WO2014184142A1 - Messgerät, insbesondere für die prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen sensorspitze - Google Patents

Messgerät, insbesondere für die prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen sensorspitze Download PDF

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WO2014184142A1
WO2014184142A1 PCT/EP2014/059660 EP2014059660W WO2014184142A1 WO 2014184142 A1 WO2014184142 A1 WO 2014184142A1 EP 2014059660 W EP2014059660 W EP 2014059660W WO 2014184142 A1 WO2014184142 A1 WO 2014184142A1
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recess
solder
sensor element
measuring device
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PCT/EP2014/059660
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Sebastian Liehr
Stephan Reichart
Walter Reichart
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Ifm Electronic Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01K1/16—Special arrangements for conducting heat from the object to the sensitive element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements

Definitions

  • the invention relates to a measuring device, in particular for process measuring technology, with a cylindrical sensor tip according to the preamble of claim 1.
  • Measuring devices of the aforementioned type are used in automation technology to monitor the properties of a fluid, for example in terms of pressure, temperature, flow, level, with a cylindrical sensor tip is usually present in temperature measuring devices and thermal flow meters. In such measuring instruments is located in the sensor tip, a temperature-sensitive electronic component, the temperature of the
  • a Pt1 OO element may be mentioned here. So that the temperature can be transferred almost loss-free to the temperature-sensitive component, it is soldered on the housing wall inside the sensor tip. A thermally conductive but electrically insulating layer disposed between the temperature sensitive device and the solder assures near lossless transmission of temperature to that device but isolates the device from the sensor tip housing. Such a construction is shown, for example, by EP 0 590 449 A2.
  • Sensor tip is usually in the order of 5 - 10 mm and thus a soldering in a conventional manner is not possible.
  • a consistent Lot distribution and a uniformly thick layer of solder to be ensured in order to minimize the dispersion of the properties of the meter and to reduce the calibration of manufactured measuring instruments.
  • DE 10 2006 048 448 A1 proposes applying a predefinable quantity of solder to the component and approximating the component to the inside of the sensor tip in such a way that the solder is between the component and the inside of the sensor tip, and subsequently melting the solder ,
  • the disadvantage here is the relatively high outlay, in particular with regard to the predetermined overhead kinking, and that a displacement mechanism must be present in order to realize the defined approach of the component.
  • the object of the invention is to reproducibly solder a temperature-sensitive electronic component on the inside of a sensor tip with a uniform solder distribution and a uniformly thick solder layer and thereby the
  • the essence of the invention consists in the step-like depression, which is introduced on the inside of the sensor tip housing, more precisely on its end face.
  • the conductor film adapts in a U-shaped manner to the inner contour of the sensor tip, wherein the temperature-sensitive component is arranged on the conductor film in the area of the end face of the sensor tip.
  • the solder has a defined area in which it can be distributed without this distribution process by the
  • Conductor film or a tool for introducing the conductor film is or can be influenced.
  • the use of a ceramic substrate has proved to be advantageous.
  • the sensor element is applied directly to this substrate and either directly wired or electrically contacted on the back via a conductor film.
  • the step-like depression on the end face of the housing that is arranged at its distal end, since in many cases the positioning of the Sensor element has been found to be advantageous at this point.
  • this step-like depression can also be provided at another location, for example. On the side wall.
  • the depression can be achieved by reducing the wall thickness of the
  • Sensor tip housing for example, by a turning or milling process, or alternatively by a forming process, such as. Deep drawing or stamping, or by inserting an annular body are made in the housing and is in the range of 100 - 500 ⁇ , preferably 100 - ⁇ , particularly preferably at 150 ⁇ .
  • FIG. 1 shows a measuring device of process measuring technology in side view
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the sensor tip of the measuring device from FIG.
  • FIG. 3 is a further enlarged view of the sensor tip of FIG.
  • Measuring device of Fig. 2 as a sectional view.
  • FIG. 1 shows a measuring device 1 of the process measuring technology which in the
  • the present case is a thermal flow meter. Conceivable and included by the invention is also a temperature measuring device.
  • the meter 1 has u.a. a cylindrical sensor tip 10, with the medium to be measured in
  • the circularly rimmed area of the sensor tip 10 is shown enlarged as a sectional view in FIG. 2.
  • Sensor tip 10 comprises a cylindrical housing 1 1, which has a recess 20 at its end face 12.
  • the recess 20 does not extend over the entire inner diameter of the housing 1 1 but only in a partial area, so that there is a step. That the recess 20 is arranged on the end face 12 represents only a preferred embodiment.
  • this recess 12 - depending on where the temperature-sensitive resistors are positioned - also, for example, be arranged on the side wall of the housing 1 1. It is crucial that the depression is arranged at the location of the heat transfer from the medium to the sensor element.
  • a flexible conductor film 6 is arranged in a U-shape in the housing 11 and comprises the electronic components necessary for the thermal flow measurement, i.a. a first thermistor component 3, a second thermistor component 4 and a heating element 5.
  • the thermistor components may, for example, be embodied as a Pt100 component and the heating element as a resistance component.
  • a first temperature is measured, which is directly influenced by the heating element 5.
  • the second thermistor device 4 acts as a reference and measures a second temperature, which is indeed influenced by the heating element 5, although a dependency on the
  • Flow rate of the sensor tip surrounding and transmitting the temperature medium is present.
  • the difference between the measured temperature values of the first and the second thermistor component 3, 4 is then a measure of this flow rate.
  • the operation of a thermal flow meter is well known, so that only a rough representation takes place at this point. Also conceivable and included by the invention is a temperature measuring device, which then has only one thermistor component 3.
  • a contacting by means of conductor film 6 can also be a direct
  • the heat-conducting, electrically insulating layer 2 is guided in the form of a ceramic substrate on the end face 12.
  • the Lot 21 through which a ceramic substrate 2 and the housing 1 1 are connected to the temperature of the medium without heavy losses on the housing 1 first to lead to the thermistor device 3.
  • this selective heat supply is performed by a
  • the lower part of the sensor tip 10 is shown enlarged again. It can be clearly seen how the ceramic substrate 2 covers the recess 20 and rests on the inside or the housing front side 12 to the right or left of the recess 20. Thus, the ceramic substrate 2 acts as a lid, thus allowing the uniform distribution of the solder 21 within the recess 20, while it even for a very good heat transfer from the housing wall 1 1 a or the
  • End face 12 to the thermistor component 3 provides.
  • the inside of the housing wall 1 1 a preferably has a nickel-copper coating in order to facilitate the connection with the solder 21 and thus to improve the soldering process itself.

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Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen Sensorspitze (10), die ein geschlossenes Gehäuse (11), ein sich innerhalb des Gehäuses (11) befindliches Sensorelement (3) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und zur Generierung eines Sensorsignals elektronische Bauelemente umfasst, die über elektrische Anschlussleitungen und/ oder einen Leiterfilm (6) mit dem Sensorelement verbundenen sind, wobei das Sensorelement (3) mittels eines Lots (21) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist und zwischen dem Sensorelement (3) und dem Lot (21) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) angeordnet ist. Um das temperaturempfindliche elektronische Bauteil auf der Innenseite der Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufzulöten und dabei den fertigungstechnischen Aufwand zu verringern sowie den Wärmeübergang zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse (11) eine stufenartige, das Gehäuse (11) nicht durchdringende Vertiefung (20) aufweist und dass die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramiksubstrat ausgeführt ist, die die Vertiefung (20 überdeckt, wobei die Vertiefung (20) an der Innenseite des Gehäuses (11) angeordnet ist und zur Aufnahme des Lots (21) dient, über das das Sensorelement (3) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, und das Lot (21) sich im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in der Vertiefung (20) verteilt, so dass sich im Bereich der Vertiefung (20) zwischen der Gehäusewand (11 a) und dem Keramiksubstrat (2) und damit auch zwischen der Gehäusewand (11 a) und dem Sensorelement (3) ein definierter Abstand einstellt.

Description

MESSGERÄT, INSBESONDERE FÜR DIE PROZESSMESSTECHNIK, MIT EINER ZYLINDERFÖRMIGEN SENSORSPITZE
Die Erfindung betrifft ein Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen Sensorspitze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Messgeräte der vorgenannten Art werden in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt, die Eigenschaften eines Fluids, bspw. hinsichtlich Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand, zu überwachen, wobei eine zylinderförmige Sensorspitze zumeist bei Temperaturmessgeräten und thermischen Durchflussmessgeräten vorhanden ist. Bei derartigen Messgeräten befindet sich in die Sensorspitze ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil, das die Temperatur des die
Sensorspitze umgebenden Mediums erfasst. Als Beispiel sei hier ein Pt1 OO-Element genannt. Damit die Temperatur nahezu verlustfrei zu dem temperaturempfindlichen Bauteil übertragen werden kann, wird es auf der Gehäusewandinnenseite der Sensorspitze angelötet. Eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierenden Schicht, die zwischen dem temperaturempfindlichen Bauteil und dem Lot angeordnet ist, stellt die nahezu verlustfreie Übertragung der Temperatur zu diesem Bauteil sicher, isoliert jedoch das Bauteil von dem Sensorspitzengehäuse. Einen derartigen Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 590 449 A2.
Entscheidend für die thermischen und damit messtechnischen Eigenschaften derartiger Messgeräte mit in der Sensorspitze aufgelöteten Bauteilen ist der
Lötprozess, bei dem das betreffende Bauteil mit dem Innenboden eines z. B. aus Edelstahl bestehenden Gehäuses verbunden wird. Nichtbeherrschbare
Schwankungen beim Lötprozess können zu erheblichen Variationen der
Sensoreigenschaften einer Sensorserie führen. Insbesondere bei
Durchflussmessgeräten ist neben der Menge auch die Homogenität und
geometrische Verteilung des Lotes entscheidend für die qualitativ konstante
Produktion der Sensorspitzen und deren messtechnischen Eigenschaften. Dies kann u. a. entscheidend dafür sein, ob die Messgeräte anschließend noch einzeln kalibriert werden müssen oder nicht.
Problematisch ist also zum einen das Löten selbst, da der Durchmesser der
Sensorspitze zumeist in der Größenordnung 5 - 10 mm liegt und somit ein Löten auf konventionelle Art nicht möglich ist. Zum anderen muss eine gleichbleibende Lotverteilung und eine gleichmäßig dicke Lotschicht sichergestellt werden, um die Streuung der Eigenschaften des Messgeräts möglichst klein zu halten und den Kalibrieraufwand der gefertigten Messgeräte zu verringern.
Hierzu macht die DE 10 2006 048 448 A1 den Vorschlag, auf das Bauelement eine vorgebbare Menge Lot aufzubringen und das Bauelement an die Innenseite der Sensorspitze derartig anzunähern, dass sich das Lot zwischen dem Bauelement und der Innenseite der Sensorspitze befindet, und das Lot anschließend aufzuschmelzen. Nachteilig hierbei ist jedoch der vergleichsweise hohe Aufwand, insbesondere hinsichtlich der vorgegebenen Überkopflötung und dass ein Verschiebemechanismus vorhanden sein muss, um die definierte Annäherung des Bauelements zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil auf der Innenseite einer Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufzulöten und dabei den
fertigungstechnischen Aufwand zu verringern sowie den Wärmeübergang zu verbessern.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den darauf rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht in der stufenartigen Vertiefung, die an der Innenseite des Sensorspitzengehäuses, genauer gesagt an dessen Stirnseite eingebracht ist. Der Leiterfilm passt sich U-förmig der Innenkontur der Sensorspitze an, wobei das temperaturempfindliche Bauteil im Bereich der Stirnseite der Sensorspitze auf dem Leiterfilm angeordnet ist. Über die Vertiefung hat das Lot einen definierten Bereich, in dem es sich verteilen kann, ohne dass dieser Verteilungsvorgang durch den
Leiterfilm oder ein Werkzeug zum Einführen des Leiterfilms beeinflusst wird bzw. werden kann.
Für die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht hat sich die Verwendung eines Keramiksubstrats als vorteilhaft erwiesen. Das Sensorelement ist dabei direkt auf dieses Substrat aufgebracht und entweder direkt verdrahtet oder rückseitig über einen Leiterfilm elektrisch kontaktiert.
Bevorzugt ist die stufenartige Vertiefung an der Stirnseite des Gehäuses, d.h. an seinem distalen Ende, angeordnet, da sich in vielen Fällen die Positionierung des Sensorelements an dieser Stelle als vorteilhaft herausgestellt hat. Letztlich kann jedoch diese stufenartige Vertiefung auch an einer anderen Stelle vorgesehen werden, bspw. an der Seitenwand.
Die Vertiefung kann durch eine Reduzierung der Wandstärke des
Sensorspitzengehäuses, bspw. durch einen Dreh- oder Fräsprozess, oder alternativ durch einen Umformprozess, wie bspw. Tiefziehen oder Prägen, oder durch das Einlegen eines ringförmigen Körpers in das Gehäuse hergestellt werden und liegt im Bereich von 100 - 500 μιτι, bevorzugt 100 - 300 μιτι, besonders bevorzugt bei 150 μιτι.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Messgerät der Prozessmesstechnik in Seitenansicht,
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der Sensorspitze des Messgeräts aus Fig.
1 als Schnittbild und
Figur 3 eine nochmals vergrößerte Darstellung der Sensorspitze des
Messgeräts aus Fig. 2 als Schnittbild.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In Figur 1 ist ein Messgerät 1 der Prozessmesstechnik dargestellt, das im
vorliegenden Fall ein thermisches Durchflussmessgerät ist. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät. Das Messgerät 1 weist u.a. eine zylindrische Sensorspitze 10 auf, die mit dem zu messenden Medium in
Berührung kommt und die für die eigentliche Messung notwendigen elektronischen Bauteile beinhaltet. Der kreisförmig umrandete Bereich der Sensorspitze 10 ist als Schnittbild in der Fig. 2 vergrößert dargestellt.
In Figur 2 ist die Sensorspitze 10 als Schnittbild vergrößert abgebildet. Die
Sensorspitze 10 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 1 1 , das an seiner Stirnseite 12 eine Vertiefung 20 aufweist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, erstreckt sich die Vertiefung 20 nicht über den gesamten inneren Durchmesser des Gehäuses 1 1 sondern nur in einem Teilbereich, so dass sich eine Stufe ergibt. Dass die Vertiefung 20 an der Stirnseite 12 angeordnet ist stellt lediglich eine bevorzugte Ausführungsform dar. Selbstverständlich kann sich diese Vertiefung 12 - je nachdem, wo die temperaturempfindlichen Widerstände positioniert sind - auch bspw. an der Seitenwand des Gehäuses 1 1 angeordnet sein. Entscheidend ist, dass die Vertiefung am Ort des Wärmeübergangs vom Medium zum Sensorelement angeordnet ist.
Ein flexibler Leiterfilm 6 ist U-förmig in dem Gehäuse 1 1 angeordnet und umfasst die für die thermische Strömungsmessung notwendigen elektronischen Bauteile, u.a. ein erstes Thermistor-Bauelement 3, ein zweites Thermistor-Bauelement 4 und ein Heizelement 5. Die Thermistor-Bauelemente können bspw. als Pt100-Bauelement und das Heizelement als Widerstands-Bauelement ausgeführt sein. Über das erste Thermistor-Bauelement 3 wird eine erste Temperatur gemessen, die unmittelbar durch das Heizelement 5 beeinflusst wird. Das zweite Thermistor-Bauelement 4 fungiert als Referenz und misst eine zweite Temperatur, die zwar auch durch das Heizelement 5 beeinflusst wird, wobei allerdings eine Abhängigkeit von der
Strömungsgeschwindigkeit des die Sensorspitze umgebenden und die Temperatur übertragenden Mediums vorhanden ist. Der Unterschied zwischen den gemessenen Temperaturwerten des ersten und des zweiten Thermistor-Bauelement 3, 4 ist dann ein Maß für diese Strömungsgeschwindigkeit. Die Funktionsweise eines thermischen Durchflussmessgeräts ist hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle nur eine grobe Darstellung erfolgt. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät, das dann nur ein Thermistor-Bauelement 3 aufweist.
Alternativ zu einer Kontaktierung mittels Leiterfilm 6 kann auch eine direkte
Verdrahtung vorgesehen sein.
Über die Vertiefung 20 ist an der Stirnseite 12 die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht 2 in Form eines Keramiksubstrats geführt. In der Vertiefung 20, d.h. zwischen dem Keramiksubstrat 2 und der Gehäusewand 1 1 a befindet sich das Lot 21 , über das das eines Keramiksubstrat 2 und das Gehäuse 1 1 miteinander verbunden sind, um die Temperatur des Mediums ohne starke Verluste über das Gehäuse 1 1 an das Thermistor-Bauelement 3 zu führen. Durch die Vertiefung 20 ergibt sich jetzt eine gleichmäßige und reproduzierbare Lotdicke, so dass die thermische Ankopplung des Thermistor-Bauelements 3 an das Gehäuse 1 1 reproduzierbar ist und sich damit der Abgleichaufwand verringert. Für einfache Anwendungen, d.h. je nach Genauigkeitsanforderungen kann sogar auf einen Abgleichvorgang verzichtet werden.
Bei der Fertigung wird, nachdem das Keramiksubstrat 2 mit dem Thermistor- Bauelement 3 in das Gehäuse 1 1 der Sensorspitze 10 eingeführt ist, das
Keramiksubstrat 2 mit der Gehäuseinnenwand 1 1 a der Sensorspitze 10 verlötet, in dem auf der Außenseite der Gehäusestirnseite 12 punktuell Wärmeenergie zugeführt wird. Vorzugsweise erfolgt diese punktuelle Wärmezuführung durch einen
Laserstrahl.
In Figur 3 ist der untere Teil der Sensorspitze 10 nochmals vergrößert dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, wie das Keramiksubstrat 2 die Vertiefung 20 überdeckt und rechts bzw. links neben der Vertiefung 20 auf der Innenseite der Gehäusestirnseite 12 aufliegt. Damit wirkt das Keramiksubstrat 2 wie ein Deckel und ermöglicht so die gleichmäßige Verteilung des Lots 21 innerhalb der Vertiefung 20, während es selbst für einen sehr guten Wärmeübergang von der Gehäusewand 1 1 a bzw. der
Stirnfläche 12 zum Thermistor-Bauelement 3 sorgt.
Die Innenseite der Gehäusewand 1 1 a weist vorzugsweise eine Nickel-Kupfer- Beschichtung auf, um die Verbindung mit dem Lot 21 zu erleichtern und damit den Lötprozess an sich zu verbessern.

Claims

Ansprüche
1 . Messgerät, insbesondere für die Prozessmesstechnik, mit einer
zylinderförmigen Sensorspitze (10), die ein geschlossenes Gehäuse (1 1 ), ein sich innerhalb des Gehäuses (1 1 ) befindliches Sensorelement (3) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und zur Generierung eines
Sensorsignals elektronische Bauelemente umfasst, die über elektrische Anschlussleitungen und/oder einen Leiterfilm (6) mit dem Sensorelement verbundenen sind,
wobei das Sensorelement (3) mittels eines Lots (21 ) thermisch mit dem Gehäuse (1 1 ) verbunden ist und zwischen dem Sensorelement (3) und dem Lot (21 ) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (1 1 ) eine stufenartige, das Gehäuse (1 1 ) nicht
durchdringende Vertiefung (20) aufweist und dass die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramiksubstrat ausgeführt ist, die die Vertiefung (20 überdeckt,
wobei die Vertiefung (20) an der Innenseite des Gehäuses (1 1 ) angeordnet ist und zur Aufnahme des Lots (21 ) dient, über das das Sensorelement (3) thermisch mit dem Gehäuse (1 1 ) verbunden ist, und das Lot (21 ) sich im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in der Vertiefung (20) verteilt, so dass sich im Bereich der Vertiefung (20) zwischen der
Gehäusewand (1 1 a) und dem Keramiksubstrat (2) und damit auch zwischen der Gehäusewand (1 1 a) und dem Sensorelement (3) ein definierter Abstand einstellt.
2. Messgerät nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch eine Reduzierung der Wandstärke des Gehäuses (1 1 ) erreicht wird.
3. Messgerät nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch einen Umformprozess, insbesondere durch Tiefziehen erreicht wird.
4. Messgerät nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch einen auf der Innenseite des Gehäuses (1 1 ) aufliegenden ringförmigen Körper erreicht wird.
5. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (20) im Bereich von 100 - 500 μιτι liegt, bevorzugt 100 - 300 μιτι, besonders bevorzugt bei 150 m.
6. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) des Gehäuses (1 1 ) an der Stirnseite (12) seines distalen Endes angeordnet ist.
PCT/EP2014/059660 2013-05-14 2014-05-12 Messgerät, insbesondere für die prozessmesstechnik, mit einer zylinderförmigen sensorspitze WO2014184142A1 (de)

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