DE9202705U1 - Temperature sensor - Google Patents
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Description
TemperaturmeßfühlerTemperature sensor
Die Erfindung betrifft einen Temperaturmeßfühler für Heißwasser mit einem metallischen rohrförmigen Fühlergehäuse und einem passiven Temperatursensor mit einer auf einem Keramiksubstrat dünnschichttechnisch hergestellten, elektrisch leitenden Schicht in Mäanderform, deren beiden Endpunkte mit flexiblen Anschlußdrähten versehen und an eine Meßwerkschaltung anschließbar sind.The invention relates to a temperature sensor for hot water with a metallic tubular sensor housing and a passive temperature sensor with an electrically conductive layer in meander shape produced by thin film technology on a ceramic substrate, the two end points of which are provided with flexible connecting wires and can be connected to a measuring device circuit.
Passive Sensoren erfahren durch die Änderung der Temperatur des Meßmediums eine Änderung des ohmschen Widerstandes, ihres maßgeblichen Parameters, wobei der mit einer konstanten Speisespannung beaufschlagte Widerstand als Ausgangsgröße eine Stromänderung in Abhängigkeit von der Änderung der Temperatur des Meßmediums bewirkt. Bei der Verwendung von Temperaturmeßfühlern in Heizungsnetzen soll die Änderung der Temperatur ohne zeitliche Verzögerung in eine lineare Ausgangsgröße umgewandelt werden. Bekannt ist, daß die Änderung der signifikanten Parameter der Sensoren von der konstruktiven Gestaltung stark abhängig ist. In dem DE-GM 88Ü213Ü ist ein Temperaturfühler mit einer auf einem ebenen Keramikträger aufgebrachte Platinmetallschicht in einem metallischen Gehäuse beschrieben. Der Keramikträger in Form eines langgestreckten Rechtecks ist mit einer Halterung versehen, die das Heßelement kräftefrei aufnimmt, damit durch mechanische, auf das Meßelement einwirkende Kräfte der Meßwert nicht verfälscht wird. Zu diesem Zweck ist das Meßelement in einer Aussparung eines formstabilen, dem lichten Durchmesser des metallischen Gehäuses angepaßten Plättchens aus Isoliermaterial angeordnet. Bei der Montage wird der Keramikträger in die Aussparung des Isoliermaterials eingelegt, ohne daß sich die Ränder der Aussparung und des Keramikträgers berühren. Anschließend wird der Keramikträger an zwei Punkten mittels eines schnellhärtenden Klebstoffes mit dem Isolierstoff verbunden. Diese Konstruktion gewährleistet eine biegefreie Aufhängung des Meßwiderstandes, der lediglich über zwei Klebestellen mit dem die Gehäusewand berührenden Isolierstoff kontaktiert ist. Eine wärmeleitende Verbindung zur Außenwand des metallischen Gehäuses besteht ausschließlich durch die den verbleibenden Zwischenraum ausfüllende Wärmeleitpaste, wodurch der Meßfühler eine zeitlich bedingte Meßabweichung aufweist.Passive sensors experience a change in the ohmic resistance, their key parameter, due to the change in the temperature of the measuring medium, whereby the resistance, which is supplied with a constant supply voltage, causes a change in current as an output variable depending on the change in the temperature of the measuring medium. When using temperature sensors in heating networks, the change in temperature should be converted into a linear output variable without any time delay. It is known that the change in the significant parameters of the sensors is strongly dependent on the structural design. DE-GM 88Ü213Ü describes a temperature sensor with a platinum metal layer applied to a flat ceramic carrier in a metallic housing. The ceramic carrier in the form of an elongated rectangle is provided with a holder that holds the measuring element without any force, so that the measured value is not distorted by mechanical forces acting on the measuring element. For this purpose, the measuring element is arranged in a recess in a dimensionally stable plate made of insulating material that is adapted to the inside diameter of the metal housing. During assembly, the ceramic carrier is placed in the recess in the insulating material without the edges of the recess and the ceramic carrier touching each other. The ceramic carrier is then connected to the insulating material at two points using a fast-curing adhesive. This construction ensures that the measuring resistor is suspended without bending, and is only in contact with the insulating material touching the housing wall via two adhesive points. A heat-conducting connection to the outer wall of the metal housing is only made by the thermal paste that fills the remaining gap, which means that the sensor has a measurement deviation that is dependent on time.
Besonders bei kurzen Temperaturmeßfühlern besteht die Gefahr einer Meßabweichung darin, daß ein Teil der Wärme aus dem Bereich des Meßwiderstandes über das Isoliermaterial abgeleitet wird und die Temperatur des Meßwiderstandes im Temperaturfühler wesentlich geringer ist, als diejenige des Heizungswassers.Particularly with short temperature sensors, there is a risk of a measurement error because part of the heat from the area of the measuring resistor is dissipated via the insulating material and the temperature of the measuring resistor in the temperature sensor is significantly lower than that of the heating water.
In der DE-OS 3729Ü76 wird ein Temperaturfühler mit einem rohrförmigen Fühlergehäuse und einem temperaturabhängigen Widerstandselement, beschrieben, welches in guter wärmeleitender Verbindung mit dem Fühlergehäuse steht. Der flache, rechteckige Meßwiderstand ist in einer U-förmigen Aussparung eines zylindrischen Halters einegeklebt und in der Mitte eines Metalltopfes gelagert, wobei der Metalltopf in das Fühlergehäuse eingeschoben und durch Reduzierung des Außenumfangs eingepreßt wird, damit sich eine innige wärmeleitende Verbindung zwischen dem Fühlergehäuse, dem Metalltopf und dem Halter des Meßwiderstandes ergibt. Der Aufbau eines derartigen Meßfühlers ist relativ kompliziert und mit einem hohen Montageaufwand verbunden. Die Verklebung der keramischen Unterseite des Meßwiderstandes mit dem Halter erschwert eine homogene Wärmeübertragung. Durch die einseitige Einspannung können Eigenspannungen längs des Leiterzuges der Widerstandsschicht hervorgerufen werden, die aufgrund der Dehnungsempfindlichkeit des Widerstandes eine Meßabweichung zur Folge haben.DE-OS 3729Ü76 describes a temperature sensor with a tubular sensor housing and a temperature-dependent resistance element, which has a good heat-conducting connection with the sensor housing. The flat, rectangular measuring resistor is glued into a U-shaped recess in a cylindrical holder and mounted in the middle of a metal pot, whereby the metal pot is pushed into the sensor housing and pressed in by reducing the outer circumference so that an intimate heat-conducting connection is created between the sensor housing, the metal pot and the holder of the measuring resistor. The structure of such a sensor is relatively complicated and involves a lot of assembly work. Gluing the ceramic underside of the measuring resistor to the holder makes homogeneous heat transfer difficult. The one-sided clamping can cause residual stresses along the conductor path of the resistance layer, which result in a measurement deviation due to the resistance's sensitivity to expansion.
Eine wesentlich einfachere Ausführung einer wärmeleitenden Verbindung des Meßwiderstandes mit dem Fühlergehäuse ist in der EP 43400 dargestellt. Ein keramisches, den Meßwiderstand tragendes Innenrohr ist federnd mit gestanzten Biegeteilen in der Mitte des Fühlerrohres gelagert und über die aus dünnem Blech bestehenden Stanzteile mit der Außenwand des Thermofühler verbunden. Nachteilig ist, daß die Blechteile aufgrund ihrer geringen Abmessungen einen gewissen Wärmewiderstand darstellen, der eine zeitlich Verzögerung der Anzeige einer Temperaturänderung bewirkt. Darüber hinaus sind die dargestellten federnden Stanzteilen nur für zylindrische Temperaturwiderstände geeignet.A much simpler design of a heat-conducting connection between the measuring resistor and the sensor housing is shown in EP 43400. A ceramic inner tube carrying the measuring resistor is spring-loaded with punched bent parts in the middle of the sensor tube and is connected to the outer wall of the thermal sensor via the punched parts made of thin sheet metal. The disadvantage is that the sheet metal parts represent a certain thermal resistance due to their small dimensions, which causes a time delay in the display of a temperature change. In addition, the spring-loaded punched parts shown are only suitable for cylindrical temperature resistors.
Die Erfindung bezweckt einen technologisch einfachen, schnell reagierenden und mit einem geringen Meßfehler behafteten Temperaturmeßfühler für Heißwasser mit einem flachen rechteckförmigen, dünnschichttechnisch hergestellten Meßwiderstand, der bei Verwendung als Temperaturmeßfühler, insbesondere in kleinen Wärmezählern, eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht.The invention aims to provide a technologically simple, fast-reacting temperature sensor for hot water with a low measurement error, with a flat, rectangular, thin-film-manufactured measuring resistor, which enables high measurement accuracy when used as a temperature sensor, particularly in small heat meters.
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der konstruktiven Ausgestaltung eines Temperaturmeßfühlers, bei dem die Temperatur einer Flüssigkeit mittels einer homogenen Wärmeübertragung schnell auf den Meßwiderstand übertragen und eine Verfälschung des Meßwertes durch zusätzliche mechanische Kräfte oder sins Ableitung des Wärmestromes vermieden wird.The object of the invention is to construct a temperature sensor in which the temperature of a liquid is quickly transferred to the measuring resistor by means of a homogeneous heat transfer and falsification of the measured value by additional mechanical forces or by dissipation of the heat flow is avoided.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der temperaturabhängige Widerstandsbereich des Meßwiderstandes mittels eines wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Keramikklebers vollflächig in einen teilweise axial geschlitzten Metallzylinder fest eingebettet und mit dem Metallzyiinder auf dem Boden des rohrförmigen Fühlergehäuses wärmeleitend symmetrisch positioniert ist.The object is achieved according to the invention in that the temperature-dependent resistance range of the measuring resistor is fully embedded in a partially axially slotted metal cylinder by means of a thermally conductive and electrically insulating ceramic adhesive and is positioned symmetrically with the metal cylinder on the bottom of the tubular sensor housing in a heat-conducting manner.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Meßdrähte des Meßwiderstandes und die mit diesen durch Schweißung verbundenen Anschlußdrähte einer flexiblen, zu einer Auswerteschaltung führenden Anschlußleitung mit Isoliermitteln isoliert und mit einer Stützeinrichtung fixiert.According to a further feature of the invention, the measuring wires of the measuring resistor and the connecting wires of a flexible connecting line leading to an evaluation circuit, which are connected to them by welding, are insulated with insulating means and fixed with a support device.
Ferner ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettung des Meßwiderstandes ein durch Lufttrocknung oder chemische Abbindung erhärteter, wärmeleitender und elektrisch isolierender Keramikkleber ist. Der erfindungsgemäße Temperaturmeßfühler besitzt mit dem vollflächig in einen Metallzylinder eingebetteten Meßwiderstand eine hohe Wärmekapazität gegenüber den Anschlußdrähten, die eine Wärmeableitung verursachen und den Meßwert verfälschen können. Die wärmeleitend symmetrische Anordnung des Meßwiderstandes gewährleistet allseitig einen guten Wärmeübergang besonders in den Fällen, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers gering ist. Da die Wärme überwiegend konvektiv auf einen Temperaturmeßfühler der eingangs genannten Art übertragen wird, bewirkt die Einbaulage des Fühlers keine Verfälschung des Messwertes.The invention is further characterized in that the embedding of the measuring resistor is a heat-conducting and electrically insulating ceramic adhesive hardened by air drying or chemical setting. The temperature sensor according to the invention, with the measuring resistor fully embedded in a metal cylinder, has a high heat capacity compared to the connecting wires, which cause heat dissipation and can falsify the measured value. The heat-conducting, symmetrical arrangement of the measuring resistor ensures good heat transfer on all sides, particularly in cases where the flow rate of the water is low. Since the heat is transferred predominantly convectively to a temperature sensor of the type mentioned at the beginning, the installation position of the sensor does not falsify the measured value.
Im nachfolgenden soll die Erfindung an einem Ausfühxiungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zfeigt Fig. 1 den Temperaturmeßfühler teilweise im Schnitt (,jnd Fig. 2 den eingebetteten Meßwiderstand \ In the following, the invention will be explained in more detail using an embodiment example. In the accompanying drawings, Fig. 1 shows the temperature sensor partially in section (, and Fig. 2 shows the embedded measuring resistor \
in schematischer Darstellungin schematic representation
Der Temperaturmeßfühler weist ein rohrförmiges Fühlergehäuse 1 auf, dessen Grundfläche durch einen kreisförmigen Boden 2 mittels Laserschweißung verschlossen ist. Gegen die Innenfläche des Bodens 2 liegt ein in das FühlergehsusB 1 mit geringem Spiel eingeschobener Metallzylinder 3 an. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges ist gegebenenfalls der durch Unebenheiten bedingte Zwischenraum zwischen dem Metallzylinder 3 und dem Fühlergehäuse 1 mit einem Wärmeleitkleber 4 ausgefüllt, der nach Aushärtung eine stabile Verbindung des Metallzylinders 3 mit dem Fühlergehäuse 1 bewerkstelligt. In dem Metallzylinder 3, der teilweise von einem axial verlaufenden Schlitz 5 durchdrungen ist, befindet sich symmetrisch positioniert ein Meßwiderstand 6. Der Meßwiderstand 6 ist in der Regel ein Dreischichtsystem, bei dem Leiterzüge aus Platin in Mäanderform auf ein elektrisch isolierendes Substratplättchen aus Al0O,, aufgedampft oder aufgesputtert und durch eine Deckschicht geschützt sind. Die Leiterzüge des Meßwiderstandes 6 sind mit Meßdrähten 7 versehen, an die eine nicht dargestellte Meßwerkschaltung anschließbar ist, Der Meßwiderstand 6 wird gemäß Fig. 2 in den Schlitz 5 des Metallzylinders 3 mittels eines wärmeleitfähigen und elektrisch isolierenden Ksramikklsbers 6 unter Lufttrocknung oder chemischer Aushärtung fest eingebettet.The temperature sensor has a tubular sensor housing 1, the base of which is closed by a circular base 2 by means of laser welding. A metal cylinder 3, which is pushed into the sensor housing 1 with a small amount of play, rests against the inner surface of the base 2. To improve heat transfer, the gap between the metal cylinder 3 and the sensor housing 1 caused by unevenness is filled with a thermally conductive adhesive 4, which, after hardening, creates a stable connection between the metal cylinder 3 and the sensor housing 1. A measuring resistor 6 is symmetrically positioned in the metal cylinder 3, which is partially penetrated by an axially running slot 5. The measuring resistor 6 is usually a three-layer system in which conductor tracks made of platinum in a meander shape are vapor-deposited or sputtered onto an electrically insulating substrate plate made of Al 0 O , and protected by a cover layer. The conductor tracks of the measuring resistor 6 are provided with measuring wires 7 to which a measuring circuit (not shown) can be connected. The measuring resistor 6 is firmly embedded in the slot 5 of the metal cylinder 3 by means of a thermally conductive and electrically insulating ceramic adhesive 6 under air drying or chemical hardening, as shown in Fig. 2.
Die Meßdrähte 7 des Meßwiderstandes 6 sind mit den Anschlußdrä'nten 9 einer Anschlußleitung 10 in einer durch Laserschweißung erzeugten Schweißperle Ii zusammengeführt. Die abisolierten Anschlußdrähte 9 der Anschlußleitung 10 und die Meßdrähte 7 werden jeweils durch einen Isolierschlauch 12 geschützt und durch einen Schrumpfschlauch 13 zu einer mechanisch stabilen Verbindung zusammengefaßt und mit einem Stützstern 14 fixiert. Zum Abschluß aer Montage wird das obere Ende des Fühlergehäuses 1 mit einer Rollsickung 15 versehen und zugfest mit der Anschlußleitung 1Ü verbunden.The measuring wires 7 of the measuring resistor 6 are brought together with the connecting wires 9 of a connecting cable 10 in a weld bead Ii produced by laser welding. The stripped connecting wires 9 of the connecting cable 10 and the measuring wires 7 are each protected by an insulating tube 12 and combined by a shrink tube 13 to form a mechanically stable connection and fixed with a support star 14. At the end of the assembly, the upper end of the sensor housing 1 is provided with a rolled bead 15 and connected to the connecting cable 1Ü in a tension-resistant manner.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere in Verbindung mit kleinen Wärmezählern für Heißwasser einen schnellen Wärmeübergang zu dem fest eingebetteten Meßwiderstand. Außerdem wird bei Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Anstieg von einbaubedingten Meßabweichungen herabgestzt und eine zusätzliche Spannungsempfindlichkeit vermieden.The invention enables rapid heat transfer to the firmly embedded measuring resistor, particularly in conjunction with small heat meters for hot water. In addition, when the flow velocity is reduced, the increase in installation-related measurement deviations is reduced and additional voltage sensitivity is avoided.
Claims (3)
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1992
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