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Die vorliegende Erfindung betrifft einen redundanten Thermo-Sensor insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen.
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Thermo-Sensoren sind elektrische Bauteile in Steuerungsanlagen wie beispielsweise für Heizungen, die mit einem Fluid, also einer Flüssigkeit oder einem Gas, in Kontakt stehen, um dessen Temperatur zu erfassen. Solche Sensoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2012 204 817 A1 bekannt, bei dem die Temperatur durch einen veränderlichen Widerstand erfasst wird. Hierzu ist der veränderliche Widerstand auf einer Platine angebracht und von einer thermisch leitfähigen und gleichzeitig elektrisch isolierenden Kunststoff- oder Metallhülse umgeben. Die Kunststoffhülse steht dabei im Kontakt mit dem Gas oder der Flüssigkeit, dessen/deren Temperatur erfasst werden soll. Die Wärme gelangt durch die Kunststoffhülse an den veränderlichen Widerstand. Der veränderliche Widerstand ist mit einer Auswerteeinheit verbunden, die aus der Änderung des Widerstands des Sensorelements eine Temperatur ermittelt. Dabei weist die
DE 10 2012 204 817 A1 lediglich ein Sensorelement auf.
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Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es erforderlich, einen zuverlässigen Thermo-Sensor vorzusehen, welcher insbesondere redundant ausgebildet ist. So ist es zwar möglich, zwei Thermo-Sensoren vorzusehen, welche unabhängig voneinander ausgebildet sind. Dies birgt jedoch den Nachteil, dass aufgrund von Variationen im Herstellungsprozess oder einer unterschiedlichen Ausrichtung des jeweiligen Sensors relativ zur Strömungsrichtung des Fluids von den Sensoren unterschiedliche Ergebnisse geliefert werden, welche in einer Kalibrierung berücksichtigt werden müssten. Eine solche Kalibrierung wäre teuer und zeitaufwändig. Treten Abweichungen erst nach dem Einbau und der Inbetriebnahme also während des Betriebs der Steuereinrichtung auf, so führt dies unweigerlich zu einer fehlerhaften Steuerung der angeschlossenen Anlage.
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Ein exaktes Ausrichten der einzelnen Thermo-Sensoren relativ zur Strömungsrichtung des Fluids ist mit hohem Kosten- und Zeitaufwand verbunden. Auch die vorherige Selektion der Thermo-Sensoren um eventuelle Herstellungsvariationen auszuschließen ist nur unter hohem Zeitaufwand möglich und mit hohen Kosten verbunden.
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DE 10 2014225897 B3 offenbart einen hysteresefreien Hochtemperatursensor mit einer Vielzahl von Einzelwiederständen zur Erfassung der Temperaturänderung, wobei die Einzelwiederstände auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind.
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US 2016/0116346 A1 beschreibt einen Temperatursensor aus einem flexiblen Film, der einen temperaturabhängigen Widerstand aufweist.
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WO 03/093778 A1 beschreibt einen Temperatursensor, gebildet durch ein Siliziumsubstrat mit mindestens einem porösen Bereich zur thermischen Entkopplung, wobei eine Vielzahl von Temperaturmesselementen vorgesehen sind zur Erfassung der Temperaturdifferenz zwischen dem Siliziumsubstrat und dem porösen Bereich.
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DE 10 2014116658 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Temperaturbestimmung, sowie Messanordnung zur Bestimmung des Durchflusses mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand. Der Widerstand ist dabei von einem thermisch leitfähigen Fixierelement umgeben und von einer Halteklammer umfasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen redundanten Thermo-Sensor zu schaffen, der zuverlässig arbeitet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen redundanten Thermo-Sensor gemäß Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße redundante Thermo-Sensor insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen weist einen Platinenaufbau auf, wobei der Platinenaufbau einen ersten Abschnitt aufweist, sowie einen zweiten Abschnitt. Der erste Abschnitt weist dabei mindestens ein Anschlusselement auf, mit dem der Platinenaufbau beispielsweise mit einer Auswerteeinrichtung verbunden werden kann. Der zweite Abschnitt weist dabei erfindungsgemäß mindestens zwei Sensorelemente auf zur Erfassung der Temperatur eine Fluids. Dabei steht zumindest der zweite Abschnitt in thermischen Kontakt mit einem Fluid dessen Temperatur erfasst werden soll. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit wie Wasser handeln oder um ein Gas. Somit sind mindestens zwei Sensorelemente vorgesehen, so dass der Thermo-Sensor redundant ausgebildet ist und weiterhin funktioniert, auch bei Ausfall eines der Sensorelemente. Zur Erhöhung der Redundanz können insbesondere mehr als zwei Sensorelemente vorgesehen sein. Dabei sind die Sensorelemente insbesondere stets unmittelbar mit dem Platinenaufbau verbunden. Durch Vorsehen eines Platinenaufbaus ist eine einfache Montage des Thermo-Sensors möglich. Insbesondere ist durch die feste Verbindung zwischen Sensorelementen und Platinenaufbau die Position der Sensorelemente und deren Anschlüsse vorgegeben. Ein späteres Verrutschen der Sensorelemente und/oder deren Anschlüsse im Betrieb ist hierdurch ausgeschlossen.
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Erfindungsgemäß ist zumindest im zweiten Abschnitt des Platinenaufbaus mindestens ein Thermoleitelement vorgesehen zur thermischen Kopplung der mindestens zwei Sensorelemente, so dass durch die Sensorelemente im Wesentlichen dieselbe Temperatur gemessen wird. Durch das Thermoleitelement erfolgt eine schnelle Homogeneisierung der anliegenden Temperatur innerhalb des Platinenaufbaus, so dass unabhängig von der Ausrichtung der Sensorelemente relativ zur Strömungsrichtung des Fluids stets zuverlässig die Temperatur des Fluids erfasst wird durch jeden der vorgesehenen Sensorelemente. Ein aufwendiges Ausrichten des erfindungsgemäßen Thermo-Sensors ist nicht erforderlich. Auch kann eine aufwendige Kalibrierung der vorgesehenen Sensorelemente am Verwendungsort des redundanten Thermo-Sensors vereinfacht werden, oder unterbleiben. Hierdurch werden bei der Montage und Einrichtung der Steueranlage Zeit und damit Kosten gespart. Durch das Thermoleitelement erfolgt ein Homogenisieren der eingebrachten Wärme, so dass im Thermo-Sensor auftretende Temperaturdifferenzen, welche zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen würden, reduziert werden. Somit ist durch jedes der vorgesehenen Sensorelemente eine zuverlässige Messung möglich, unabhängig von ihrer Position innerhalb des Thermo-Sensoraufbaus. Durch Vorsehen des Thermoleitelements wird ebenfalls die Homogenisierung der eingebrachten Wäre innerhalb des Thermo-Sensors beschleunigt, so dass eine sprunghafte Temperaturänderung durch den erfindungsgemäßen Thermo-Sensor schnell erfasst wird.
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Vorzugsweise sind der erste Abschnitt des Platinenaufbaus und der zweite Abschnitt an gegenüberliegenden Enden des Platinenaufbaus vorgesehen.
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Vorzugsweise wird ein sprunghafter Anstieg der Temperatur des Fluids durch den Thermo-Sensor erfasst in weniger als 9 Sekunden, bevorzugt in weniger als 6 Sekunden und besonders bevorzugt in weniger als 5 Sekunden.
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Vorzugsweise weist das Thermoleitelement ein Material auf mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit , so dass eine schnelle Homogeneisierung der Wärme innerhalb des Thermo-Sensors durch die metallische Thermoleitschicht erfolgen kann. Insbesondere beträgt die Wärmeleitfähigkeit mehr als 100 W/(m·K) und bevorzugt mehr als 200 W/(m·K) und besonders bevorzugt mehr als 300 W/(m·K). Insbesondere weist das Thermoleitelement Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Keramik oder ein wärmeleitenden Kunststoff auf. Bei dem wärmeleitenden Kunststoff handelt es sich beispielsweise um Kunststoff, welcher Bornitrid aufweist und inebsondere handelt es sich um Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W/(m·K) oder 2 W/(m·K). Besonders vorteilhaft ist es wenn solche wärmeleitenden Kunststoffe elektrisch isolierend sind und als Zwischenelement zu einem hochleitfähigen Metallelement ausgeprägt sind.
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Vorzugsweise ist das Thermoleitelement als Thermoleitschicht ausgebildet. Die Thermoleitschicht weist somit eine geringe Dicke insbesondere von weniger als 400 µm, bevorzugt weniger als 105 µm und besonders bevorzugt lediglich 70 µm, aber mindestens 17,5 µm auf bei gleichzeitig großer Fläche. Hierdurch wird einerseits Material eingespart, welches für das Thermoleitelement vorgesehen werden müsste. Andererseits bleibt die effektive Wärmeverteilung innerhalb des Platinenaufbaus gewährleistet.
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Vorzugsweise sind in die mindestens eine Thermoleitschicht die Anschlüsse der mindestens zwei Sensorelemente integriert. Dies gelingt auf besonders einfache Weise falls es sich bei der Thermoleitsicht um eine metallische Thermoleitschicht handelt. Hierbei können die Anschlüsse der Sensorelemente als Leiterbahnen in der Thermoleitschicht ausgebildet sein. Insbesondere, falls mehr als eine Thermoleitsicht vorgesehen ist, können die Anschlüsse eines jeweiligen Sensorelements in einer eigenen Thermoleitschicht erfolgen. Sind beispielsweise zwei Sensorelemente vorgesehen und zwei Thermoleitschichten, so sind die Anschlüsse des ersten Sensorelements in der ersten Thermoleitschicht integriert, wohingegen die Anschlüsse des zweiten Sensorelements in der zweiten Thermoleitschicht integriert sind. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau erreicht, der insbesondere geschützt ist gegen äußere Einflusse beispielsweise durch Stoßwirkung, da die integrierten Anschlüsse nicht innerhalb des Thermo-Sensors verrutschen können.
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Vorzugsweise sind eine Vielzahl von parallel angeordneten Thermoleitschichten zumindest im zweiten Abschnitt des Platinenaufbaus vorgesehen. Durch das Vorsehen einer Vielzahl von Thermoleitschichten ist eine schnelle Homogeneisierung innerhalb des Thermo-Sensors möglich. Da die einzelnen Thermoleitschichten dünn ausgebildet sein können kann Material eingespart werden, da es nicht erforderlich ist einen massiven Kern beispielsweise aus einem Metall wie Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium vorzusehen. Durch die Vielzahl von parallel angeordneten Thermoleitschichten erfolgt eine effiziente Kopplung der vorgesehenen Sensorelemente, so dass durch diese im Wesentlichen dieselbe Temperatur gemessen wird und eine schnelle Weiterleitung der eingebrachten Wärme erfolgen kann, so dass die Reaktionszeit des Thermo-Sensors auf sprunghafte Temperaturänderungen z.B. des Fluid weiter reduziert wird. Gleichzeitig wird der Aufbau vereinfacht, da zwar die Sensorelemente thermisch gekoppelt sein sollen, jedoch für ein einwandfreies Funktionieren der Sensorelemente dies elektrisch unabhängig, also isoliert voneinander, angeordnet sein müssen.
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Vorzugsweise sind die Thermoleitschichten ausschließlich im zweiten Abschnitt vorgesehen. Hierdurch wird sichergestellt, dass Wärme nicht über den ersten Abschnitt abgeführt wird, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen würde. Insbesondere bei Vorsehen einer Vielzahl von Thermoleitschichten sind alle Thermoleitschichten ausschließlich im zweiten Abschnitt vorgesehen.
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Vorzugsweise sind die Thermoleitschichten durch eine elektrisch nicht-leitende Füllschicht voneinander getrennt. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Epoxidharz, welches zwischen die Thermoleitschichten eingebracht wird. Hierdurch werden die insbesondere metallischen Thermoleitschichten elektrisch voneinander isoliert, so dass auch die einzelnen Sensorelemente auf einfach Weise elektrisch isoliert voneinander ausgebildet bzw. angeordnet werden können. Durch das Vorsehen der Vielzahl von Thermoleitschichten ist auch bei einer geringeren Wärmeleitfähigkeit der Füllerschicht ein schnelles Homogenisieren der eingebrachten Wärme gewährleistet, so dass Temperaturänderungen des Fluids schnell und zuverlässig durch den Thermo-Sensor erfasst werden können. Dies wird erreicht durch die effiziente Wärmeleitung der einzelnen Thermoleitschichten. Besonders Vorteilhaft ist es die elektrisch nichtleitende Füllschicht aus einem Kunststoff-Material oder auch Epoxidharz zu erstellen welche mit z.B. Bornitrid gefüllt sind um zusätzlich eine bessere Wärmeleitung zu ermöglichen.
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Vorzugsweise sind einzelne Thermoleitschichten verbunden durch thermisch leitende, insbesondere metallische Verbindungselemente, wodurch eine effiziente Übertragung der Wärme zwischen den einzelnen Thermoleitschichten gewährleistet wird. Weiterhin ist es nicht erforderlich einen massiven Metallkern vorzusehen, welcher die Herstellungskosten erhöhen würde. Durch das Vorsehen der Vielzahl von Thermoleitschichten, welche an einzelnen Punkten durch insbesondere metallische Verbindungselemente miteinander verbunden sind, ist eine schnelle und zuverlässige Homogenisierung der Wärme innerhalb des Thermo-Sensors möglich. Eingespartes Material führt zu einem kostengünstigen Thermo-Sensor, der trotzdem eine schnelle Detektion von Temperaturänderungen eines Fluids gewährleistet. Durch die Verbindungselemente wird die thermische Kopplung der vorgesehenen Sensorelemente weiter verbessert, so dass alle Sensorelemente des Thermo-Sensors, stets im Wesentlichen dieselbe Temperatur messen ohne größere Zeitverzögerung. Somit kann ein zuverlässiges Messergebnis geliefert werden durch den Thermo-Sensor auch bei Ausfall eines der Sensorelemente.
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Vorzugsweise sind die mindestens zwei Sensorelemente unmittelbar verbunden mit den jeweils äußersten Thermoleitschichten. Insbesondere bei Vorsehen einer Vielzahl parallel angeordneter Thermoleitschichten ist vorzugsweise ein erstes Sensorelement mit der ersten Thermoleitschicht verbunden und ein zweites Sensorelement entweder ebenfalls mit der ersten Thermoleitschicht oder mit der in der Abfolge der Thermoleitschichten letzten Thermoleitschicht unmittelbar verbunden. Hierdurch sind die Sensorelemente an exponierter Position angeordnet, so dass ein Wärmeeintrag durch das Fluid schnell erfolgen kann, so dass eine schnelle Erfassung von Temperaturänderungen des Fluids ermöglicht wird.
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Vorzugsweise sind die Sensorelemente auf den gegenüberliegenden Seiten des Platinenaufbaus angeordnet. Hierdurch wird ein symmetrischer Aufbau erreicht, welcher weiter zu einer homogenen Verteilung der eingebrachten Wärme führt, so dass die Sensorelemente unabhängig von ihrer Anordnung innerhalb des Thermo-Sensors und auch unabhängig von der Anordnung der Sensorelemente relativ zur Strömungsrichtung des Fluids stets die im Wesentlichen selbe Temperatur erfassen. Insbesondere bei Vorsehen von mehr als zwei Sensorelementen können mehrere Sensorelemente auf jeder Seite des Platinenaufbaus angeordnet sein. Hierdurch wird die Redundanz erhöht.
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Vorzugsweise sind die Sensorelemente identisch ausgebildet. Hierdurch wird einerseits die Zuverlässigkeit bei Ausfall eines der Sensorelemente erhöht und gleichzeitig durch die Verwendung gleicher Bauteile der Aufbau vereinfacht.
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Vorzugsweise sind die Sensorelemente unterschiedlich ausgebildet, wobei insbesondere mindestens ein NTC-Element und mindestens ein PTC-Element vorgesehen sind. NTC-Element und PTC-Element weisen unterschiedliche Vorzeichen ihres jeweiligen Temperaturkoeffizienten auf, so dass bei Ausfall eines der Sensorelemente, beispielsweise durch Kurzschluss, eine schnelle und zuverlässige Fehlerdiagnose erstellt werden kann. Insbesondere handelt es sich bei dem PTC-Element beispielsweise um einen Platin-Wärmesensor und/oder bei dem NTC-Element um einen Thermistor.
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Vorzugsweise sind die Sensorelemente ausgebildet als SMD-Bauteile. SMD-Bauteile lassen sich maschinell exakt platzieren, so dass sich eine Streuung der Verhalten einzelner Thermo-Sensoren aufgrund des Herstellungsverfahrens reduzieren lässt. Hierdurch wird eine zuverlässigere Messung der Temperatur durch den Thermo-Sensor möglich. Insbesondere ist eine Kalibrierung nach dem Einbau nicht mehr erforderlich. Durch die Verwendung von SMD-Bauteilen kann weiter der erforderliche Bauraum deutlich reduziert, so dass der Thermo-Sensor klein und kompakt ausgebildet werden kann.
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Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein thermoisolierender Abschnitt vorgesehen, so dass ein Wärmeübertrag zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt reduziert wird, da dieser zu einer Veränderung der Messung führen würde. Durch Vorsehen eines thermoisolierenden Abschnitts, welcher insbesondere aus wärmeisolierendem Kunststoff ausgebildet ist, wird somit eine zuverlässige Messung der Temperatur des Fluids gewährleistet. Insbesondere ist es hierbei möglich, den gesamten ersten Abschnitt vollständig als thermoisolierenden Abschnitt auszubilden und insbesondere aus wärmeisolierendem Kunststoff aufzubauen.
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Vorzugsweise sind die Anschlusselemente ausgebildet als Kontaktpunkte oder -flächen. An diese Kontaktpunkte kann beispielsweise ein Platinendirektstecker angebracht werden. Hierzu beträgt insbesondere die Dicke des Platinenaufbaus 1,3 mm bis 1,8 mm um einen RAST 2.5 Platinendirektstecker zu verwenden. Hierdurch wird ein günstiger Anschluss des Thermo-Sensors an eine Auswerteeinrichtung gewährleistet. Dieser ist jedoch gleichzeitig zuverlässig und aufgrund des Quasistandards durch viele Anwender zugänglich.
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Vorzugsweise weist der Thermo-Sensor eine Ummantelung auf, welche zumindest den zweiten Abschnitt des Platinenaufbaus vollständig umschließt. Die Ummantelung stellt dabei sicher, dass ein Kontakt zwischen dem Fluid und dem Platinenaufbau verhindert wird. Insbesondere kann zwischen dem Platinenaufbau und der Ummantelung eine elektrische Isolierung vorgesehen sein, welche bevorzugt durch eine flexible Polyimidfolie gebildet wird. Diese hat beispielsweise ein Dicke von lediglich 30 µm bis 150 µm. Insbesondere besteht dabei die Ummantelung aus Edelstahl oder einem wärmeleitfähigen Kunststoff wie beispielsweise einem Polyamid, insbesondere PA 66 und PA 612, Polyphenylsulfid PPS, Polyethersulfon PES oder Polyetheretherketon PEEK oder PEI. Alle diese Kunststoffe weisen einerseits eine hohe Wärmebeständigkeit auf und sind gleichzeitig innert gegenüber einer Vielzahl möglicher Fluide. Die Ummantelung ist dabei insbesondere ausgebildet als einseitig abgeschlossene Hülse, wobei das abgeschlossene Ende der Hülse in das Fluid ragt. Durch Vorsehen des Platinenaufbaus ist eine einfache Montage des Thermo-Sensors möglich durch Einschieben des Platinenaufbaus, welcher die Sensorelemente enthält, in die Hülse. Ein Verrutschen der Sensorelemente oder der Anschlüsse innerhalb der Hülse wird auf Grund des starren Platinenaufbaus verhindert.
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Vorzugsweise ist bei Vorsehen von zwei Sensorelementen der Platinenaufbau symmetrisch, insbesondere symmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgebildet. Hierdurch werden Temperaturunterschiede an den einzelnen Sensorelementen aufgrund des symmetrischen Aufbaus reduziert. Alternativ hierzu, bei Vorsehen von mehr als zwei Sensorelementen, sind diese insbesondere rotationssymmetrisch angeordnet, so dass die Sensorelemente untereinander einen gleichen Winkelabstand aufweisen. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine zuverlässige Messung erfolgen kann, unabhängig von der Ausrichtung des Thermo-Sensors relativ zur Strömungsrichtung des jeweiligen Fluids. Gleichzeitig wird durch den rotationssymmetrischen Aufbau gewährleistet, dass an den einzelnen Sensorelementen stets derselben Temperatur vorliegt.
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Vorzugsweise sind zwei Sensorelemente auf einer Seite des Platinenaufbaus angeordnet. Die Sensorelemente sind dabei insbesondere hintereinander in Richtung vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt angeordnet. Zusätzlich kann bei Vorsehen von mehr als zwei Sensorelementen mindestens ein weiteres Sensorelement auf der gegenüberliegenden Seite des Platinenaufbaus angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist mit dem Anschlusselement eine Auswerteeinrichtung verbunden, wobei durch die Auswerteeinrichtung der durch die Sensorelemente ermittelte Temperaturunterschied ermittelbar ist. Hierbei wird durch die Auswerteinrichtung der maximale Temperaturunterschied als Referenzwert herangezogen. Einzelne Sensorelemente messen bei einem sprunghaften Temperaturanstieg des Fluids zumindest kurzzeitig unterschiedliche Temperaturen. Dabei wird der maximale Unterschied als Referenzwert genommen und insbesondere in der Auswerteeinrichtung gespeichert.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, um bei Überschreiten des Referenzwerts durch die maximale Temperaturdifferenz, von der Auswerteeinrichtung ein Fehlersignal auszugegeben. Ein deutliches Überschreiten des Referenzwertes gibt einen Hinweis darauf, dass die thermische Kopplung zwischen den Sensorelementen und dem Fluid gestört ist beispielsweise durch Verflüchtigen oder Austrocknen eines Wärmeleitmittels, welches zwischen Ummantelung und dem Platinenaufbau eingebracht wird oder durch Veränderungen innerhalb des zweiten Leiterplattenabschnitts, z.B. durch delamienieren. Im Falle des Wärmeleitmittels handelt es sich hierbei beispielsweise um ein Wärmeleitöl oder eine Wärmeleitpaste. Verflüchtigt sich dieses Wärmeleitöl oder trocknet die Wärmeleitpaste aus, ist keine effiziente Wärmekopplung zwischen dem Fluid und dem Sensorelement mehr möglich, so dass der maximale Temperaturunterschied bei einem sprunghaften Anstieg der Temperatur des Fluids überschritten werden kann. Der Thermo-Sensor muss ausgetauscht werden, was beispielsweise durch das Fehlersignal angezeigt werden kann.
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Vorzugsweise sind für jedes Sensorelement mindestens zwei unabhängige Anschlüsse vorgesehen, so dass die Sensorelemente unabhängig voneinander mit der Auswerteeinrichtung verbindbar sind. Weiter ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet einen Kapazitätswert für jeden der Sensorelemente zu bestimmen und mit einem Referenzwert zu vergleichen, wobei ein Fehlersignal ausgegeben wird sofern der erfasste Kapazitätswert über eine vorgegebene Schwelle vom Referenzwert abweicht. Dabei kann der Referenzwert vorgegeben sein oder bei der ersten Inbetriebnahme durch die Auswertevorrichtung ermittelt werden. Somit ist auf einfache Weise eine Überprüfung der Sensorelemente möglich, wobei bei einer Störung der Sensorelemente ein Fehlersignal ausgegeben wird.
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Der erfindungsgemäße Thermo-Sensor ist für vielfältigen Einsatz geeignet wie in der Heizung-, Kälte-, Klimatechnik, der Verbrauchsabrechnung, in Automotivebereichen, der Sanitärbranche, der Solarindustrie, der Medizintechnik und der Elektro- und Elektronikindustrie. Hierbei ist der erfindungsgemäße Thermo-Sensor besonders geeignet für sicherheitsrelevante Anwendungen, da dieser redundant ausgebildet ist und auch bei Ausfall eines Sensorelements weiterhin zuverlässig die Temperatur erfasst. Dabei ist der erfindungsgemäße Thermo-Sensor kostengünstig montierbar, da nicht auf eine spezielle Ausrichtung des Thermo-Sensors relativ zur Strömungsrichtung des Fluids geachtet werden muss. Aufgrund der vorgesehenen Thermoleitschicht innerhalb des Platinenaufbaus erfolgt eine Homogenisierung der eingebrachten Wärme, so dass durch die vorgesehenen Sensorelemente stets eine im Wesentlichen identische Temperatur gemessen wird. Der verbleibende Unterschied kann verwendet werden zur Fehlererkennung des Thermo-Sensors. Durch Vorsehen der Thermoleitschichten wird eine schnelle Weiterleitung der Wärme innerhalb des Thermo-Sensors gewährleitstet, so dass bereits nach sehr kurzer Zeit eine exakte Messung der Temperatur des Fluid erfolgen kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen ersten erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensor in der Draufsicht,
- 2 den erfindungsgemäßen Thermo-Sensor der 1 in Seitenansicht,
- 3 einen weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensor in der Seitenansicht,
- 4 den erfindungsgemäßen Thermo-Sensor der 3 in Draufsicht,
- 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensor in der Seitenansicht,
- 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensor in der Seitenansicht,
- 7 eine erste Anschlussskizze der Sensorelemente des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensors,
- 8 eine weitere Anschlussskizze der Sensorelemente des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensors und
- 9 eine weitere Anschlussskizze der Sensorelemente des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensors.
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Der erfindungsgemäße redundante Thermo-Sensor weist einen Platinenaufbau 10 auf mit einem ersten Abschnitt 12 und einem zweiten Abschnitt 14. In dem ersten Abschnitt 12 sind Anschlusselemente 16 angeordnet, über die der Thermo-Sensor mit einer Auswerteeinrichtung 18 verbunden werden kann.
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Im zweiten Abschnitt 14 des Platinenaufbaus 10 sind ein erstes Sensorelement sowie ein zweites Sensorelement 22 angeordnet. Dabei sind das erste Sensorelement 20 und das zweite Sensorelement 22 an gegenüberliegenden Seiten des Platinenaufbaus 10 angeordnet. Der Platinenaufbau 10 weist weiter ein erstes Thermoleitelemente ausgebildet als Thermoleitschicht 24 auf, mit der das erste Sensorelement 20 unmittelbar verbunden ist. In die erste Thermoleitschicht 24 sind die Anschlüsse 26 des ersten Sensorelements 20 integriert. Weiterhin weist der Platinenaufbau 10 eine vierte Thermoleitschicht 28 auf, mit der das zweite Sensorelement 22 unmittelbar verbunden ist. Die Anschlüsse des zweiten Sensorelements 22 sind in die vierte Thermoleitschicht 28 integriert und zu den Anschlusselementen 16 geführt.
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Zwischen der ersten Thermoleitschicht 24 und der vierten Thermoleitschicht 28 sind wie in 2 dargestellt, eine zweite Thermoleitschicht 30 sowie ein dritte Thermoleitschicht 32 angeordnet. Dabei sind die Thermoleitschichten parallel angeordnet und erstrecken sich lediglich im Bereich des zweiten Abschnitts 14. Insbesondere bestehen die Thermoleitschichten aus Silber, Kupfer, Gold, Aluminium oder einem wärmeleitenden Kunststoff wie beispielsweise einem borhaltigen Kunststoff, um eine möglichst gut Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten. Zwischen den einzelnen Thermoleitschichten sind Füllerschichten 34 angeordnet, welche durch ein Epoxidharz gebildet werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die metallischen Wärmeleitschichten zwar weiterhin thermisch miteinander gekoppelt sind, jedoch elektrisch voneinander isoliert sind. Der gesamte Platinenaufbau 10 ist dabei in einen Kunststoff, insbesondere ein Epoxidharz eingegossen, wodurch die Stabilität des Aufbaus erhöht wird. Hierdurch wird der Platinenaufbau 10 unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise Stoßeinwirkungen.
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Wärme, die von einem Fluid in den Thermo-Sensor eingebracht wird, wird aufgrund der vorgesehenen Thermoleitschichten 24, 28, 30, 32, innerhalb des zweiten Abschnitts 14 schnell verteilt und homogenisiert, so dass das erste Sensorelement 20 und das zweite Sensorelement 22 stets im Wesentlichen dieselbe Temperatur messen unabhängig von der Ausrichtung des Thermo-Sensors relativ zur Strömungsrichtung des Fluids.
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Zwischen den einzelnen Thermoleitschichten 24, 28, 30, 32 können Verbindungselemente 36 vorgesehen sein, um den Wärmeübertrag zwischen den einzelnen Thermoleitschichten 24, 28, 30, 32 zu verbessern. Hierdurch wird eine schnelle Homogenisierung der Wärme innerhalb des Thermo-Sensors erreicht, so dass eine schnelle und zuverlässige Temperaturmessung durch den erfindungsgemäßen Thermo-Sensor möglich ist.
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Wie in 2 dargestellt, ist der Platinenaufbau symmetrisch zu einer Mittelebene 38, so dass eine schelle Homogenisierung der eingebrachten Wärme erfolgt und durch die Sensorelemente 20, 22 im Wesentlichen dieselbe Temperatur gemessen werden kann bereits innerhalb kürzester Zeit.
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An den zweiten Abschnitt 14 schließt in Richtung des ersten Abschnitts 12 ein Bereich 40 an, der aus einem Material gebildet wird, welches eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere kann der gesamte erste Abschnitt 12 aus einem solchen Material bestehen. Hierdurch wird sichergestellt, dass Wärme vom zweiten Abschnitt 14 nicht über den ersten Abschnitt 12 abgeleitet werden kann oder andersherum Wärme vom ersten Abschnitt 12 in den zweiten Abschnitt 14 eingebracht werden kann, was zu einer Verfälschung der Messergebnisse der Temperatur führen würde.
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Zumindest der zweite Abschnitt 14 ist von einer Ummantelung 42 vollständig umgeben, welche mit ihrem ersten Ende 44 in das Fluid hineinragt und am zweiten Ende 46 ein Gewinde 48 aufweist zur Montage des Thermo-Sensors.
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Dabei besteht die Ummantelung 42 beispielsweise aus einem Edelstahl oder einem wärmeleitfähigen Kunststoff, welcher jedoch inert gegenüber dem Fluid sein muss.
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Zur thermischen Kontaktierung zwischen dem Platinenaufbau 10 und der Ummantelung 42 wird in den Zwischenraum 50 ein Wärmeleitöl oder eine Wärmeleitpaste eingebracht, so dass die Wärme des Fluids durch die Ummantelung schnell zum Platinenaufbau 10 gelangt.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau und insbesondere durch das Vorsehen der Thermoleitschichten 24, 28, 30, 32 ist ein schneller Wärmetransport innerhalb des Thermo-Sensors gewährleistet, so dass bei einem sprunghaft Temperaturanstieg des Fluids die Temperaturänderung bereits nach 2 bis 6 Sekunden und bevorzugt nach 4 bis 5 Sekunden erfasst werden kann.
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Durch die Homogenisierung der Wärme innerhalb des Thermo-Sensors ist stets auch bei Ausfall eines Sensorelements eine zuverlässige Messung möglich.
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In den nachfolgenden Figuren sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit den identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform. Hierbei wurde auf die Darstellung der Ummantelung verzichtet für die Übersichtlichkeit. Der Platinenaufbau 10 weist hierbei eine Oberseite 52 auf mit der ein erstes Sensorelement 20 verbunden ist. Weiter weist der Platinenaufbau 10 eine Unterseite 54 auf, mit der ein zweites Sensorelement 22 verbunden ist. Der Platinenaufbau 10 weist dabei eine Aussparung 56 auf (s. 4). Die Aussparung 56 ist dabei zwischen den Sensorelementen 20, 22 angeordnet und wird durch die Sensorelemente 20, 22 überbrückt. In der Aussparung 56 ist ein Thermoleitelement 58 angeordnet. Das Thermoleitelement 58 steht dabei im unmittelbaren Kontakt mit der jeweiligen Unterseite der Sensorelemente 20, 22 und koppelt diese thermisch miteinander. Hierdurch wird ein einfach zu realisierender Aufbau gewährleistet. Der Platinenaufbau 10 kann dabei besonders dünn ausgebildet sein und insbesondere eine Dicke von lediglich 0,5 mm aufweisen. In dieser Ausführungsform kann es sich bei dem Thermoleitelement 58 auch um eine Leitpaste oder wärmeleitfähigen Kleber handelt.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform in der der Platinenaufbau 10 eine einzelne Thermoleitschicht 62 als Thermoleitelement aufweist. Gleichzeitig ist in die Thermoleitschicht 62 der gemeinsame Anschluss 16 der Sensorelemente 20, 22 integriert. Dies ist insbesondere möglich, da es sich in der dargestellten Ausführungsform um eine metallische Thermoleitschicht 62 handelt, beispielsweise aus Kupfer. Weiterhinweisen die Sensorelemente 20, 22 Anschlüsse 60 auf, mit denen das jeweilige Sensorelemente 20, 22 mit einer Auswerteeinrichtung verbunden werden kann.
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6 zeigt eine alternative Ausführungsform mit einer ersten Thermoleitschicht 64, welche an der Oberseite 52 des Platinenaufbaus 10 angeordnet ist. Weiter ist an der Unterseite 54 des Platinenaufbaus 10 eine zweite Thermoleitschicht 66 vorgesehen. Mit der ersten Thermoleitschicht 64 ist ein erstes Sensorelement 20 unmittelbar verbunden und mit der zweiten Thermoleischicht 66 ist ein zweites Sensorelement 22 unmittelbar verbunden. Dabei ist zwischen der ersten Thermoleitschicht 64 und der zweiten Thermoleitschicht 66 ein Verbindungselement angeordnet zur effektiven Wärmeübertragung zwischen den Thermoleitschichten 64, 66. Hierdurch erfolgt eine effiziente thermische Kopplung der beiden vorgesehenen Sensorelemente 20, 22. Gleichzeitig sind durch die jeweiligen Thermoleitschichten 64, 66 der gemeinsame Anschluss der beiden Sensorelemente 20, 22 ausgebildet. Über Bond-Drähte 70, oder durch SMD bestückbare elektrische Brücken sind die Sensorelemente 20, 22 mit den jeweiligen Anschlüssen 16 verbunden.
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Selbstverständlich können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden um zu weiteren Ausführungsformen zu gelangen. Diese weiteren Ausführungsformen sind somit durch die vorstehende Beschreibung mit offenbart.
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7 zeigt eine mögliche Anschlussskizze des erfindungsgemäßen redundanten Thermo-Sensors. Hierbei weisen die beiden Sensorelemente einen gemeinsamen Anschluss 72 auf.
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8 zeigt eine alternative Anschlussskizze bei der jedes Sensorelement 20, 22 einen eigenen Ausgangsanschluss 74, 76 aufweist. Hierdurch kann in einer Fehleranalyse festgestellt werden, welcher von den beiden Sensorelementen ausgefallen ist.
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9 zeigt eine alternative Anschlussskizze, bei der zusätzlich nicht nur eine Fehleranalyse der jeweiligen Sensorelemente 20, 22 erfolgen kann, sondern auch eine Überwachung der Anschlussleitungen für das jeweilige Sensorelement 20, 22. Hierzu weist das erste Sensorelement 20 redundante Anschlussleitungen 78, 80 auf. Durch diese kann eine defekte Anschlussleitung überbrückt werden um ein weiteres Funktionieren des redundanten Thermo-Sensors zu gewährleisten und so die Ausfallswahrscheinlichkeit des Thermo-Sensors zu reduzieren. Auch kann hierdurch die defekte Anschlussleitung ermittelt werden. Auch das zweite Sensorelement 22 kann redundante Anschlussleitungen 82, 84 aufweisen.
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Die vorstehenden Anschlussskizzen können frei mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden um einen für die jeweilige Anwendung angepassten redundanten Thermo-Sensor zu erhalten.
