EP3642581A1 - Thermometer mit verbesserter ansprechzeit - Google Patents

Thermometer mit verbesserter ansprechzeit

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Publication number
EP3642581A1
EP3642581A1 EP18723519.7A EP18723519A EP3642581A1 EP 3642581 A1 EP3642581 A1 EP 3642581A1 EP 18723519 A EP18723519 A EP 18723519A EP 3642581 A1 EP3642581 A1 EP 3642581A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor head
sensor
filler material
gas
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18723519.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Saecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Publication of EP3642581A1 publication Critical patent/EP3642581A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08—Protective devices, e.g. casings
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    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • G01K1/18—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element for reducing thermal inertia
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/02—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C17/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/008—Thermistors

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a
  • Device for determining and / or monitoring the temperature of a medium, and to a corresponding device.
  • thermometers which use the expansion of a liquid, a gas or a solid having a known coefficient of expansion for measuring the temperature, or also those which relate the electrical conductivity of a material with the temperature, such as when using resistance elements or thermocouples .
  • radiation thermometers in particular pyrometers, are used to determine the temperature of a substance whose thermal radiation is utilized. The respectively
  • a temperature sensor in the form of a so-called thin-film sensor, in particular a Resistance Temperature Detector (RTD)
  • RTD Resistance Temperature Detector
  • a conductor provided with connection wires and applied to a carrier substrate
  • Sensor element for use wherein the back of the carrier substrate is usually coated metallic.
  • sensor elements are so-called
  • Resistance elements which are given for example by platinum elements, used, inter alia, under the names PT10, PT100, and PT1000 are also commercially available.
  • the resistance elements are often by means of a soldering process within a sensor head, such as a probe tip, and in particular on the inner bottom of a z. B. made of stainless steel sleeve introduced. Corresponding thermometers are manufactured and distributed by the applicant, for example under the name Quicksens.
  • soldering a so-called SMD soldering is performed in many cases, in which first a solder is applied to a first component and then a second component is placed and soldered by heating with the first component.
  • a solder plate a defined quantity of solder in the solid state
  • solder plate a defined quantity of solder in the solid state
  • the solder joint has a great influence on the thermal properties of the
  • Thermometers in particular on the thermal coupling between
  • thermometers in which the resistance element is soldered to the sensor head, numerous thermometers have become known in which the resistance element is soldered to the sensor head.
  • Temperature sensors are enclosed and / or encapsulated, in particular in
  • Ceramic powders such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (Al2O3), or in a, in particular curing, Keramikverguss. Also such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (Al2O3), or in a, in particular curing, Keramikverguss. Also such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (Al2O3), or in a, in particular curing, Keramikverguss. Also such
  • Thermometers are manufactured and distributed by the Applicant, and bear, for example, the name Strongsens.
  • the capsule or potting serves to fix the temperature sensors.
  • the temperature sensors for example, the Applicant, and bear, for example, the name Strongsens.
  • thermometer Even at high temperatures, esp. At temperatures of about up to 600 ° C, from each other and from the housing of the sensor head, in particular a probe tip isolated.
  • a method for producing a thus configured thermometer is for example from the published patent application
  • DE02329239A1 has become known.
  • predeterminable amounts of a first and a second component of a potting compound are introduced into a casting mold, in particular a sensor tip. Subsequently, the tip of the probe is shaken and / or put into vibration with a predeterminable frequency.
  • thermometers in which the temperature sensor is soldered to the sensor head, have particularly good response times for a reaction to a change in the temperature of a medium.
  • Corresponding thermometers are disadvantageous, however, not suitable for use for the measurement of high temperatures, in particular temperatures T> 200 ° C. They also show in comparison to
  • Thermometers in which the temperature sensor is enclosed and / or encapsulated, a significantly reduced mechanical stability.
  • the present invention is based on the object
  • thermometers with enclosed and / or encapsulated
  • the heat conduction within the sensor head in particular the heat conduction from the Bewandung of the sensor head to the temperature sensor depends crucially on the density of the filling material within the sensor head from - there is a
  • Sensor element to a temperature sensor comprising at least one
  • Temperature-sensitive element and at least one connecting wire for, in particular electrical, contacting the element may be a resistance element, in particular a platinum element.
  • a further advantageous embodiment includes that a vacuum with a pressure of less than 10-1 mbar, preferably less than 10 "2 mbar, and particularly preferably less than 10 " 3 mbar is generated.
  • the at least one filling material is a powdery material.
  • a powder-shaped material can be particularly easily in a sensor head, which is usually designed in the form of a cylindrical sleeve fill. By using a powder, it can be ensured, in particular, that substantially all intermediate spaces between the inner walls of the sensor head and the sensor element arranged at least partially within the sensor head are filled with filling material. The powdery filler material is often further compressed after filling the sensor head within it. For this purpose, various familiar to the expert
  • thermo conductivity of the respective material depends, inter alia, on its density or its solids content.
  • a further embodiment includes that at least a first and a second filler material are introduced into the sensor head.
  • first and second filler materials are incorporated into the sensor head in the form of a mixture. It is also conceivable, however, that the first and second filling material are also introduced successively into the sensor head. In this case, in particular, a first subregion of the inner volume with the first filling material and a second subregion of the inner volume with the second filling material can be filled.
  • a first subregion of the inner volume with the first filling material and a second subregion of the inner volume with the second filling material can be filled.
  • the first material is used to fix at least one component of the sensor element and the second material of the heat conduction within the sensor head.
  • a further preferred embodiment of the method provides that the sensor head shaken and / or is set into vibrations with a predetermined frequency. This can thus happen during the filling of the at least one filling material so also after the filling. On the one hand, this embodiment ensures a uniform filling of the respective inner volume of the sensor head to be filled.
  • a gas is introduced into the sensor head after the introduction of the filling material.
  • the gas is preferably a gas having a thermal conductivity of> 0.05 W / (mK), for example helium.
  • thermometer is filled.
  • the additional filling with a corresponding gas, the response time of the thermometer can be further improved.
  • the object is also achieved by a device for determining and / or monitoring a process variable of a medium, comprising a sensor element arranged in a sensor head, which device is produced according to one of the described methods.
  • the sensor head comprises a, in particular cylindrical, jacket element, and a, in particular circular, bottom element.
  • Embodiments are mutatis mutandis also applicable to the device according to the invention and vice versa.
  • thermometer with encapsulated
  • FIG. 2 shows a schematic drawing for the course of a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a diagram of the thermal conductivity of different materials as a function of their density
  • FIG. 3 shows a diagram of the thermal conductivity of different materials as a function of their density
  • Fig. 4 is a diagram illustrating the additional effect by filling the
  • thermometer 1 shows a schematic illustration of a thermometer 1 with a protective tube 2 and an electronics unit 4 according to the prior art.
  • the portion of the protective tube 2 facing the respective medium 5 is also referred to as the sensor head 3.
  • An inner volume V of the sensor head 3 is filled with a filling material 6.
  • a temperature sensor 7 is arranged in the inner volume V of the sensor head 3, which in the embodiment shown, a temperature-sensitive element 8, here in the form of a resistive element, and two connecting wires 9a, 9b for electrical
  • Contacting with the electronic unit 5 includes.
  • the temperature-sensitive element 8 and a subsection of the connecting wires 9a, 9b of the temperature sensor 7 are enclosed and / or encapsulated by the filling material 6 within the internal volume V of the sensor head 3. This leads to a particularly high mechanical stability and vibration resistance of the thermometer 1.
  • thermometer 1 in which at least one component of the temperature sensor 7, in this case the
  • the filling material 6 is, for example, an aluminum oxide, a magnesium oxide, a particularly hardening ceramic casting,
  • Carbon nanotube Carbon nanotube, boron nitride, aluminum nitride, silicon carbide, or a metal, in particular aluminum, copper or silver.
  • the filling material 6 is electrically conductive
  • various measures are conceivable for an electrical short circuit between at least one component 8,9 of the temperature sensor 7 and the sensor head 3, which usually consists of a
  • the connecting wires 8, 9 can be surrounded over a large portion by electrical insulation (not shown). In the area of the contacting between the connecting wires 9a, 9b, an electrically insulating molding (also not shown) may be used. With regard to this subject, many further possibilities are known to the person skilled in the art, all of which fall under the present invention.
  • thermometer in addition to a high mechanical stability which can be achieved by casting or encapsulating the sensor element, it is also possible to achieve the highest possible thermal conductivity ⁇ in relation to the filling material 6 is desirable.
  • thermal conductivity ⁇ in relation to the filling material 6 is desirable.
  • the two efforts are usually not readily reconcilable.
  • This problem is addressed by the present invention in that an internal volume V of the sensor head 3 is vacuumized before the filling material 6 is introduced. By generating a vacuum, an increased density of the filling material 6 can be achieved, which leads to significantly improved response times of the respective thermometer.
  • a powder is particularly advantageous because it is particularly easy to introduce into the sensor head 3.
  • the inner volume V of the sensor head 3 is uniformly filled with the filler material 6.
  • Analogous considerations can also be made for other states of aggregation of a filling material, as well as for granules or the like.
  • a vacuum is created within an inner volume V of the sensor head 3 generated.
  • a device 10 in the form of a T-shaped piece of pipe can be used, in which in a first end portion 10a via a valve 1 1 a
  • Vacuum pump 12 and in a second end portion 10 b of the sensor head 3 can be introduced.
  • the sensor head 3 comprises a cylindrical jacket element, which is not closed in the area facing the T-shaped pipe section 10 but can be vacuumized via the opening O.
  • the sensor head 3 can by means of a suitable seal 12, for example in the form of an O-ring, within the T-shaped
  • Pipe piece 10 are attached.
  • An opening of the T-shaped pipe section 10 in a third end region finally has a thread 13a, to which a cap 14 can be screwed with a corresponding complementary thread 13b, within which the at least one filler 6 is located.
  • thermometer 1 the inner volume V of the sensor head 3 is vacuumized via the pipe section 10 in a first step.
  • a vacuum is produced at a pressure of less than 10.sup.- 1 mbar, and the cap 14 can then optionally be heated for a predeterminable time interval in order to remove any impurities within the powder 6.
  • the impurities relate, for example, to adsorptive adsorption to the powder 6
  • the temperature at which the cap 14 is heated with the powder 6 should preferably be less than a melting or
  • the device 10 can be rotated, for example, according to the direction of rotation indicated by the arrows 15a, 15b so that the powder 6 can be filled by the cap 14 into the sensor head 3.
  • the sensor head 3 with the device 10 optionally shaken additionally and / or in vibrations with a predetermined
  • the sensor head 3 is closed. This can be done, for example, by welding an opening O by means of a
  • Fig. 3 is a schematic diagram of the thermal conductivity ⁇ of a powdery filler 6 in the form of an aluminum oxide (Al2O3) as a function of the solids content of the bed in volume percent shown.
  • the thermal conductivity ⁇ of a powder can be determined on the basis of the thermal conductivities of its components.
  • the powder itself ( ⁇ ⁇ ) and the medium surrounding the powder (A m ), generally air, as well as the volume fraction (v) of the surrounding medium (m) are taken into account. The following applies:
  • volume percent corresponding to an increased density of the filler material 6, to a significantly improved thermal conductivity ⁇ .
  • a sensor head 3 to be encapsulated is filled through the opening O with the respective filling material 6, as a rule in the form of a powder.
  • the air, which is located in the inner volume V of the sensor head 3, is from the
  • a very commonly used filling material is given by alumina powder.
  • the density of typical alumina powder used in the field of thermometry is in the range of 0.9-1, 12 kg / dm 3 , which corresponds to a solids content x of about 28% by volume.
  • the thermal conductivity ⁇ of an aluminum oxide powder is about 0.15-0.18W / (mK) and is about 150 times lower than the thermal conductivity of aluminum in the form of a solid.
  • Aluminum oxide powder for example, an increase in the solids content x of about 28% to about 35% can be achieved.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention includes that the inner volume V of the sensor head 3 is additionally filled with a gas after introduction of the filling material 6, for example by means of the valve 1 1 of FIG. 2. After filling the sensor head 3 under vacuum is the Sensor head 3
  • a gas preferably at a pressure of about 5 bar, particularly preferably at a pressure of at least 10 bar, is then introduced into the sensor head 3.
  • the gas is a gas with a high thermal conductivity ⁇ , in particular with a
  • Thermal conductivity ⁇ which is greater than that of air.
  • Particularly preferred and also for the example shown in Fig. 4 is used as gas helium.
  • the sensor head 3 is prior to filling the gas to a remaining opening
  • the remaining opening is thus preferably chosen as small as possible in order to minimize leakage of the gas when closing the sensor head 3 after filling of the gas.
  • the gas After the gas has been introduced into the sensor head 3, it is completely closed, for example by means of a welding process.
  • FIG. 4 The effect of additional filling of the sensor head 3 with a gas is schematically illustrated in FIG. 4 for the example of helium.
  • the diagram shows for
  • Air pockets are further displaced, resulting in a further increase in

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur (T) eines Mediums (5) umfassend folgende Verfahrensschritte: - Anordnen eines Sensorelements (7) in einen Sensorkopf (3), - Erzeugen eines Vakuums in einem Innenvolumen (V) des Sensorkopfes (3), - Einbringen von zumindest einem Füllmaterial (6) zumindest in einen Teilbereich des Innenvolumens (V) des Sensorkopfes (3), und - Verschließen des Sensorkopfes (3). Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine entsprechend hergestellte Vorrichtung.

Description

Thermometer mit verbesserter Ansprechzeit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer
Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums, sowie auf eine entsprechende Vorrichtung.
Thermometer sind in unterschiedlichsten Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt geworden. So gibt es Thermometer, welche zur Messung der Temperatur die Ausdehnung einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Festkörpers mit bekanntem Ausdehnungskoeffizienten heranziehen, oder auch solche, welche die elektrische Leitfähigkeit eines Materials mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise bei Verwendung von Widerstandselementen oder Thermoelementen. Dagegen wird bei Strahlungsthermometern, insb. Pyrometern, zur Bestimmung der Temperatur einer Substanz deren Wärmestrahlung ausgenutzt. Die jeweils
zugrundeliegenden Messprinzipien sind jeweils in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben worden.
Bei einem Temperatursensor in Form eines sogenannten Dünnschicht-Sensors, insbesondere eines Resistance Temperature Detectors (RTD), kommt beispielsweise ein mit Anschlussdrähten versehenes und auf ein Trägersubstrat aufgebrachtes
Sensorelement zum Einsatz, wobei die Rückseite des Trägersubstrats in der Regel metallisch beschichtet ist. Als Sensorelemente werden dabei sogenannte
Widerstandselemente, welche beispielsweise durch Platinelemente gegeben sind, verwendet, die unter anderem unter den Bezeichnungen PT10, PT100, und PT1000 auch kommerziell erhältlich sind.
Die Widerstandselemente werden häufig mittels eines Lötverfahrens innerhalb eines Sensorkopfes, beispielsweise eine Fühlerspitze, und insbesondere auf den Innenboden einer z. B. aus Edelstahl bestehenden Hülse, eingebracht. Entsprechende Thermometer werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung Quicksens hergestellt und vertrieben.
Als Lötverfahren wird in vielen Fällen eine sogenannte SMD-Lötung durchgeführt, bei welcher zunächst ein Lot auf ein erstes Bauteil aufgebracht wird und anschließend ein zweites Bauteil aufgesetzt und durch Erhitzung mit dem ersten Bauteil verlötet wird. Für das Beispiel eines Sensorkopfes eines Widerstandsthermometers wird üblicherweise zunächst eine definierte Menge Lot in festem Zustand („Lotplättchen") in den Sensorkopf eingebracht und durch anschließendes Erhitzen mit dem Innenboden des Sensorkopfes verschmolzen. Das Sensorelement wird dann mit seiner metallisierten Seite in das Lot eingetaucht und auf diese Weise innerhalb des Sensorkopfes verlötet. Verfahren zum Herstellen einer derartigen Lotverbindung für ein Thermometer sind beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE102006048448A1 oder DE1020151 12199A1 bekannt geworden. Grundsätzlich hat bei einem entsprechenden Widerstandsthermometer die Lotverbindung einen großen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften des
Thermometers, insbesondere auf die thermische Ankopplung zwischen
Widerstandselement und Sensorkopf.
Alternativ zu Thermometern, bei welchen das Widerstandselement mit dem Sensorkopf verlötet ist, sind zahlreiche Thermometer bekannt geworden, bei denen die
Temperatursensoren eingeschlossen und/oder gekapselt werden, insbesondere in
Keramikpulvern, wie beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) oder Aluminiumoxid (AI2O3), oder in einem, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss. Auch derartige
Thermometer werden von der Anmelderin hergestellt und vertrieben, und tragen beispielsweise die Bezeichnung Strongsens. Das Kapseln oder Vergießen dient der Fixierung der Temperatursensoren. Außerdem sind beispielsweise die
Anschlussleitungen des Temperatursensors auch bei hohen Temperaturen, insb. bei Temperaturen von etwa bis zu 600°C, voneinander und vom Gehäuse des Sensorkopfes, insbesondere einer Fühlerspitze, isoliert. Ein Verfahren zur Herstellung eines derart ausgestalteten Thermometers ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE02329239A1 bekannt geworden. Um den Temperatursensor zu vergießen, werden vorgebbare Mengen einer ersten und einer zweiten Komponente einer Vergussmasse in eine Gießform, insbesondere eine Fühlerspitze, eingebracht. Anschließend wird die Fühlerspitze gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt.
Vorteilhaft weisen Widerstandsthermometer, bei welchen der Temperatursensor mit dem Sensorkopf verlötet ist, besonders gute Ansprechzeiten für eine Reaktion auf eine Änderung der Temperatur eines Mediums auf. Entsprechende Thermometer sind nachteilig allerdings nicht für den Einsatz zur Messung von hohen Temperaturen, insbesondere Temperaturen T>200 °C, geeignet. Auch weisen sie im Vergleich zu
Thermometern, bei welchen der Temperatursensor eingeschlossen und/oder gekapselt ist, eine deutlich verminderte mechanische Stabilität auf. Thermometer mit
eingeschlossen und/oder gekapselten Temperatursensoren wiederum verfügen nachteilig im Vergleich zu Thermometern mit eingelöteten Temperatursensoren über schlechtere Ansprechzeiten.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
Ansprechzeiten von Thermometern mit eingeschlossenen und/oder gekapselten
Temperatursensoren zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines
Mediums mit folgenden Verfahrensschritten:
Anordnen eines Sensorelements in einen Sensorkopf,
Erzeugen eines Vakuums in einem Innenvolumen des Sensorkopfes, - Einbringen von zumindest einem Füllmaterial zumindest in einen Teilbereich des Innenvolumens des Sensorkopfes, und
Verschließen des Sensorkopfes.
Zur Einbringung des Füllmaterials kann beispielsweise das in der Offenlegungsschrift DE02329239A1 beschriebene Verfahren eingesetzt werden. Aber auch andere dem
Fachmann geläufige Verfahren zum Einbringen eines Füllmaterials in einen Sensorkopf sind möglich und fallen unter die vorliegende Erfindung.
Die Wärmeleitung innerhalb des Sensorkopfes, insbesondere die Wärmeleitung von der Bewandung des Sensorkopfes zum Temperatursensor, hängt entscheidend von der Dichte des Füllmaterials innerhalb des Sensorkopfes ab - es besteht also ein
Zusammenhang zwischen der Wärmeleitfähigkeit Füllmaterials und dessen Anordnung innerhalb des Sensorkopfes, insbesondere in Bezug auf die erzielbare Dichte. Indem zumindest das Innenvolumens des Sensorkopfes vor dem Einbringen des Füllmaterials vakuumisiert wird, kann eine erhöhte Dichte der Füllung erzielt werden, was wiederum vorteilhaft zu einer deutlich verbesserten Ansprechzeit des Thermometers auf eine Temperaturänderung des jeweiligen Mediums führt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem
Sensorelement um einen Temperatursensor umfassend zumindest ein
temperaturempfindliches Element und zumindest einen Anschlussdraht zur, insbesondere elektrischen, Kontaktierung des Elements. Beispielsweise kann es sich bei dem temperaturempfindlichen Element um ein Widerstandselement, insbesondere ein Platin- Element handeln.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung beinhaltet, dass ein Vakuum mit einem Druck von kleiner 10-1 mbar, bevorzugt kleiner 10"2mbar, und besonders bevorzugt kleiner 10"3mbar erzeugt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial um ein pulverförmiges Material handelt. Ein pul verförmiges Material lässt sich besonders einfach in einen Sensorkopf, welche in der Regel in Form einer zylinderförmigen Hülse ausgestaltet ist, einfüllen. Durch die Verwendung eines Pulvers kann insbesondere gewährleistet werden, dass im Wesentlich sämtliche Zwischenräume zwischen den inneren Wandungen des Sensorkopfes und dem zumindest teilweise innerhalb des Sensorkopfes angeordneten Sensorelements mit Füllmaterial gefüllt werden. Das pulverförmige Füllmaterial wird häufig nach dem Füllen des Sensorkopfes innerhalb desselben weiter verdichtet. Hierfür sind verschiedene dem Fachmann geläufige
Verfahren möglich, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei dem zumindest einen
Füllmaterial um ein Aluminiumoxid, ein Magnesiumoxid, einen, insbesondere
aushärtenden, Keramikverguss, Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, oder um ein Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber. Allen diesen Materialien ist gemeinsam, dass die Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Materials unter anderem von dessen Dichte bzw. dessen Feststoffgehalt abhängt.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest ein erstes und ein zweites Füllmaterial in den Sensorkopf eingebracht werden.
Hierbei kann es sich beispielsweise um ein zweikomponentiges Vergussmaterial handeln. In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn das erste und zweite Füllmaterial in Form eines Gemisches in den Sensorkopf eingebacht werden. Ebenso denkbar ist jedoch, dass das erste und zweite Füllmaterial jedoch auch nacheinander in den Sensorkopf eingebracht werden. Hierbei kann insbesondere auch ein erster Teilbereich des Innenvolumens mit dem ersten Füllmaterial und ein zweiter Teilbereich des Innenvolumens mit dem zweiten Füllmaterial gefüllt werden. Bezüglich der letztgenannten Ausgestaltungen sei insbesondere auf die bisher unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102016125403.7 und die darin beschriebenen Ausgestaltungen verwiesen. Die genannte Anmeldung bezieht sich auf ein Thermometer, bei welchem ein Sensorkopf mit zumindest zwei
verschiedenen Materialien gefüllt ist, wobei das erste Material der Fixierung zumindest einer Komponente des Sensorelements und das zweite Material der Wärmeleitung innerhalb des Sensorkopfes dient. Auf diese Anmeldung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich Bezug genommen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der Sensorkopf gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt wird. Dies kann bereits während des Einfüllens des zumindest einen Füllmaterials also auch im Anschluss an das Einfüllen passieren. Diese Ausgestaltung gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Füllung des jeweils zu füllenden Innenvolumens des Sensorkopfes.
Darüber hinaus kann im Falle mehrerer Füllmaterialien beispielsweise eine homogene Durchmischung der verschiedenen Füllmaterialien erreicht werden, falls diese in Form eines Gemisches in den Sensorkopf eingebracht werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Einbringen des Füllmaterials ein Gas in den Sensorkopf eingefüllt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gas um ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit >0,05 W/(mK), beispielsweise Helium. In Bezug auf diese Ausgestaltung ist es außerdem von Vorteil, wenn das Gas mit einem Druck von mindestens 5bar, vorzugsweise mit einem Druck von mindestens 10bar in den
Sensorkopf eingefüllt wird. Durch die zusätzliche Füllung mit einem entsprechenden Gas kann die Ansprechzeit des Thermometers noch weiter verbessert werden.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend ein in einem Sensorkopf angeordnetes Sensorelement, welche Vorrichtung gemäß einem der beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst der Sensorkopf ein, insbesondere zylindrisches, Mantelelement, und ein, insbesondere kreisförmiges, Bodenelement.
Die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen
Ausgestaltungen sind mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbar und umgekehrt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren genauer erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Thermometers mit gekapseltem
Sensorelement nach Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Zeichnung zum Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 3 ein Diagramm der Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien als Funktion ihrer Dichte, und
Fig. 4 ein Diagramm zur Illustrierung des zusätzlichen Effekts durch Füllen des
Sensorkopfes mit einem Gas. Im Folgenden werden gleiche Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig.1 ist eine schematische Abbildung eines Thermometers 1 mit einem Schutzrohr 2 und einer Elektronikeinheit 4 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der dem jeweiligen Medium 5 zugewandte Teilbereich des Schutzrohres 2 wird auch als Sensorkopf 3 bezeichnet. Ein Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 ist mit einem Füllmaterial 6 gefüllt. Ferner ist im Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 ein Temperatursensor 7 angeordnet, welcher in der gezeigten Ausführung ein temperaturempfindliches Element 8, hier in Form eines Widerstandselements, und zwei Anschlussdrähte 9a, 9b zur elektrischen
Kontaktierung mit der Elektronikeinheit 5, umfasst. Das temperaturempfindliche Element 8 sowie ein Teilabschnitt der Anschlussdrähte 9a, 9b des Temperatursensors 7 sind durch den Füllmaterial 6 innerhalb des Innenvolumens V des Sensorkopfes 3 eingeschlossen und/oder gekapselt. Dies führt zu einer besonders hohen mechanischen Stabilität und Vibrationsfestigkeit des Thermometers 1. Allerdings zeichnen sich die allgemein bekannten, zur Gewährleistung einer hohen mechanischen Stabilität und
Vibrationsfestigkeit geeigneten Materialien nachteilig durch vergleichsweise geringe thermische Wärmeleitfähigkeiten λ aus. Somit weisen Thermometer 1 , bei welchen zumindest eine Komponente des Temperatursensors 7, in diesem Fall das
Sensorelement 7 und ein Teilabschnitt der Anschlussdrähte 9a, 9b in einen Füllstoff 6 eingeschlossen oder innerhalb des Füllmaterials 6 gekapselt ist, durch vergleichsweise schlechtere Ansprechzeiten auf.
Bei dem Füllmaterial 6 handelt es sich beispielsweise um ein Aluminiumoxid, ein Magnesiumoxid, einen, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss,
Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, oder um ein Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber.
Im Falle, dass das Füllmaterial 6 elektrisch leitfähig ist, sind verschiedene Maßnahmen denkbar, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen zumindest einer Komponente 8,9 des Temperatursensors 7 und dem Sensorkopf 3, welcher üblicherweise aus einem
Metall gefertigt ist, zu gewährleisten. Die Anschlussdrähte 8,9 können über einen großen Abschnitt hinweg durch eine elektrische Isolierung (nicht gezeigt) umgeben sein. Im Bereich der Kontaktierung zwischen den Anschlussdrähten 9a, 9b kann ein elektrisch isolierendes Formteil (ebenfalls nicht gezeigt) zum Einsatz kommen. Bezüglich dieser Thematik sind dem Fachmann ferner viele weitere Möglichkeiten bekannt, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen.
Nun ist es jedoch so, dass bei einem Thermometer grundsätzlich neben einer durch das Vergießen bzw. Kapseln des Sensorelements erzielbaren hohen mechanischen Stabilität auch eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit λ in Bezug auf das Füllmaterial 6 wünschenswert ist. Die beiden Bestrebungen sind jedoch in der Regel nicht ohne weiteres vereinbar. Dieser Problematik begegnet die vorliegende Erfindung dadurch, dass ein Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 vakuumisiert wird, bevor das Füllmaterial 6 eingebracht wird. Durch die Erzeugung eines Vakuums kann eine erhöhte Dichte des Füllmaterials 6 erzielt werden, was zu deutlich verbesserten Ansprechzeiten des jeweiligen Thermometers führt.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf ein Füllmaterial 6 in Form eines Pulvers. Zur Kapselung von Sensorelementen 3 bei Thermometern 1 werden derartige pulverförmige Materialien besonders häufig eingesetzt. Ein Pulver ist insbesondere vorteilhaft, weil es besonders einfach in den Sensorkopf 3 einbringbar ist. Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines Pulvers gewährleistet werden, dass das Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 gleichmäßig mit dem Füllmaterial 6 gefüllt wird. Analoge Überlegungen lassen sich auch für andere Aggregatzustände eines Füllmaterials, sowie für Granulate oder ähnliches anstellen.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung zur erfindungsgemäßen Herstellung eines Widerstandsthermometers 1. Nach der Anordnung des Sensorelements 3, welches für den vorliegenden Fall durch ein Widerstandselement gemäß Fig. 1 gegeben ist, wird in einem ersten Schritt ein Vakuum innerhalb eines Innenvolumens V des Sensorkopfes 3 erzeugt. Hierzu kann eine Vorrichtung 10 in Form eines T-förmigen Rohrstücks verwendet werden, in welches in einem ersten Endbereich 10a über ein Ventil 1 1 eine
Vakuumpumpe 12 und in einem zweiten Endbereich 10b der Sensorkopf 3 eingebracht werden kann. Der Sensorkopf 3 umfasst ein zylinderförmiges Mantelelement, welches im dem T-förmigen Rohrstück 10 zugewandten Bereich nicht verschlossen ist sondern über die Öffnung O vakuumisierbar ist. Der Sensorkopf 3 kann dabei mittels einer geeigneten Dichtung 12, beispielsweise in Form eines O-Ringes, innerhalb des T-förmigen
Rohrstücks 10 befestigt werden. Eine Öffnung des T-förmigen Rohrstücks 10 in einem dritten Endbereich weist schließlich ein Gewinde 13a auf, an welches eine Kappe 14 mit einem entsprechenden komplementären Gewinde 13b angeschraubt werden kann, innerhalb welchem sich das zumindest eine Füllmaterial 6 befindet.
Es sei darauf verwiesen, dass die Vorrichtung 10 keineswegs notwendig zur
Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Vielmehr sind zahlreiche andere Varianten denkbar, mittels welcher der Sensorkopf 3 ebenfalls vakuumisiert werden kann und welche dem Fachmann wohlbekannt sind. Außerdem versteht es sich von selbst, dass die Vorrichtung 10 beliebig verändert werden kann, wenn beispielsweise das Füllmaterial 6 aus mehreren Komponenten besteht. Diese können beispielsweise in getrennten Kappen 14 eingebracht sein o.ä. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Thermometers 1 wird das Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 über das Rohrstück 10 in einem ersten Schritt vakuumisiert.
Vorzugsweise wird hierbei ein Vakuum mit einem Druck von kleiner 10"1 mbar erzeugt. Anschließend kann die Kappe 14 optional für ein vorgebbares Zeitintervall geheizt werden, um etwaige Verunreinigungen innerhalb des Pulvers 6 zu entfernen. Die Verunreinigungen betreffen beispielsweise verschiedene, adsorptiv an das Pulver 6 gebundene Gasmoleküle. Die Temperatur, bis zu welcher die Kappe 14 mit dem Pulver 6 geheizt wird, sollte dabei vorzugsweise geringer sein als eine Schmelz- oder
Sintertemperatur des Pulvers 6, insbesondere kleiner als eine Verdampfungstemperatur des Pulvers 6.
In einem zweiten Schritt kann die Vorrichtung 10 beispielsweise entsprechend der durch die Pfeile 15a, 15b indizierten Drehrichtung rotiert werden, damit das Pulver 6 von der Kappe 14 in den Sensorkopf 3 eingefüllt werden kann. Während dieses
Verfahrensschrittes oder im Anschluss daran kann der Sensorkopf 3 mit der Vorrichtung 10 optional zusätzlich gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren
Frequenz versetzt werden.
In einem letzten Verfahrensschritt (nicht gezeigt) wird der Sensorkopf 3 verschlossen. Dies kann beispielsweise durch ein Verschweißen einer Öffnung O mittels einer
Bodenplatte (nicht gezeigt) erfolgen, nachdem der Sensorkopf 3 aus der Vorrichtung 10 entfernt wurde.
In Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm der Wärmeleitfähigkeit λ eines pulverförmigen Füllmaterial 6 in Form eines Aluminiumoxides (AI2O3) als Funktion des Feststoffanteils der Schüttung in Volumenprozent gezeigt. Die Wärmeleitfähigkeit λ eines Pulvers kann anhand den Wärmeleitfähigkeiten seiner Bestandteile ermittelt werden. Hierbei ist das Pulver selbst (λρ) sowie das das Pulver umgebende Medium (Am), im Allgemeinen Luft, sowie der Volumenanteil (v) des umgebenden Mediums (m) zu berücksichtigen. Es gilt:
Wie aus dem Diagramm in Fig. 3 ersichtlich, sorgt ein erhöhter Feststoffanteil in
Volumenprozent, entsprechend einer erhöhten Dichte des Füllmaterials 6, zu einer deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit λ.
Gemäß Stand der Technik wird ein zu verkapselndes Sensorkopf 3 durch die Öffnung O mit dem jeweiligen Füllmaterial 6, in der Regel in Form eines Pulvers, gefüllt. Die Luft, welche sich im Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 befindet, wird dabei aus dem
Sensorkopf 3 herausgedrängt und strömt gegen das herabrieselnde Pulver 6 aus demselben heraus. Desto mehr Pulver 6 bereits in den Sensorkopf 3 enthalten ist, desto höher ist die Verdichtung der einzelnen Schichten des Pulvers 6 und desto schwieriger ist die Verdrängung verbleibender Lufteinschlüsse aus dem Innenvolumen V des
Sensorkopfes 3. Es ist also nicht möglich, einen bestimmten, von dem gewählten pulverförmigen Füllmaterial 6 abhängigen Feststoffanteil innerhalb des Sensorkopfes 3 zu überschreiten. Dies stellt einen grundsätzlichen Begrenzungsfaktor für die maximal mögliche Wärmeleitung innerhalb des Sensorkopfes 3 dar.
Ein sehr häufig verwendetes Füllmaterial ist gegeben durch Aluminiumoxid-Pulver. Die Dichte typischer im Bereich des Thermometerbaus verwendeter Aluminiumoxid-Pulver liegt im Bereich von 0,9-1 , 12 kg/dm3, was einem Feststoffanteil x von etwa 28 Vol.-% entspricht. Damit beträgt die Wärmeleitfähigkeit λ eines Aluminiumoxid-Pulvers etwa 0,15-0,18W/(mK) und ist gegenüber der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium in Form eines Festkörpers etwa um den Faktor 150 geringer.
Wird das Füllmaterial nun unter Vakuum in den Sensorkopf eingefüllt, so kann eine zusätzliche Verdichtung erzielt werden. Dies führt zu einer signifikanten Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit λ des Füllmaterials 6 und damit einhergehend zu einer deutlich verbesserten Ansprechzeit eines entsprechenden Thermometers 1 . Im Falle von
Aluminium-Oxid-Pulver kann beispielsweise eine Vergrößerung des Feststoffanteils x von etwa 28% auf etwa 35% erzielt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass das Innenvolumen V des Sensorkopfes 3 nach dem Einbringen des Füllmaterials 6 zusätzlich mit einem Gas gefüllt wird, beispielsweise mittels des Ventils 1 1 aus Fig. 2. Nach dem Füllen des Sensorkopfes 3 unter Vakuum wird der Sensorkopf 3
beispielsweise über das Ventil 1 1 belüftet. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann ein Gas, vorzugsweise mit einem Druck von etwa 5bar, besonders bevorzugt mit einem Druck von mindestens 10bar, in den Sensorkopf 3 eingefüllt. Bei dem Gas handelt es sich um ein Gas mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit λ, insbesondere mit einer
Wärmeleitfähigkeit λ, welche größer ist als die von Luft. Besonders bevorzugt und auch für das in Fig. 4 gezeigte Beispiel wird als Gas Helium verwendet. Zur Füllung des Sensorkopfes 3 mit dem Gas sind verschiedenste dem Fachmann bekannte Verfahren denkbar, welche allesamt unter die vorliegende Erfindung fallen. Vorzugsweise wird der Sensorkopf 3 vor dem Einfüllen des Gases bis auf eine verbleibende Öffnung
vorgebbarer Querschnittsfläche, insbesondere eine Kapillaröffnung, verschlossen. Die verbleibende Öffnung wird also bevorzugt möglichst klein gewählt, um ein Austreten des Gases beim Verschließen des Sensorkopfes 3 nach dem Einfüllen des Gases zu minimieren. Nach dem Einfüllen des Gases in den Sensorkopf 3 wird dieser vollständig verschlossen, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens. Der Effekt einer zusätzlichen Füllung des Sensorkopfes 3 mit einem Gas ist für das Beispiel von Helium schematisch in Fig. 4 illustriert. Das Diagramm zeigt für
pulverförmiges Aluminiumoxidpulver jeweils die Wärmeleitfähigkeit λ als Funktion des Feststoffanteils x des Pulvers 6 bei einer herkömmlichen Füllung an Luft [durchgezogene Linie] und im Falle einer zusätzlichen Füllung mit Helium [gestrichelte Linie]. Durch die Einfüllung von Helium unter Überdruck können im Sensorkopf 3 verbleibende
Lufteinschlüsse weiter verdrängt werden, was zu einer weiteren Erhöhung der
Wärmeleitfähigkeit λ und damit einhergehend zu einer weiteren Verbesserung der Ansprechzeit eines entsprechenden Thermometers 1 führt. Es versteht sich von selbst, dass eine zusätzliche Verbesserung ebenso auftritt, wenn das pulverförmige Füllmaterial 6 zuvor unter Vakuumbedingungen in den Sensorkopf 3 eingefüllt wurde.
Bezugszeichenliste
1 Thermometer
2 Schutzrohr
3 Sensorkopf
4 Elektronikeinheit
5 Medium
6 Füllmaterial
7 Temperatursensor
8 Sensorelement
9a,9b Anschlussdrähte
10 T-förmige Vorrichtung
10a,10b,10c Endbereiche der T-förmigen Vorrichtung
1 1 Ventil
12 Vakuumpumpe
13a, 13b Gewinde
14 Kappe
15a, 15b Drehrichtung λ Wärmeleitfähigkeit
V Innenvolumen des Sensorkopfes o Öffnung des Sensorkopfes

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung und/oder
Überwachung der Temperatur (T) eines Mediums (5)
umfassend folgende Verfahrensschritte:
Anordnen eines Sensorelements (7) in einen Sensorkopf (3),
Erzeugen eines Vakuums in einem Innenvolumen (V) des Sensorkopfes (3), Einbringen von zumindest einem Füllmaterial (6) zumindest in einen
Teilbereich des Innenvolumens (V) des Sensorkopfes (3), und
Verschließen des Sensorkopfes (3).
Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei es sich bei dem Sensorelement (7) um einen Temperatursensor (7) umfassend zumindest ein temperaturempfindliches Element (8) und zumindest einen Anschlussdraht (9a, 9b) zur, insbesondere elektrischen, Kontaktierung des Elements (8), handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei ein Vakuum mit einem Druck von kleiner 10-1 mbar, bevorzugt kleiner 10" 2mbar, und besonders bevorzugt kleiner 10"3mbar erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial (6) um ein pul verförmiges Material handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei es sich bei dem zumindest einen Füllmaterial (6) um ein Aluminiumoxid, ei Magnesiumoxid, einen, insbesondere aushärtenden, Keramikverguss,
Kohlenstoffnanoröhrchen, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, oder um ein Metall, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Silber, handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zumindest ein erstes und ein zweites Füllmaterial in den Sensorkopf (3) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 6,
wobei das erste (6) und zweite Füllmaterial in Form eines Gemisches in den Sensorkopf (3) eingebacht werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das erste (6) und zweite Füllmaterial nacheinander in den Sensorkopf (3) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8,
wobei ein erster Teilbereich des Innenvolumens (V) mit dem ersten Füllmaterial (3) gefüllt wird und ein zweiter Teilbereich des Innenvolumens (V) mit dem zweiten Füllmaterial.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Sensorkopf (3)gerüttelt und/oder in Schwingungen mit einer vorgebbaren Frequenz versetzt wird.
1 1. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei nach dem Einbringen des Füllmaterials (6) ein Gas in den Sensorkopf (3) eingefüllt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
wobei es sich bei dem Gas um ein Gas mit einer Wärmeleitfähigkeit >0,05 W/(mK) handelt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12,
wobei das Gas mit einem Druck von mindestens 5bar, vorzugsweise mit einem Druck von mindestens 10bar in den Sensorkopf (3) eingefüllt wird. 14. Vorrichtung (1 ) zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend ein in einem Sensorkopf (3) angeordnetes
Sensorelement (7), welche Vorrichtung (1 ) gemäß einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.
15. Vorrichtung Anspruch 1 1 ,
wobei der Sensorkopf (3) ein, insbesondere zylindrisches, Mantelelement, und ein, insbesondere kreisförmiges, Bodenelement umfasst.
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