DE29716885U1 - Temperature sensor for measuring surface temperatures - Google Patents
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Description
Temperaturmeßtechnik Geraberg GmbHTemperature measurement technology Geraberg GmbH
Heydaer Straße 39 9 8 6 9 3 MartinrodaHeydaer Strasse 39 9 8 6 9 3 Martinroda
Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentemperaturen
15 Temperature sensor for measuring surface temperatures
15
Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentemperaturen,
bei dem in einem Gehäuse, an dem eine Anlagefläche zur Kopplung des Temperaturfühlers mit dem auszumessendem 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 Oberflächentemperatür
in Heizplatten, Heizkörpern und Rohrleitungen mit größerem Durchmesser
einsetzbar.The invention relates to a temperature sensor for measuring surface temperatures, in which an electronic temperature-sensitive sensor element is arranged in a housing to which a contact surface for coupling the temperature sensor with the medium to be measured is attached, which is connected to a connecting cable leading to the outside.
The temperature sensor can be used advantageously for measuring the surface temperature in heating plates, radiators and pipes with larger diameters.
Im Stand der Technik sind Temperaturfühler zur Messung der Oberflächentemperatur bekannt, die als Sensoren elektronische temperaturabhängige Bauelemente enthalten, beispielsweise Thermoelemente sowei Nickel- oder Platin-Meßwiderstände.Temperature sensors for measuring surface temperature are known in the state of the art. These sensors contain electronic temperature-dependent components, such as thermocouples and nickel or platinum measuring resistors.
Nach EP O 246 435 A2 ist eine Vorrichtung zum Messen einer Temperatur bekannt, die einen Widerstandsoberflächenfühler und einen widerstandsmeßwertverarbeitenden Verstärker beinhaltet. Der Meßfühler ist dabei im vorderen 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.According to EP O 246 435 A2, a device for measuring a temperature is known which contains a resistance surface sensor and an amplifier which processes the resistance measurement value. The sensor is arranged in the front end of a tube or a sleeve and the tube can be fastened to the surface to be measured, in particular by welding. The end of the tube facing away from the surface carries a housing for the electrical connection in which the amplifier is also installed.
Nach US 4.549.162 ist ebenfalls eine Oberflächentemperaturmeßanordnung bekannt, die sich durch geringe Wärmeabführung auszeichnet. Dies wird eine thermische Entkopplung bewirkt, die durch zwei voneinander getrennte Gehäuseteile erreicht wird.According to US 4,549,162, a surface temperature measuring arrangement is also known which is characterized by low heat dissipation. This is achieved by thermal decoupling, which is achieved by two separate housing parts.
Nach DE 37 29 076 Al ist ein Temperaturfühler bekannt, bei dem in ein Fühlergehäuse ein Metalltopf eingesetzt ist, in dem ein ein Widerstandselement 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.According to DE 37 29 076 A1, a temperature sensor is known in which a metal pot is inserted into a sensor housing, in which a holder carrying a resistance element is arranged. Insulating hoses, which lead to the resistance elements and enclose the connecting wires, are inserted into the metal pot. A casting compound introduced into the metal pot holds the holder and the insulating hoses in the metal pot.
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 Oberflächentemperaturfühlers sowie eine gute Wärmeleitung von diesen Gehäusebauteil auf den Temperatursensor zu erreichen.In the known temperature sensors, various design measures are used to try to achieve good heat transfer from the surface of the medium to be measured to the outer housing part of the surface temperature sensor as well as good heat conduction from this housing component to the temperature sensor.
Ferner ist man bemüht, eine starke thermische Isolation des Sensors gegenüber 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.Furthermore, efforts are being made to achieve a strong thermal insulation of the sensor from the ambient temperature. To this end, the sensor is surrounded by casting compounds or other highly insulating materials. In recent patent applications, particular reference is made to this thermal insulation or to thermal end coupling.
Nachteilig ist dabei jedoch, daß über die Anschlußdrähte Wärme abgeführt wird, die das Meßergebnis verfälscht.The disadvantage, however, is that heat is dissipated via the connecting wires, which distorts the measurement result.
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 Oberflächentemperaturmessung 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 Betrachtungsweise, 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.Modern measuring systems are subject to increasing demands on measurement accuracy and miniaturization. The smaller the measuring systems are and the more precisely the measurement temperature must match the true surface temperature, the higher the demands placed on the insulation materials and on design measures to optimize heat transfer. High demands on surface temperature measurement are required both in plant engineering and, increasingly, in heating, air conditioning and ventilation technology. The difficulty in the design and development of such temperature sensors is that it is not always possible to predict how a single design measure will affect the measurement accuracy. * The approach underlying the sensors known in the state of the art, according to which the heat transfer only reaches the sensor in a certain layer and the other elements of the packaging casing give off the heat again, is no longer sufficient for the requirements set here. The structure of the internal heat flows, the heat dissipation upwards, to the sides and the heat loss through the cable must also be taken into account.
Von großem Einfluß auf die Meßgenauigkeit sind die Temperaturschichtungen im Temperaturfühler selbst, die die Wärmeströmungen verursachen. Das temperaturempfindliche Bauteil beeinflußt diese Verhältnisse insbesondere durch seine geometrische Abmessungen und Lage. Auch die Art der Anordnung der Anschlußkabel und der Befestigungselemente beeinflußt die Wärmestromverhältnisse und damit die Meßgenauigkeit. Weitere entscheidende Einflußgrößen sind die relevanten Parameter der einzelnen Bauelemente, wie Wärmeleitkoeffizient, Wärmekapazität, geometrische Gestaltung sowie die Anordnung in der Gesamtkonfektionierung. Diese Parameter sind insbesondere bei gedrungenen Miniaturanlegefühlern, mit denen eine hohe Meßgenauigkeit erzielt werden soll, von großem Einfluß.The temperature stratification in the temperature sensor itself, which causes the heat flow, has a major influence on the measurement accuracy. The temperature-sensitive component influences these conditions in particular through its geometric dimensions and position. The type of arrangement of the connecting cables and fastening elements also influences the heat flow conditions and thus the measurement accuracy. Other decisive influencing factors are the relevant parameters of the individual components, such as the thermal conductivity coefficient, heat capacity, geometric design, and the arrangement in the overall assembly. These parameters are particularly influential in the case of compact miniature contact sensors, with which a high level of measurement accuracy is to be achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen durch definierte Wärmeführung eine hohe Meßgenauigkeit und Meßdynamik bei geringen Abmessungen des Temperaturfühlers ermöglicht wird.The invention is based on the object of specifying a device of the type mentioned at the outset, with which a high measurement accuracy and measurement dynamics are made possible with small dimensions of the temperature sensor by means of defined heat conduction.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche angegebenen Mitteln.According to the invention, the problem is solved using the means specified in the characterizing features of the patent claims.
Mit dem erfindungsgemäßen Temperaturfühler wird erreicht, daß sich ein weitgehend konstantes Isothermenprofil in der Meßfühleranordnung einstellt. Dies gelingt durch eine Entkopplung des Wärmestromes, der vonThe temperature sensor according to the invention achieves a largely constant isothermal profile in the sensor arrangement. This is achieved by decoupling the heat flow, which
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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 temperaturempfindliche Sensorelement sich immer auf einem wärmetechnisch niedrigeren Niveau als die übrigen Bauteile befindet und dadurch ein das Meßergebnis verfälschender Abfluß der Wärme vom Sensorelement zu den übrigen stark wärmeleitenden Bauteilen verhindert wird. Das Wärmeniveau des Temperatursensors bleibt damit auf einem konstanten Niveau. Dadurch gelingt es, bei geringen Abmessungen der Meßanordnung eine hohe Meßgenauigkeit und gute Meßdynamik zu erzielen. the contact surface to the sensor, from the heat flow that runs from the contact surface to the other components, in particular to the connecting cables with a large heat capacity. This ensures that the temperature-sensitive sensor element is always at a lower thermal level than the other components and thus prevents the heat from flowing from the sensor element to the other highly heat-conducting components, which would distort the measurement result. The heat level of the temperature sensor thus remains at a constant level. This makes it possible to achieve high measurement accuracy and good measurement dynamics with small dimensions of the measuring arrangement.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausfuhrungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show:
Figur 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Temperaturfühler,Figure 1 shows a section through the temperature sensor according to the invention,
Figur 2 die Oberseite der elektrisch isolierenden Grundplatte,
Figur 3 eine Darstellung des Wärmestromverlaufs durch den Temperaturfühler, Figure 2 the top of the electrically insulating base plate,
Figure 3 shows the heat flow through the temperature sensor,
Figur 4 eine Darstellung des Wärmestromverlaufs durch einen herkömmlichen
Fühler,
25Figure 4 shows the heat flow curve through a conventional sensor,
25
Figur 5 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Anlegefühler undFigure 5 shows a section through a conventional contact sensor and
Figur 6 einen Schnitt durch den Temperaturfühler mit aufgelötetem Formstück.Figure 6 shows a section through the temperature sensor with soldered fitting.
Im dargestelltem Beispiel befindet sich auf der der zu messenden Oberflächenseite zugewandten Fläche des Temperaturfühlers eine Schichtanordnung, die durch die Kombination zweier Metallschichten mit einer elektrischen Isolierschicht, welche einen mittleren Wärmedurchgangskoeffizient aufweist. Damit wird ein gleichmäßiger Wärmeduchgang in den Innenkörper des Temperaturfühlers gewährleistet. Die obere Metallschicht ist strukturiert und enthält Anschlußflächen zur Kontaktierung der Bauelemente. Die hiezu vorgesehen Lötpads sind dabei so ausgebildet, daß sie bewirken, daß die Wärme nur zu einem geringerem Teil direkt in das temperaturempfindüche Bauelement fließt. Ein größerer Teil des Wärmestromes verläuft direkt zum Anschlußkabel und wird vor diesen nach außen abgeleitet. Ein Abfließen der Wärme vom temperaturempfindlichen Bauteil über die elektrische Verbindung wird durch diese Gestaltung der strukturierten Oberfläche vermieden. Unterstützt wird dies durch ein Querschnittsverhältnis der Zuleitungen zum Sensor zu den Zuleitungen, die zum elektrischen Anschluß fuhren, im Bereich von 1:5 bis 1:10. Ein Rückfluß der Wärme ist deshalb aufgrund des größeren Zustromes an Wärme nicht möglich. Es ist deshalb immer gewährleistet, daß das temperaturempfindliche Bauteil auf einem thermisch höherem, aber konstantem Niveau liegt als mindestens ein Punkt der elektrischen Zuleitung. Dadurch ergeben sich immer gleichbleibende Temperaturverhältnisse am Sensor, die selbst durch Schwankungen der Verhältnisse an den übrigen Bauteilen wie Kabel und dergleichen nicht in relevanter Weise beeinflußt werden können.In the example shown, there is a layer arrangement on the surface of the temperature sensor facing the surface to be measured, which is made up of a combination of two metal layers with an electrical insulation layer that has a medium heat transfer coefficient. This ensures uniform heat transfer into the inner body of the temperature sensor. The upper metal layer is structured and contains connection surfaces for contacting the components. The soldering pads provided for this purpose are designed in such a way that they ensure that only a small part of the heat flows directly into the temperature-sensitive component. A larger part of the heat flow runs directly to the connection cable and is discharged to the outside before it. This design of the structured surface prevents heat from flowing away from the temperature-sensitive component via the electrical connection. This is supported by a cross-sectional ratio of the supply lines to the sensor to the supply lines that lead to the electrical connection in the range of 1:5 to 1:10. A backflow of heat is therefore not possible due to the greater inflow of heat. It is therefore always guaranteed that the temperature-sensitive component is at a thermally higher but constant level than at least one point of the electrical supply line. This always results in constant temperature conditions at the sensor, which cannot be influenced in any relevant way even by fluctuations in the conditions of the other components such as cables and the like.
Bei dem in den Figuren 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 isoliernde 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 Temperatursensor 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. Das isolierende Material zwischen den beiden Metallschichten weist einen Wärmeleitkoeffizienten von 0,2 bis 0,4 W/m &khgr; K auf. An die hinteren Bondflächen ist ein Anschlußkabel aufgelötet. Auf die isolierte Grundplatte mit den aufgebrachten Dünnschichtelementen und dem Kabelanschluß ist eine Isolierstoffinasse aus Kunststoff i aufgebracht. Die Isoüerstoffinasse 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.In the temperature sensor shown in Figures 1 to 3 and 6, a platinum resistance element produced using a thin-film process is coated with an electrically conductive coating at the ends of the sensitive layer and is soldered to these ends on an electrically insulating base plate, which in this case is formed by a circuit board. The circuit board piece has a thickness of 0.5 to 1.8 mm, is cut to an elongated shape and contains a nickel layer on the lower side. There is a structured copper layer on the upper side. The structure is designed in such a way that it contains four solder pads. Two of these serve as connection surfaces for the connecting line and two as connection surfaces for the thin-film element forming the temperature sensor. Between the respective solder pads there are thin circuit board strips which are approximately in a ratio of 1:10 to the cross-section that results when the components are soldered to the thin-film element. The insulating material between the two metal layers has a thermal conductivity coefficient of 0.2 to 0.4 W/m χ K. A connecting cable is soldered to the rear bonding surfaces. A plastic insulating material is applied to the insulated base plate with the applied thin-film elements and the cable connection. The insulating material fills a cap that lies over the double-sided coated base plate. The cap has a corresponding recess from which the connecting cable is led out. At the other end of the cap there is a groove that reaches almost to the height of the measuring resistor.
Figur 3 erläutert den Verlauf der Wärmeströme, die vom zu messenden Medium über die Anlagefläche in die Meßanordnung verlaufen. Aus derFigure 3 explains the course of the heat flows that run from the medium to be measured over the contact surface into the measuring arrangement.
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 Anschlußbeinchen ab. Beim Platinmeßdraht gemäß Figur 3 ergibt sich der Wärmestrom aus der Summe der beiden
Ströme, die über die gelöteten Polkapen 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 : The illustration shows that there are two heat flows, whereby the heat flow to the sensor element is separate from the heat flow that leads to the connecting cables. The heat flow to the sensor depends on the type and number of connecting legs. In the case of the platinum measuring wire according to Figure 3, the heat flow results from the sum of the two currents that reach the platinum surface via the soldered pole caps. The two heat flows run in such a way that the heat flow from the contact surface to the sensor element is slightly lower than the heat flow from the
Contact surface for the connecting cable. In this case, this is achieved by :
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.achieved by providing means with which the heat flow is split parallel to the contact surface into two sub-areas, with one sub-area leading to the sensor element and another sub-area leading to the connecting lines, and the heat flow to the sensor having to overcome a higher resistance.
Im dargestellten Beispiel wird letzteres dadurch erreicht, daß die obere metallische Schicht in waagerechter Richtung gesehenen in zwei Teilbereiche 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.In the example shown, the latter is achieved by dividing the upper metal layer horizontally into two sections with different cross-sections that are only electrically connected by thin webs. A supporting measure is the raised arrangement of the sensor element relative to the upper metal layer. Components with defined heat conduction properties can also be arranged between the sensor and the upper metal layer.
Gemäß Figur 6 kann durch ein auf die isolierende grundplatte aufgelötetes Formstück ein verbesserter Wärmeübergang zu nicht ebenen Oberflächen realisiert werdenAccording to Figure 6, an improved heat transfer to non-flat surfaces can be achieved by soldering a molded part onto the insulating base plate
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BEZUGSZEICHENLISTE 5 1 Sensor LIST OF REFERENCE SYMBOLS 5 1 Sensor
11 Sensoranschluß11 Sensor connection
2 isolierende Grundplatte 102 insulating base plate 10
21 strukturierte Oberfläche der Grundplatte21 structured surface of the base plate
22 Anlagefläche der Grundplatte22 Contact surface of the base plate
15 23 aufgelötetes Formstück auf der äußeren Anlagefläche15 23 soldered fitting on the outer contact surface
3 Gehäuse3 Housing
4 Isolierstoff 204 Insulating material 20
5 Kabel5 Cable
51 Kabelanschluß51 Cable connection
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Also Published As
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| DE19802296A1 (en) | 1999-03-25 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19980520 |
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| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20001218 |
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| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20031010 |
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| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20050812 |
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| R071 | Expiry of right |