu einem Federbügel umgebogen ist. Dies ermöglicht nicht nur eine sichere Anpressung des wärmeleitenden Trägerelements an die Innenwandung des Einsatzrohrs, sondern auch eine einfa­ che Montage und Demontage. Bei einem zur Montage an der Außenseite eines Wasserrohrs ausgebildeten Temperatursensor kann das Spannelement z. B. ein Spannband in Art einer Schlauchklemme sein, durch die das wärmeleitende Trägerele­ ment an die Außenwand der Rohrleitung angepreßt wird.

Die elektrischen Anschlüsse sind in vorteilhafter Weise an einem Anschlußteil angeordnet, das einteilig mit dem Trä­ gerelement ausgebildet sein kann. Zum Anschluß eines Ko­ axialkabels sind an dem Anschlußteil zweckmäßigerweise seit­ liche Haltelaschen angeformt, durch die entsprechend zuge­ schnittene Teile des Kabels mit Hilfe beispielsweise eines Crimpwerkzeuges an dem Anschlußteil des Trägerelements fi­ xiert werden können. Das Anschlußteil kann allerdings auch derart ausgebildet sein, daß ein lösbarer Steckanschluß an­ gebracht werden kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Temperatursensors wird zunächst ein Trägerelement aus einem Material mit einer guten Wärmeleit­ fähigkeit hergestellt. Hierfür sind z. B. Metalle mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit geeignet. Anschließend wird auf das Trägerelement eine Isolationsschicht aus beispielsweise Glas, Keramik, Kunststoff o. ä. aufgebracht. Auf die Isola­ tionsschicht werden die Kontaktflächen für die elektrischen Anschlüsse und mindestens eine Leiterbahn in Dickschicht- und/oder Dünnschichttechnik aufgebracht. Die Leiterbahn und die Kontaktflächen können z. B. in Form von Pasten auf der Basis der Metalle Nickel, Kupfer, Platin oder Gold sowie Legierungen zwischen Gold und Platin oder Palladium aufge­ bracht werden. Zum Schutz gegen äußere Einflüsse kann zumin­ dest die Leiterbahn mit einer abschließenden Schutzschicht aus Isoliermaterial versehen bzw abgedeckt werden.

Je nach Einsatzgebiet kann das Trägerelement zur Anpassung an eine Meßstelle umgeformt werden.

Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh­ rungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Tempera­ tursensors in einer Fertigungsstufe vor der Fertig­ stellung;

Fig. 2 den schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen Temperatursensors;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Temperatursensors von Fig. 1 im fertiggestellten Zustand;

Fig. 4 eine Vorderansicht des in Fig. 3 gezeigten Tempe­ ratursensors von rechts;

Fig. 5a bis 5e eine zweite Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Temperatursensors in unterschiedlichen Fertigungsstufen; und

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensors.

Ein in den Fig. 1 bis 4 dargestellter Temperatursensor für den Einsatz in einem nicht gezeigten Tauchrohr enthält als Trägerelement eine als Metallstanzteil ausgebildete Träger­ platte 1 mit einem schmaleren Laschenteil 2, einem breiteren Mittelteil 3 und einem dem Laschenteil 2 entgegengesetzten schmaleren Anschlußteil 4, an dem seitlich gegenüberliegende Haltelaschen 5, 6 und 7 angeformt sind.

Wie besonders aus Fig. 2 hervorgeht, enthält die Trägerplat­ te 1 eine untere Anlagefläche 8 und eine obere Fläche 9, auf der eine Isolationsschicht 10 aus z. B. Glas, Email oder Kunststoff aufgebracht ist. Auf der Isolationsschicht 10 ist im Mittelteil 2 des Trägerelements 1 eine mäanderförmig ver­ laufende Leiterbahn 11 aus einem Material mit temperaturab­ hängigen Widerstand angeordnet, die von einer abschließenden Schutzschicht 12 aus Isoliermaterial abgedeckt wird. Die Schutzschicht 12 kann ebenfalls aus z. B. Glas, Email oder Kunststoff bestehen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist das eine Ende der Leiterbahn 11 mit einer ersten Kontaktfläche 13 verbunden, die zwischen den beiden Haltelaschen 5 angeordnet ist. Das andere Ende der Leiterbahn 11 steht mit einer zweiten Kontakt fläche 14 in Verbindung, die sich zwischen den beiden Haltelaschen 6 befindet. Die beiden Kontaktflächen 13 und 14 bilden elek­ trische Anschlüsse für ein Koaxialkabel 15, das an den Tem­ peratursensor angeschlossen werden kann.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, wird der Mittelteil 3 des Trägerelements 1 derart gebogen, daß seine Anlagefläche 8 zur formschlüssigen Anlage an einer Innenwand des Tauchrohrs ausgebildet ist. Die Lasche 2 des Trägerelements 1 ist zu einem Federbügel mit abgerundetem Ende umgebogen. Damit kann die Anlagefläche 8 des Trägerelements 1 an die Innenwand eines nicht dargestellten Tauchrohrs angepreßt werden.

Die Kontaktflächen 13 und 14 sind derart angeordnet, daß ein Mittelleiter 16 und ein Außenleiter 17 des entsprechend zu­ geschnittenen bzw. abisolierten Koaxialkabels 15 auf diesen zur Anlage gelangen können. Die Befestigung und der Kontakt­ druck erfolgt durch einen Crimpvorgang, mit dem die Laschen 5 und 6 zur Befestigung des Mittelleiters 16 und des Außen­ leiters 17 auf den Kontaktflächen 13 bzw. 14 umgebogen wer­ den. Durch die am äußeren Ende des Anschlußteils 4 angeord­ neten Haltelaschen 7 wird der Isoliermantel des Koaxial­ kabels 15 zur Zugentlastung festgeklemmt.

In den Fig. 5a bis 5e ist der Ablauf zur Herstellung eines zur Befestigung an der Außenseite eines Rohres geeigneten Temperatursensors gezeigt. Bei diesem Temperatursensor ent­ hält das Trägerelement eine ebenfalls als Metallstanzteil ausgeführte Trägerplatte 18. Diese weist einen vorderen Bereich 19 und zwei beabstandete parallele Stege 20 und 21 auf, an deren hinteren Enden jeweils gegenüberliegende seitliche Laschen 22 bzw. 23 und eine dazwischenliegende Bohrung 24 und 25 vorgesehen sind. Wie bei dem ersten Aus­ führungsbeispiel wird auf der Trägerplatte 18 eine Isola­ tionsschicht 26 aufgebracht. Im vorderen Bereich 19 des Trägerplatte 18 wird auf die Isolationsschicht 26 eine mäan­ derförmige Leiterbahn 27 aus einem Material mit tempera­ turabhängigen Widerstand aufgebracht. Das eine Ende der Lei­ terbahn 27 steht mit einer Kontaktfläche 28 im Bereich der Bohrung 24 und das andere Ende mit einer Kontaktfläche 29 im Bereich der Bohrung 25 in Verbindung. Die beiden Laschen 22 und 23 an den jeweiligen Stegen 20 und 21 werden gemäß Fig. 5b um 90° nach oben gebogen.

Wie in Fig. 5c gezeigt, werden die beiden Stege 20 und 21 anschließend an dem Übergang zum vorderen Bereich 19 recht­ winklig zu diesem umgebogen. Außerdem werden die Stege 20 und 21 am Übergang zu den Laschen 22 und 23 um 90° parallel zum vorderen Bereich 19 umgebogen. In einem nächsten Schritt wird die so umgeformte Trägerplatte 18 auf einem in Fig. 5e gezeigten Unterteil 30 befestigt, das eine nach innen ge­ wölbte Anlagefläche 31 aufweist.

Die Trägerplatte 18 wird zum Schutz der Leiterbahn 27 gemäß Fig. 5d mit Kunststoff umspritzt, wobei an der Oberseite eine Stufe 32 und ein beabstandeter Quersteg 33 ausgeformt werden. Zwischen der Stufe 32 und dem Quersteg 33 wird eine Führungsnut 34 begrenzt, in der ein Spannband oder eine Spannfeder zum Anpressen des Temperatursensors an eine Meß­ stelle geführt werden kann.

Der in Fig. 6 dargestellte Temperatursensor weist einen ähn­ lichen Aufbau wie die beiden vorhergehenden Ausführungsfor­ men auf. Allerdings ist bei diesem Temperatursensor ein An­ schlußteil 35 zur Aufnahme eines Steckverbinders 36 vorge­ sehen. Der Anschlußteil 35 besteht aus einem von der Träger­ platte 18 um 90° umgebogenen Abschnitt 37, der eine senk­ rechte Führungsnut 38 und zwei danebenliegende Anschlußkon­ takte 39 und 40 enthält, die mit den beiden Enden eines Lei­ terelements 27 verbunden sind. Der Steckverbinder 36 enthält einen seitlichen Schlitz 41 zum Aufstecken auf den Abschnitt 37 und zwei durchgehende Aufnahmebohrungen 42 und 43 mit Halteschrauben 44, 45 zur Befestigung eines Anschlußkabels. Im Inneren des Schlitzes 41 ist eine nicht gezeigte Nase vorgesehen, die derart angeordnet ist, daß die in den Auf­ nahmebohrungen angeordneten Leiter beim Aufstecken des Steckverbinders 36 auf den Abschnitt 37 in elektrischen Kontakt mit den Anschlußkontakten 39 und 40 gelangen.

Sämtliche beschriebenen Sensoren sind an eine übliche Meß- oder Auswerteelektronik anschließbar, die den Widerstand der Leiterbahnen mißt und in entsprechende Temperatursignale umwandelt.

Claims (12)

1. Temperatursensor mit
einem temperaturempfindlichen Sensorelement (11; 27), elektrischen Anschlüssen (13, 14; 28, 29) für das Sen­ sorelement (11; 27),
einem Wärmeleitelement für den Wärmetransport zwischen einer Meßstelle und dem Sensorelement (11; 27),
dadurch gekennzeichnet,
daß das Wärmeleitelement ein stabiles Trägerelement (1; 18, 30) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähig­ keit ist, das eine Anlagefläche (8; 31) zur thermischen Ankopplung an der Meßstelle aufweist.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorelement ein temperaturabhängiger Meß­ widerstand (11; 27) ist, der auf einer auf dem Trägerele­ ment (1; 18, 30) aufgebrachten Isolationsschicht (10; 26) angeordnet ist.

3. Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorelement (11; 27) durch eine Schutzschicht (12) abgedeckt ist.

4. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerelement eine Metall­ platte (1) mit einer gebogenen Anlagefläche (8) ist.

5. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerelement eine Metall­ platte (18) und ein mit dieser verbundenes Unterteil (30) mit einer nach innen gewölbten Anlagefläche (31) umfaßt.

6. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnete daß an dem Trägerelement (1) ein Spannelement (2) zum Anpressen der Anlagefläche (8) an die Meßstelle angeordnet ist.

7. Temperatursensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Spannelement eine Metallasche (2) ist, die an dem Trägerelement (1) angeformt und zu einem Feder­ bügel umgebogen ist.

8. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1; 18) ein Anschlußteil (4; 35) zur Aufnahme der elektrischen An­ schlüsse (13, 14; 28, 29) enthält.

9. Temperatursensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß an dem Anschlußteil (4) seitliche Haltelaschen (5, 6, 7) zur Fixierung eines Anschlußkabels (15) ange­ formt sind.

10. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (35) zur Aufnahme eines Steckanschlusses (36) ausgebildet ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Trägerelement ( 1; 18, 30) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt wird,
daß auf das Trägerelement (1; 18, 30) eine Isolations­ schicht (10; 26) aufgebracht wird,
daß auf die Isolationsschicht (10; 26) mindestens eine Leiterbahn (11; 27) und die Kontaktflächen (13, 14; 28, 29) für elektrische Anschlüsse aufgebracht werden, und
daß zumindest die Leiterbahn (11; 27) mit einer Schutz­ schicht (12) überzogen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1; 18, 30) zur Anpassung an die Meß­ stelle umgeformt wird.