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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums sowie auf eine entsprechende Vorrichtung. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder um ein Gas. Das Medium befindet sich wiederum beispielsweise in einem Behälter oder in einer Rohrleitung. Die Prozessgröße ist beispielsweise die Temperatur des Mediums oder der Durchfluss des Mediums durch eine Rohrleitung.
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Obgleich die vorliegende Erfindung sowohl auf Thermometer, als auch auf thermische Durchflussmessgeräte anwendbar ist, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung der Einfachheit halber auf Thermometer. Die vorgebrachten Ausführungen lassen sich mutatis mutandis jedoch auch auf thermische Durchflussmessgeräte anwenden.
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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 oder eine davon abgeleitete Größe mit der Temperatur in Zusammenhang bringen, wie beispielsweise den elektrischen Widerstand bei Verwendung von Widerstandselementen oder den thermoelektrischen Effekt im Falle von 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.
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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.
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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.
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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
DE102015112199A1 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, und damit einhergehend auch auf die messtechnischen Eigenschaften.
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Dies betrifft insbesondere die Güte bzw. Qualität der jeweiligen Lötstelle, sowie deren Reproduzierbarkeit. Beispielsweise sollte gewährleistet sein, dass für jede Lötstelle stets die gleiche Menge an Lot verwendet wird. Die qualitative Reproduzierbarkeit einer Lötstelle kann darüber hinaus beispielsweise darüber entscheiden, ob das jeweilige Thermometer im Anschluss an die Fertigung einzeln kalibriert werden muss oder nicht. Mit Hinblick auf die Güte bzw. Qualität spielt unter anderem die Benetzung des Lotes auf der jeweiligen Oberfläche eine wichtige Rolle. Weiterhin sind die Stabilität der Lotverbindung, sowie die geometrische Verteilung des Lots zwischen den beiden Bauteilen von zentraler Bedeutung.
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Beispielsweise hängt die im Endergebnis erzielte Lotverbindung von der Positioniergenauigkeit des Lotplättchens innerhalb der Hülse ab. Ein weiterer Faktor betrifft die Homogenität sowie die weitgehend einheitliche geometrische Verteilung des Lots innerhalb der Fühlerspitze. Darüber hinaus spielt aber auch die Beschaffenheit und/oder Materialzusammensetzung des Lötplättchens eine große Rolle. Beispielsweise kann das Vorhandensein eines Flussmittels, welches im Zuge der Erhitzung gegebenenfalls verdampft, einen Einfluss auf die resultierenden Adhäsions- und Kohäsionskräfte des flüssigen Lotes haben. Weitere entscheidende Faktoren sind ferner gegeben durch die Größe der Kraft, mittels welcher das jeweilige Sensorelement in das flüssige Lot in der Edelstahlhülse gedrückt wird sowie durch die Positioniergenauigkeit bei diesem Vorgang. Die Aufzählung macht deutlich, dass im Prinzip weder die Geometrie, insb. die Dicke, der Lotschicht, noch deren exakte räumliche Verteilung oder die exakte Positionierung des Sensorelements innerhalb der Hülse ohne aufwendige Vorarbeiten und Ablaufstrukturen hinreichend kontrollierbar sind.
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Es sei darauf verwiesen, dass die hier getätigte Auflistung keinesfalls abschließend ist. Vielmehr sind beispielhaft einige mögliche Aspekte genannt, welche für die Messperformance, insbesondere die Messgenauigkeit und/oder Ansprechzeit, des Thermometers eine Rolle spielen.
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Ausgehend von der beschriebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mit reproduzierbarer Messperformance, insbesondere Messgenauigkeit und/oder Ansprechzeit, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 10.
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Bezüglich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrundliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, welche Vorrichtung ein Gehäuseelement und zumindest einen Sensorelement mit einem Temperatursensor umfasst, wobei zumindest auf einem Teilbereich einer Oberfläche des Gehäuseelements zumindest eine erste Verbindungsschicht aufgebracht wird, wobei zumindest auf einem Teilbereich einer dem Temperatursensor abgewandten Oberfläche des Sensorelements zumindest eine zweite Verbindungschicht aufgebracht wird, und wobei das Gehäuseelement und das Sensorelement vermittels der zwei Verbindungsschichten miteinander verbunden werden, derart dass das Sensorelement an dem Gehäuseelement befestigt wird.
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Erfindungsgemäß können die erste und zweite Verbindungsschicht reproduzierbar auf das Gehäuseelement bzw. auf das Sensorelement aufgebracht werden. Entsprechend kann auch eine reproduzierbare Verbindung zwischen dem Gehäuseelement und dem Sensorelement gewährleistet werden. Insbesondere kann beispielsweise ein im Wesentlichen gleicher Abstand zwischen dem Gehäuseelement und dem Sensorelement bzw. eine gleichbleibende relative Positionierung der beiden zueinander gewährleistet werden.
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Im Gegensatz zu einem Lötverfahren ist das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Verfahren ferner universell und für eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien für das Gehäuseelement und/oder das Sensorelement einsetzbar.
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Die Vorrichtung, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar ist, kann, wie bereits erwähnt, einerseits ein Thermometer zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch ebenfalls für Messgeräte zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses, insbesondere des Massedurchflusses und/oder Volumendurchflusses eines Mediums durch eine Rohrleitung anwendbar. Entsprechende Durchflussmessgeräte basieren dann auf dem an sich aus dem Stand der Technik bestens bekannten thermischen Messprinzip und weisen als Teil der Sensoreinheit ebenfalls zumindest ein Sensorelement mit einem Temperatursensor auf.
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Bei dem Temperatursensor handelt es sich bei beiden Gattungen von Messgeräten bevorzugt um einen Temperatursensor in Form eines Widerstandselements, insbesondere eines Platinelements. Dieses kann beispielsweise auf ein Substrat aufgebracht sein. Die erste Verbindungsschicht wird in diesem Falle bevorzugt auf eine dem Sensorelement abgewandte Oberfläche des Substrats aufgebracht.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem Gehäuseelement um ein topfförmiges Element mit einer Bodenfläche und einer an die Bodenfläche angrenzenden Mantelfläche.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Sensorelement derart in das topfförmige Element eingebracht wird, dass sich die beiden Verbindungsschichten gegenüberliegend befinden, wobei das topfförmige Element und das Sensorelement vermittels der zwei Verbindungsschichten miteinander verbunden werden, derart, dass sich das Sensorelement zumindest teilweise in einem Innenvolumen des topfförmigen Elements befindet. Gerade bei topfförmigen oder hülsenförmigen Gehäuseelementen ist eine einem Innenraum des Gehäuseelements zugewandte Oberfläche der Bodenfläche oft nur eingeschränkt erreichbar. Gerade auf diese Oberfläche wird aber üblicherweise das Sensorelement aufgebracht. Indem zuerst die Verbindungsschichten auf die beiden einzelnen Elemente, das Sensorelement und das Gehäuseelement aufgebracht werden, kann eine reproduzierbare Verbindung gewährleistet werden.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass die Mantelfläche des topfförmigen Elements nach dem Verbinden des Sensorelements mit dem Gehäuseelement an die Bodenfläche angebracht, insbesondere angeschweißt, wird. Auf diese Weise ist die jeweilige Oberfläche der Bodenfläche des Gehäuseelements zwar besser zugänglich - trotzdem lässt sich jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besser reproduzierbare Verbindung des Gehäuseelements mit dem Sensorelement erzielen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass jede der beiden Verbindungsschichten eine Vielzahl von einseitig an einer Oberfläche angebrachten Nanodrähten aufweist. Bei der jeweiligen Oberfläche, auf welcher die Nanodrähte angebracht sind, kann es sich einerseits um die jeweiligen Oberflächen des Sensorelements bzw. des Gehäuseelements handeln. Es ist aber auch denkbar ein Substrat zu verwenden, auf welchen die Nanodrähte jeweils aufgebracht werden.
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Die Nanodrähte bilden bevorzugt einen sogenannten Nanorasen. Der Durchmesser der Nanodrähte beträgt bevorzugt etwa 10nm bis 4µm und die Länge der Nanodrähte liegt bevorzugt im Bereich von 0,1-400 µm.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass die Nanodrähte zumindest den Teilbereich der Oberfläche des Gehäuseelements und/oder den Teilbereich der dem Temperatursensor abgewandten Oberfläche des Sensorelements im Wesentlichen flächig bedecken. Die Verbindungsschichten weisen also eine flächige Bedeckung mit Nanodrähten auf, bzw. die jeweiligen Teilbereiche der jeweiligen Oberfläche sind im Wesentlichen vollständig von Nanodrähten bedeckt.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Nanodrähte aus einem Metall, insbesondere Kupfer, Silber oder Platin, bestehen. Auf diese Weise kann eine elektrisch und thermisch leitfähige Verbindung des Gehäuseelements mit dem Sensorelement gewährleistet werden.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest eine der beiden Verbindungsschichten mittels eines lonenspurätzverfahrens hergestellt.
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Noch eine weitere, besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Verbindung des Gehäuseelements und des Sensorelements durch eine äußere Krafteinwirkung hergestellt wird. Beispielsweise können die beiden Verbindungsschichten durch ein Zusammendrücken oder Aufeinanderdrücken des Gehäuseelements und des Sensorelements verbunden, bzw. das Sensorelement an dem Gehäuseelement befestigt, werden.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, welche Vorrichtung ein Gehäuseelement und zumindest ein Sensorelement mit einem Temperatursensor umfasst, und welche Vorrichtung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es bei dem Temperatursensor um ein Widerstandselement, insbesondere ein Platinelement.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung handelt es sich bei dem Gehäuseelement um ein topfförmiges Element, insbesondere um eine Hülse, insbesondere eine Tiefziehhülse oder um eine gefräste oder gedrehte Hülse. Das topfförmige Element hat eine, insbesondere geschlossene Bodenfläche und eine Mantelfläche. Es ist sowohl denkbar, das Sensorelement in das topfförmige Element einzubringen, oder erst die Bodenfläche des topfförmigen Elements mit dem Sensorelement zu verbinden, bevor die Mantelfläche an die Bodenfläche angebracht wird.
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Es ist es von Vorteil, wenn das topfförmige Element aus einem Metall, insbesondere aus Edelstahl, Kupfer, Aluminium, einer Nickelbasislegierung, oder Tantal, besteht.
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Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: schematische Zeichnungen von Thermometern nach Stand der Technik, bei welchen die Temperatursensoren jeweils an ein Gehäuseelement angelötet sind,
- 2: eine erste Ausgestaltung einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums, und
- 3: eine zweite Ausgestaltung einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur eines Mediums.
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In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Einfachheit halber bezieht sich auch die nachfolgende Beschreibung auf Thermometer. Wie bereits erwähnt, lassen sich die vorgenommenen Überlegungen mutatis mutandis auch auf thermische Durchflussmessgeräte anwenden.
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In 1 ist sind drei schematische Zeichnungen von Thermometern 1 nach Stand der Technik gezeigt, bei welchen das Sensorelement 4 jeweils an einem Gehäuseelement 2 angelötet ist. Bei dem Gehäuseelement handelt es sich jeweils um ein topfförmiges Element mit einer Bodenfläche 3 und einer Mantelfläche 8. Das Sensorelement 4 ist mit auf der dem Temperatursensor 4a abgewandten Seite an die Bodenfläche 3 des Gehäuseelements 2 mittels des Lots 5 angelötet. Bei derartig gefertigten Thermometern 1 kann die Lotverbindung kritisch für die erzielbare Messperformance des Thermometers werden. Eine reproduzierbare Befestigung des Sensorelements 4 an dem Gehäuseelement 2 kann nicht immer gewährleistet sein. Beispielsweise unterscheiden sich die in 1a und 1b dargestellten Thermometer 1 dadurch, dass im Falle des Thermometers 1 aus 1b eine größere Menge an Lot verwendet wurde. Als Konsequenz ist ein Abstand zwischen der Bodenfläche 3 und dem Sensorelement 4 bei dem Thermometer 1 aus 1b größer als im Falle der 1a. Dies hat Auswirkungen auf die thermischen Eigenschaften der jeweiligen Thermometer 1 und damit einhergehend auf die erreichbare Messperformance.
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Eine weitere Problematik betrifft beispielsweise die Ausrichtung des Sensorelements 4 relativ zum Gehäuseelement 2. Im Falle der 1c ist das Sensorelement 4 beispielsweise im Vergleich zu den Sensorelementen 4 aus den Figuren 1a und 1b gedreht. Dies kann beispielsweise durch auftretende Kapillarkräfte zwischen dem Lot 5 und Wandungen des Gehäuseelements 2 hervorgerufen werden. Es sei darauf verwiesen, dass neben den hier genannten Ursachen zahlreiche weitere Ursachen für eine mangelnde Reproduzierbarkeit eines Thermometers 1 mit auf ein Gehäuseelement 2 gelötetem Sensorelement 4 sorgen können, die hier nicht alle im Detail beschrieben werden können.
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Um Thermometer mit möglichst reproduzierbarer, gleichbleibender Messperformance bereitstellen zu können, wird erfindungsgemäß zur Herstellung eines Thermometers zuerst jeweils eine Verbindungsschicht 6,7 auf das Sensorelement 4 und auf das Gehäuseelement 2 aufgebracht, bevor eine Verbindung der beiden Komponenten 2,4 vorgenommen wird.
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Eine erste mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 skizziert. Wie in 2a dargestellt ist, wird zuerst auf eine Oberfläche des Gehäuseelements 2 eine erste Verbindungsschicht 6 aufgebracht. Für das gezeigte Beispiel ist das Gehäuseelement 2 in Form eines topfförmigen Elements mit einer Bodenfläche 3 und einer Mantelfläche 8 ausgestaltet. Die erste Verbindungsschicht 6 wird auf eine einem Innenvolumen V zugewandte Oberfläche der Bodenfläche 3 aufgebracht.
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Anschließend wird auf die dem Temperatursensor 4a abgewandten Oberfläche des Sensorelements 4 eine zweite Verbindungsschicht 7 aufgebracht. Bevorzugt sind die erste und zweite Verbindungsschicht bezüglich ihrer Dimensionierung, bzw. bezüglich der Querschnittsflächen der jeweiligen Oberflächen, auf welche sie aufgebracht werden, im Wesentlichen identisch ausgestaltet.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn jede der beiden Verbindungsschichten 6,7 eine Vielzahl von einseitig an die jeweilige Oberfläche angebrachten Nanodrähten aufweist. Bei den beiden Verbindungsschichten 6,7 handelt es sich im Prinzip jeweils um einen Nanorasen, welcher die jeweiligen Oberflächen, auf welchen sich die Verbindungsschichten 6,7 jeweils befinden, flächig bedeckt.
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Im nächsten Verfahrensschritt, wie in 2b gezeigt, werden das Gehäuseelement 2 und das Sensorelement 4 vermittels der beiden Verbindungsschichten 6,7 miteinander verbunden, derart, dass das Sensorelement 2 an dem Gehäuseelement 4 befestigt wird. Bevorzugt sind die Verbindungsschichten so ausgestaltet, dass eine Verbindung durch eine äußere Krafteinwirkung, beispielsweise durch ein geeignetes Zusammendrücken des Sensorelements 4 und des Gehäuseelements 2 erzielt wird. Beispielsweise kann das Sensorelement 4 an das Gehäuseelement 2 angedrückt werden, oder umgekehrt.
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Das fertiggestellte Thermometer 1 ist schließlich in 2c dargestellt. Vorteilhaft ist die mittels der beiden Verbindungsschichten 6,7 herstellbare Verbindung reproduzierbar und sorgt für eine stets gleichbleibende Anordnung des jeweiligen Sensorelements 4 in dem jeweiligen Gehäuseelement 2 für unterschiedliche Thermometer 1. Das hohe Maß an Reproduzierbarkeit kann insbesondere auch im Falle konstruktiv schwerer zugänglicher Geometrien, wie im Falle topförmig ausgestalteter Gehäuseelemente 2, gewährleistet werden.
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Eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand von 3. Auch hier handelt es sich bei dem Gehäuseelement 2 um ein topfförmiges Element mit einer Bodenfläche 3 und einer Mantelfläche 8. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung aus 2 wird die Mantelfläche 8 allerdings erst nach dem Verbinden des Gehäuseelements 2 mit dem Sensorelement 4 an die Bodenfläche 3 angebracht, wie in 3c zu sehen ist.
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Ähnlich wie im Falle der Ausgestaltung aus 2 werden zuerst die Verbindungsschichten 6,7 auf das Gehäuseelement 2, hier auf die Bodenfläche 3 des Gehäuseelements 2, sowie auf das Sensorelement 4, bzw. auf die dem Temperatursensor 4a abgewandten Oberfläche des Sensorelements 4, aufgebracht (vgl. 3a). Im nächsten Verfahrensschritt werden, wie aus 3b ersichtlich, das Gehäuseelement 2 und das Sensorelement 4 mittels der beiden Verbindungsschichten 6,7 miteinander verbunden. Auch dieser Verfahrensschritt ist ähnlich den äquivalenten Verfahrensschritten der in 2 gezeigten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens (vgl. insbesondere 2b und 2c). Auch im Falle der Ausgestaltung aus 3 ist das Ergebnis ein Thermometer 1 mit einem Gehäuseelement 2 und einem Sensorelement 4, bei welchem eine hohe Reproduzierbarkeit der Anordnung für unterschiedliche Thermometer 1 gewährleistet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermometer
- 2
- Gehäuseelement
- 3
- Bodenfläche
- 4
- Sensorelement 4a Temperatursensor
- 5
- Lot
- 6
- Erste Verbindungsschicht
- 7
- Zweite Verbindungsschicht
- 8
- Mantelfläche
- V
- Innenvolumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006048448 A1 [0006]
- DE 102015112199 A1 [0006]
