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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperatursensoreinheit, die mit Harnstoffsensoren verwendet werden kann und offenbart ein Verfahren zum Aufbau einer solchen Temperatursensoreinheit. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Harnstoffsensor und ein Verfahren zu dessen Aufbau.
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SCR-Reduktionssysteme (Selective Catalytic Reduction, selektive katalytische Reduktion) wurden zur Reinigung von schädlichen NOx-Komponenten in den Abgasen von Dieselfahrzeugen eingesetzt. Die SCR-Systeme verwenden Harnstofflösung, die als AdBlue (im Englischen: Diesel Exhaust Fluid (DEF)) bezeichnet wird, zur Reinigung der Abgase. Die Harnstofflösung wird in einem Harnstofftank gelagert, der an den Fahrzeugen vorgesehen ist. Es ist wichtig, eine angemessene Zusammensetzung und Konzentration der Harnstofflösung im Tank sicherzustellen, um eine effiziente Reinigung der Abgase zu erreichen. Harnstoffsensoren werden daher in den Harnstofftanks zur Messung des Füllstands und/oder der Konzentration und/oder Temperatur der Harnstofflösung im Tank eingesetzt.
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Ein Harnstoffsensor ist mit einem Füllstandmessmittel versehen. Zusätzlich sind ein Konzentrations- und/oder Qualitätsmessmittel, ein Temperaturmessmittel, ein Saugrohr und ein Rücklaufrohr vorgesehen. Das Saugrohr saugt Harnstofflösung aus dem Harnstofftank an und sorgt für den Abbau des NOx im Abgas und das Rücklaufrohr zirkuliert eine überschüssige Menge an Harnstofflösung zurück in den Harnstofftank.
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Eine genaue Temperaturmessung ist erforderlich, da der Temperaturwert zur Berechnung der Konzentration von AdBlue benötigt wird, z.B. basierend auf der Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit. Um eine hohe Genauigkeit der Konzentrationsmessung zu erreichen, muss die Temperatur in der Flüssigkeit genau bekannt sein. Da die Harnstofflösung einen Gefrierpunkt von -11 °C hat, besteht zudem die Gefahr, dass die Harnstofflösung bei einer Temperatur unter -11 °C gefriert. Gefrorene Harnstofflösung kann zu Problemen und Schwierigkeiten beim effizienten Abbau von NOx führen. Dies liegt an der hohen Volumenausdehnung der Harnstofflösung durch Gefrieren, die dazu führen kann, dass im Inneren des Saugrohres ein zu hoher Druck erzeugt wird. Daher ist es wichtig, die Temperatur der Harnstofflösung im Tank genau zu überwachen.
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Vorhandene Temperatursensoren sind in unmittelbarer Nähe eines Heizelementes angeordnet oder befinden sich auf der gleichen Leiterplatte (PCB) wie der Rest der elektronischen Komponenten. Durch die Erwärmung dieser elektronischen Komponenten wird der Temperatursensor beeinflusst und seine Genauigkeit reduziert. Zudem weisen bestehende Montagekonzepte von Temperatursensoren oft eine unbefriedigende thermische Kopplung zwischen dem Fluid und dem Temperatursensor durch das Vergussmaterial auf, das die Leiterplatte mit dem Temperatursensor bedeckt. Andererseits sind Temperatursensoreinheiten, die als separate Komponenten bereitgestellt werden und z.B. über eine Steckverbindung mit der Leiterplatte verbunden sind, teuer und erfordern zusätzliche Montageschritte bei dem Aufbau der Temperatursensoreinheit.
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Es besteht nach wie vor Bedarf an einer Temperatursensoranordnung, die hochgenaue Messergebnisse liefert, wirtschaftlich hergestellt werden kann und gleichzeitig auch in anspruchsvollen Anwendungsumgebungen robust ist.
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Dieses Problem wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass mindestens ein Temperatursensor einer Temperatursensoreinheit auf einem gemeinsamen Substrat mit anderen elektronischen Komponenten angeordnet ist, jedoch in einem Bereich, der sich von dem übrigen Substrat weg erstreckt. Mit anderen Worten, der Temperatursensor ist so angeordnet, dass er eine Art Turm bildet, der aus dem Rest der Platine (PCBA) vorsteht. Folglich umfasst eine Temperatursensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens einen Temperatursensor und ein Substrat, das mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich umfasst. Der mindestens eine Temperatursensor ist im zweiten Bereich angeordnet und der zweite Bereich erstreckt sich vom ersten Bereich weg, beispielsweise in eine Richtung quer zu dem ersten Bereich. Die durch den zweiten Bereich definierte Ebene und die durch den ersten Bereich definierte Ebene können einen Winkel beinhalten, der anders als 0° ist, vorzugsweise einen Winkel zwischen etwa 80° und 100°, insbesondere etwa 90°. Es ist jedoch auch ein Winkel von 0° möglich. Der Winkel kann entsprechend dem jeweiligen Platzbedarf beliebig gewählt werden. Der vorstehende zweite Bereich, der den mindestens einen Temperatursensor trägt, wird im Folgenden auch als „Turm“ bezeichnet.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass einerseits die Erwärmung durch elektronische Komponenten, die im ersten Bereich der Leiterplatte (dieser Bereich kann auch als Hauptbereich bezeichnet werden) montiert sind, die Temperaturmessung nicht stört. Dadurch ist eine genauere Überwachung der Temperatur der Flüssigkeit möglich. Andererseits können die Temperatursensoren in einen direkteren Kontakt mit der Flüssigkeit gebracht werden, wodurch sich wesentlich schnellere Ansprechzeiten und eine weiter verbesserte Genauigkeit ergeben.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der erste Bereich und der zweite Bereich durch einen Verbindungsabschnitt, der eine flexible Leiterplatte umfasst, elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Diese Lösung hat den Vorteil, dass kein umständliches und teures Fügen und Löten erforderlich ist und dass der elektrische Kontakt auch unter den schwierigen Bedingungen in Automobilanwendungen stabil und robust ist. Wie allgemein bekannt ist, werden flexible Leiterplatten auch als flexible Druckschaltungen (flexible printed circuitry, FPC), Flexschaltungen oder flexible PCBs bezeichnet.
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Flexible Leiterplatten wurden ursprünglich als Ersatz für herkömmliche Kabelbäume konzipiert. Eine flexible Schaltung in ihrer reinsten Form ist eine große Anzahl von Leiterbahnen, die mit einem dünnen dielektrischen Film verbunden sind. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass eine flexible Leiterplatte einen biegsamen Träger für elektrisch leitfähige Leitungen und optional auch für aktive und passive elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Sensoren und komplexere monolithische Komponenten bezeichnet.
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Insbesondere kann das Substrat eine starrflexible Leiterplatte umfassen, wobei der zweite Bereich auf einem starren Abschnitt der starrflexiblen Leiterplatte angeordnet ist. Dadurch kann das komplette Substrat einschließlich des ersten und zweiten Bereichs zweidimensional hergestellt werden und der zweite Bereich kann nur bei der Montage des Substrats in einem Schutzgehäuse in die dritte Dimension gebracht werden. Dadurch kann die Fertigung erheblich erleichtert werden.
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Wie allgemein bekannt ist, besteht die Schaltung bei den meisten starrflexiblen Leiterplatten aus mehreren flexiblen Schaltungsinnenschichten, die selektiv mit Hilfe einer Epoxid-Prepreg-Bondfolie, ähnlich einer mehrschichtigen flexiblen Schaltung, miteinander verbunden sind. Eine mehrschichtige starrflexible Schaltung beinhaltet jedoch eine starre Platine extern, intern oder beides, je nach Bedarf, um das Design zu verwirklichen. Starrflexible Schaltungen kombinieren das Beste aus starren Leiterplatten und flexiblen Schaltungen, die in einer Schaltung integriert sind. Die Zwei-in-Eins-Schaltung ist beispielsweise durch plattierte Durchgangslöcher, sogenannte Vias, miteinander verbunden. Starrflexible Schaltungen bieten eine höhere Bauteildichte und eine bessere Qualitätskontrolle. Die Designs sind starr, wenn zusätzliche Unterstützung und zusätzlicher Platz flexibel um Ecken und Bereiche herum erforderlich ist.
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Alternativ kann das Substrat nach der vorliegenden Erfindung auch als so genanntes MID-Bauteil realisiert werden. MID ist die Abkürzung für den Begriff „molded interconnect device“ (spritzgegossener Schaltungsträger) und umfasst dreidimensionale Schaltungsträger, die aus einem modifizierten Polymermaterial im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Diese Modifikation kann die Laseraktivierung von Leiterbahnen auf der Oberfläche des Schaltungsträgers ermöglichen, wo die aktivierten Bereiche in einem chemischen Metallisierungsbad metallisiert werden, um Leiterbahnen zu bilden, die sich somit in die dritte Dimension erstrecken. Neben den Laser-Direktstrukturierungsverfahren (additiv und subtraktiv) kann auch ein Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren, Heißprägen und Umspritzen zur Herstellung eines dreidimensionalen Substrats verwendet werden, das nach der vorliegenden Erfindung für eine Temperatursensoreinheit verwendet werden kann.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind im zweiten Bereich mindestens ein erster Temperatursensor und mindestens ein zweiter Temperatursensor vorgesehen, um ein temperaturabhängiges Differenzsignal zu erzeugen. Eine solche Differenzmessung eliminiert den Einfluss von Gleichtaktstörungen auf die Messergebnisse. Darüber hinaus können auch zwei (oder mehr) Temperatursensoren für die Redundanz vorgesehen werden, so dass bei Ausfall eines Sensors trotzdem eine Temperaturmessung durchgeführt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist der erste Temperatursensor in dem zweiten Bereich angeordnet, der von dem ersten Bereich weiter entfernt ist, als der zweite Temperatursensor von dem ersten Bereich entfernt ist. Dabei sind die beiden Temperatursensoren fortlaufend entlang einer Längsachse des zweiten Bereichs angeordnet, was den Platzbedarf gering hält.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Temperatursensoreinheit mindestens einen weiteren Temperatursensor, der im ersten Bereich des Substrats angeordnet ist. Dieser weitere Temperatursensor kann als Referenztemperatursensor fungieren, der die Temperatur der Hauptplatine misst. Durch die Auswertung der Temperatur auf der Leiterplatte im Vergleich zur Temperatur im Turm ist die Temperatursensoreinheit in der Lage, die Temperaturänderungen im Fluid genauer zu erfassen. Da der Referenzsensor zur Korrektur der Messtemperatur im Inneren des Turms verwendet werden kann, kann das Temperaturverhalten des Systems deutlich verbessert werden. Dies ist besonders wichtig während der Auftaubedingungen, wenn sich die Temperatur der Flüssigkeit schnell ändern kann.
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Darüber hinaus kann die Temperatursensoreinheit betrieben werden, um eine Außentemperatur vorherzusagen, indem sie ein erstes Temperatursignal, das von dem mindestens einen Temperatursensor erzeugt wird, der in dem zweiten Bereich angeordnet ist, mit einem zweiten Temperatursignal kombiniert, das von dem mindestens einen dritten Temperatursensor erzeugt wird, der in dem ersten Bereich angeordnet ist. So kann beispielsweise ein geeignetes Modell, das die Außentemperatur mit den Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Bereichen korreliert, für die Verarbeitung des ersten und zweiten Temperatursignals verwendet werden.
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Eine besonders effektive thermische Kopplung des Temperatursensors an die Flüssigkeit kann erreicht werden, wenn der zweite Bereich zumindest teilweise in einem separaten Temperaturmessgehäuse eingeschlossen ist, das aus einer Modulabdeckung hervorsteht, die den ersten Bereich des Substrats bedeckt. Es konnte gezeigt werden, dass in einem solchen „Turm“ die vom Sensor gemessene Temperatur innerhalb von 1,5 Minuten die tatsächliche Temperatur der Flüssigkeit innerhalb von ±1°C erreicht, während ein Temperatursensor auf der Leiterplattenbestückung (PCBA) über 10 Minuten benötigt, um die gleiche Temperatur zu erreichen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Harnstoffsensormodul zum Einbau in einen Harnstofftank, wobei das Harnstoffsensormodul eine Temperaturmesseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Durch eine genaue Überwachung der Harnstofflösung hat das Harnstoffsensormodul nach der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass im Falle eines Gefrierens geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, z.B. Erwärmung der Flüssigkeit und/oder Spülung der Zuleitung (und auch der Pumpe, des Filters usw. und aller über dieser Leitung befindlichen Komponenten), um Schäden nach einer Eisbildung zu vermeiden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Harnstoffsensormodul an einer Öffnung des Harnstofftanks so zu montieren, dass sich ein Sensorteil bis ins Innere des Harnstofftanks erstreckt, und wobei die Temperaturmesseinheit am Sensorteil angeordnet ist. Mit anderen Worten, der Sensorteil mit der Temperatursensoreinheit befindet sich nicht auf einer nahe der Öffnung angeordneten Grundplatte, sondern ist an einem distalen Ende des Harnstoffsensormoduls so angeordnet, dass es weiter in den Tank hineinreicht. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur im Inneren des Tanks wesentlich zuverlässiger überwacht werden kann und somit die Sicherheit des gesamten SCR-Systems erhöht wird.
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Vorteilhafterweise umfasst der Sensorteil mindestens einen von einem Füllstandsensor und einem Flüssigkeitsqualitätssensor, die im ersten Bereich des Substrats angeordnet sind, während der mindestens eine Temperatursensor der Temperatursensoreinheit in einem zweiten Bereich des Substrats angeordnet ist, der sich von der Hauptplatine weg erstreckt.
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Diese Anordnung hat den Vorteil, dass Störungen der Temperaturüberwachung durch die auf der Hauptplatine montierten Komponenten gering gehalten werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist für ein selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR) zur Reinigung schädlicher NOx-Komponenten in den Abgasen von Dieselfahrzeugen geeignet, wobei das System einen Harnstofftank und einen Harnstoffsensor zum Einbau in den Harnstofftank zum Messen einer oder mehrerer Eigenschaften der Harnstofflösung im Tank und eine Temperatursensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Darüber hinaus kann die Temperatursensoreinheit gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren montiert werden, das die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Substrats, das mindestens einen ersten Bereich und mindestens einen zweiten Bereich umfasst;
- Montieren mindestens eines ersten Temperatursensors und mindestens eines zweiten Temperatursensors im zweiten Bereich des Substrats;
- wobei sich der zweite Bereich in einer Richtung quer zum ersten Bereich erstreckt.
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Insbesondere können der erste Bereich und der zweite Bereich elektrisch und mechanisch durch einen Verbindungsabschnitt verbunden sein, der eine flexible Leiterplatte umfasst, wobei das Verfahren den Schritt des Biegens des zweiten Bereichs in einer Position umfasst, in der er sich bis zum ersten Bereich erstreckt. Dabei kann das Substrat zunächst mittels eines üblichen zweidimensionalen Pick-and-Place-Verfahrens vollständig mit den elektronischen Komponenten bestückt werden, z.B. mit SMT-Bauteilen (Surface Mount Technology), die mit dem Substrat im Reflow-Verfahren verlötet werden. Erst dann wird das Substrat so gebogen, dass der zweite Bereich quer zu der von der Hauptplatine definierten Ebene angeordnet ist.
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Um schnelle Ansprechzeiten und eine hohe Genauigkeit der Temperatursensoreinheit zu ermöglichen, umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Umschließens des zweiten Bereichs zumindest teilweise in einem separaten Temperatursensorgehäuse, das aus einer Modulabdeckung hervorsteht, die den ersten Bereich des Substrats bedeckt.
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Eine besonders einfache und genaue Art und Weise, den zweiten Bereich in dem turmförmigen separaten Gehäuse zu umschließen, kann durch Bereitstellen einer Aussparung innerhalb des Temperatursensorgehäuses erreicht werden, wobei der zweite Bereich in diese Aussparung eingeführt wird, die innerhalb des Temperatursensorgehäuses ausgebildet ist. Die Anordnung kann mechanisch fixiert werden, z.B. durch Einfüllen von Vergussmaterial, das die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Bereich des Substrats abdeckt.
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Um eine Referenzmessung in der Nähe der Hauptplatine zu ermöglichen, wird ein dritter (Referenz-)Temperatursensor in dem ersten Bereich des Substrats montiert. Dieser Schritt kann im Wesentlichen gleichzeitig mit der Montage mindestens eines Temperatursensors im zweiten Bereich durchgeführt werden.
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Schließlich kann ein Verfahren zum Aufbau eines Harnstoff-Sensormoduls zum Einbau in einen Harnstofftank den Aufbau einer Temperaturmesseinheit umfassen, der die Schritte gemäß dem vorstehend erläuterten Verfahren durchführt, wobei das Harnstoff-Sensormodul an einer Öffnung des Harnstofftanks so zu montieren ist, dass sich ein Sensorteil bis zu einer Innenseite des Harnstofftanks erstreckt, und wobei die Temperatursensoreinheit am Sensorteil angeordnet ist.
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Die beigefügten Zeichnungen sind in die Beschreibung integriert und bilden einen Teil der Beschreibung, um mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen. Diese Zeichnungen dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erklären. Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung der bevorzugten und alternativen Beispiele, wie die Erfindung hergestellt und verwendet werden kann, und sind nicht so auszulegen, dass sie die Erfindung auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränken. Darüber hinaus können mehrere Aspekte der Ausführungsbeispiele - einzeln oder in verschiedenen Kombinationen - Lösungen gemäß der vorliegenden Erfindung bilden. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele können daher entweder einzeln oder in einer beliebigen Kombination betrachtet werden. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, und worin:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Harnstoffsensormoduls ist;
- 2 eine schematische Darstellung eines Harnstofftanks mit einem darin eingebauten Harnstoffsensormodul ist;
- 3 eine schematische Schnittansicht eines elektronischen Moduls, das eine Temperatursensoreinheit umfasst, ist;
- 4 ein Layout eines Substrats des Elektronikmoduls ist;
- 5 eine schematische perspektivische Ansicht des Elektronikmoduls ist;
- 6 ein schematisches Beispiel für das Temperaturverhalten des Temperaturfühlers gemäß der Erfindung ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der Figuren und zunächst mit Bezug auf 1 näher erläutert.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Harnstoffsensormoduls 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Harnstoffsensormodul 100 weist eine Grundplatte 102 auf, die in einer Öffnung eines Harnstofftanks zu montieren ist, der zu einem selektiven katalytischen Reduktionssystem (SCR) gehört. Für den Transport der Harnstofflösung sind ein Harnstoffsaugrohr 104 und ein Harnstoffrücklaufrohr 106 vorgesehen. Für das Aufheizen der Harnstofflösung ist eine Heizleitung 108 vorgesehen.
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Am distalen Ende des Harnstoff-Sensormoduls 100, das der Grundplatte 102 gegenüberliegt, ist ein Sensorteil 110 angeordnet. Der Sensorteil gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Temperaturmesseinheit nach den Grundlagen der vorliegenden Erfindung, aber auch einen Harnstofflösungsqualitätssensor, beispielsweise nach dem Ultraschallprinzip, und eine elektronische Steuereinheit (ECU) zum Antreiben und Auswerten der Sensorkomponenten.
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2 veranschaulicht schematisch die Montage des Harnstoffsensormoduls 100 in einem Harnstofftank 112. Nach der vorliegenden Erfindung befindet sich der Sensorteil 110 abseits einer Öffnung 114, die innerhalb des Harnstofftanks 112 zum Einsetzen des Harnstoffsensormoduls 100 vorgesehen ist. Somit sind alle Sensoren dicht am Boden 116 des Harnstofftanks 112 angeordnet, was für die Genauigkeit der Temperaturmessung sowie der Qualitätsmessungen von Vorteil ist.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht des in 2 dargestellten Sensorteils 110. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Sensorteil 110 ein Substrat 118 auf, das einen ersten Bereich 120 und den zweiten Bereich 122 aufweist. Der zweite Bereich 122 erstreckt sich in einer Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zu der durch den ersten Bereich 120 definierten Ebene verläuft, wie dies durch die Achse 124 angezeigt wird. Für den Fachmann ist jedoch klar, dass auch jeder andere Winkel anders als 0° (vorzugsweise zwischen 80° und 100°) bevorzugt verwendet werden kann.
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Die elektrische Verschaltung zwischen dem ersten Bereich 120 und dem zweiten Bereich 122 wird durch Bereitstellen eines flexiblen Verschaltungsbereichs 132 hergestellt. Vorzugsweise wird das komplette Substrat 118 durch ein starrflexibles Substrat gebildet, wobei der erste Bereich 120 und der zweite Bereich 122 starre Leiterplatten umfassen, während der Verschaltungsbereich 132 durch eine flexible Leiterplatte gebildet wird. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass das komplette Substrat mit elektronischen Komponenten hergestellt und montiert werden kann, bevor der zweite Bereich 122 in seine Endposition gebogen wird.
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Im zweiten Bereich 122 sind ein erster Temperatursensor 126 und ein zweiter Temperatursensor 128 entlang der Achse 124 angeordnet. Es kann aber auch nur ein Temperatursensor oder mehr als zwei Temperatursensoren im zweiten Bereich 122 gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet sein. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden der erste und zweite Temperatursensor 126, 128 beispielsweise durch NTC-Sensoren gebildet. Diese Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten sind als integrierte SMT-Komponenten erhältlich und haben den Vorteil, dass sie genaue temperaturabhängige Signale liefern, robust und langzeitstabil sind. Es ist jedoch klar, dass auch jedes andere geeignete Temperaturfühlelement verwendet werden kann, wie z.B. ein Thermoelement oder dergleichen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der zweite Bereich 122, der den mindestens einen Temperatursensor 126, 128 trägt, in einem separaten Gehäuseelement 134 eingeschlossen, das aus der Hauptabdeckung 136 hervorsteht, die den ersten Bereich 120 mit den darauf angeordneten elektronischen Komponenten abdeckt. Der zweite Bereich 122 in seinem Gehäuseelement 134 bildet dabei eine Art „Turm“, der aus der Hauptabdeckung 136 des Sensorteils 110 hervorsteht.
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Wie in schematisch dargestellt (wobei zu beachten ist, dass die Zeichnung nicht maßstabsgetreu ist), ist das schützende Gehäuseelement 134 viel dünner als der Deckel 136, so dass das Fluid 138, in das der Mittelteil 110 eingetaucht ist, einen wesentlich direkteren thermischen Kontakt zu den Temperatursensoren 126, 128 hat.
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Zusätzlich kann im ersten Bereich 120 ein dritter Temperatursensor 130 vorgesehen werden, der einen Referenztemperatursensor bildet. Durch die Analyse der Temperatur am ersten Bereich 120, der eine Hauptplatine des Sensorteils 110 bildet, im Vergleich zur Temperatur in der Leistung, können Temperaturänderungen in den Flüssigkeiten 138 erfasst werden. Damit kann die gemessene Temperatur im Inneren des Turms korrigiert werden, um das Temperaturverhalten des Systems zu verbessern. Dies ist besonders wichtig bei Auftaubedingungen, wenn sich die Temperatur der Flüssigkeit schnell ändern kann. Der Referenztemperatursensor 130 kann auch ein NTC-Temperatursensor sein. Es ist jedoch klar, dass auch jedes andere geeignete Temperatursensorelement verwendet werden kann, wie z.B. ein Thermoelement oder dergleichen.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, verwenden bestehende SCR-Systeme Temperatursensoren nur auf der Hauptplatine, so dass die Eigenerwärmung der Hauptplatine die Temperaturmessung beeinflusst und die Genauigkeit des Systems reduziert. Darüber hinaus ist die thermische Kopplung der konventionellen Temperatursensoren an die Flüssigkeit aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse um die Leiterplatte ebenfalls gering. Die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt es jedoch, den auf der Leiterplatte vorgesehenen optionalen Temperatursensor 130 nur als Referenz zu verwenden und die Fluidtemperatur mittels mindestens eines Temperatursensors 126, 128 zu messen, der innerhalb des hervorstehenden Gehäuseteils 134 angeordnet ist.
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4 zeigt das Layout des Substrats 118 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäß diesem Beispiel, der erste Bereich 120 wird durch eine starre Leiterplatte gebildet, die eine Vielzahl von elektronischen Komponenten einschließlich einer Steuereinheit 140 trägt. Der zweite Bereich 122 ist ebenfalls durch eine starre Leiterplatte gebildet und trägt den ersten und zweiten Temperatursensor 126, 128. In der dargestellten Ausführungsform werden die Temperatursensoren 126, 128 durch NTC-Elemente gebildet. Der erste Bereich 120 und der zweite Bereich 122 sind über einen flexiblen Verschaltungsbereich 132 miteinander verbunden. Der Verschaltungsbereich 132 umfasst elektrisch leitfähige Leitungen zum Verbinden der Temperatursensoren 126, 128 mit der Steuereinheit 140.
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Weiterhin ist im ersten Bereich 120 ein Referenztemperatursensor 130 angeordnet, der zur Messung der Temperatur auf der Hauptplatine geeignet ist.
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Darüber hinaus kann der erste Bereich 120, der eine Hauptplatine bildet, auch über einen zweiten flexiblen Verschaltungsbereich 142 mit mindestens einem weiteren starren Substrat 144 verbunden sein. Vorteilhafterweise ist das gesamte Substrat 118, wie in dargestellt, als eine integrierte starrflexible Leiterplatte ausgebildet.
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5 veranschaulicht in einer schematischen perspektivischen Ansicht, wie das Substrat 118 innerhalb einer Schutzabdeckung 136 angeordnet ist. Ein vorstehendes Gehäuseelement 134 erstreckt sich von der Oberfläche der Hauptabdeckung 136 und enthält den zweiten Bereich 122 mit den Temperatursensoren 126, 128. Darüber hinaus trägt der erste Bereich 120 des Substrats mindestens einen Referenztemperatursensor 130 zum Messen der Temperatur in der Nähe der elektronischen Steuereinheit 140.
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Im Folgenden wird der Aufbau einer Temperatursensoreinheit 100 gemäß der vorliegenden Erfindung anhand der 3 bis 5 ausführlich erläutert, wobei in einem ersten Schritt ein Substrat 118, wie beispielsweise in 4 dargestellt, mit einem starren und flexiblen Bereich vorgesehen ist. Im ersten Bereich werden 120 elektronische Komponenten wie eine elektronische Steuereinheit 140 und ein optionaler Referenztemperatursensor 130 montiert.
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Im zweiten Bereich 122 befindet sich mindestens ein Temperatursensor 126, 128. Gemäß der vorliegenden Erfindung können alle elektronischen Komponenten in einem Pick-and-Place-Montageschritt montiert werden und werden durch einen nachfolgenden Reflow-Lötschritt elektrisch verbunden. Das Substrat 118 ist vorteilhaft flach, wie in dargestellt. Im nächsten Schritt wird ein Kupfer 136 mit einem vorstehenden Gehäuseelement 134 bereitgestellt und der zweite Bereich 122 in einer Richtung entlang der Achse 126 in eine Aussparung geschoben, die im Gehäuseelement 134 vorgesehen ist. Dies ist möglich, weil die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Bereich 120 und dem zweiten Bereich 122 durch einen flexiblen Verschaltungsbereich 132 gebildet wird. In einem letzten Schritt kann das Vergussmaterial um den ersten Bereich 122 und den flexiblen Verschaltungsbereich 132 gegossen werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine sichere und stabile elektrische Verbindung zwischen den Temperatursensoren 126, 128 und einer elektronischen Steuereinheit 140, während gleichzeitig der Herstellungsprozess besonders einfach und schnell ist. Andererseits können schnelle Ansprechzeiten und eine optimale thermische Kopplung des Temperatursensors 126, 128 an das Fluid 138 erreicht werden.
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Insgesamt kann ein Verfahren zum Aufbau einer Temperatursensoreinheit die folgenden Schritte umfassen:
- Bereitstellen eines Substrats 118, das mindestens einen ersten Bereich 120 und mindestens einen zweiten Bereich 122 umfasst;
- Montieren mindestens eines Temperatursensors 126, 128 im zweiten Bereich 122 des Substrats 118;
- wobei sich der zweite Bereich 122 in einer Richtung quer zum ersten Bereich 120 erstreckt.
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Darüber hinaus sind der erste Bereich 120 und der zweite Bereich 122 elektrisch und mechanisch durch einen Verschaltungsabschnitt 132 verbunden, der eine flexible Leiterplatte umfasst, und worin das Verfahren den Schritt des Biegens des zweiten Bereichs 122 in eine Position umfasst, in der er sich bis zum ersten Bereich 120 erstreckt.
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Das Verfahren kann den Schritt des Umschließens des zweiten Bereichs 122 zumindest teilweise in einem separaten Temperatursensorgehäuseelement 134 umfassen, das aus einer Hauptabdeckung 136 hervorsteht, die den ersten Bereich 120 des Substrats 118 bedeckt.
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Vorzugsweise wird der zweite Bereich 122 in eine Aussparung eingesetzt, die innerhalb des Temperatursensorgehäuseelements 134 ausgebildet ist.
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6 veranschaulicht das Temperaturansprechverhalten der Temperatursensoreinheit 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt die Kurve 600 (dargestellt als gestrichelte Linie) einen Temperaturschritt von 50°C im Fluid 138. Wie aus Kurve 601 ersichtlich ist, benötigt der Temperatursensor 130, der im ersten Bereich 120 unter der Hauptabdeckung 136 angeordnet ist, etwa 10 Minuten, um die volle Amplitude des Signals entsprechend dem Fluidtemperaturschritt zu erreichen. Im Gegensatz dazu zeigt das Differenzsignal des ersten Temperatursensors 126 und des zweiten Temperatursensors 128, wie in Kurve 602 dargestellt, bereits nach etwa 1,5 Minuten den Endwert des Temperatursignals an, das einem 50°C-Temperaturschritt im Fluid entspricht.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Gedanke, die Temperatursensoren in einem „Turm“ unterzubringen, die thermische Kopplung der Sensoren an die Flüssigkeit erhöht und gleichzeitig die Kopplung an die Leiterplatte reduziert. Dies hat zwei Auswirkungen. Erstens reagieren die Sensoren viel schneller auf Temperaturänderungen in der Flüssigkeit und zweitens werden sie weniger von der Eigenerwärmung der Hauptplatine beeinflusst. Zusätzlich sind die Temperatursensoren auf einem Bauteil der Platine montiert, das über ein integriertes flexibles Kabel mit der Hauptplatine verbunden ist. Diese Verbesserung erübrigt das manuelle Löten und vereinfacht den Herstellungsprozess erheblich, wodurch die Kosten reduziert werden. Darüber hinaus kann durch die räumliche Trennung der Temperaturmessungen, eine vom „Turm“ und eine von der Hauptplatine, die Erkennung von Temperaturänderungen in der Flüssigkeit verbessert und eine bessere Genauigkeit erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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| Bezugszeichen |
Beschreibung |
| 100 |
Harnstoffsensormodul |
| 102 |
Grundplatte |
| 104 |
Harnstoffsauqrohr |
| 106 |
Harnstoffrücklaufrohr |
| 108 |
Heizleitung |
| 110 |
Sensorteil |
| 112 |
Harnstofftank |
| 114 |
Öffnung |
| 116 |
Boden |
| 118 |
Substrat |
| 120 |
Erster Bereich |
| 122 |
Zweiter Bereich |
| 124 |
Achse |
| 126 |
Erster Temperatursensor |
| 128 |
Zweiter Temperatursensor |
| 130 |
Referenztemperatursensor |
| 132 |
Flexibler Verschaltungsbereich |
| 134 |
Gehäuseelement |
| 136 |
Hauptabdeckung |
| 138 |
Fluid |
| 140 |
Elektronische Steuereinheit (ECU) |
| 142 |
Zweiter flexibler Verschaltunqsbereich |
| 144 |
Weiteres starres Substrat |
