WO2007019817A1 - Sensoranordnung zur temperaturmessung - Google Patents

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Christoph Raab
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating devices
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    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • G01K1/143—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations for measuring surface temperatures

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for measuring the
  • Such sensor arrangements preferably for temperature measurement
  • the surface contact part contains an electrically insulated
  • the invention is based on the object, a cost-effective
  • the sensor arrangement according to the invention for temperature measurement for temperature measurement
  • a surface has a on a circuit carrier
  • Circuit board is mounted a flexible heat conducting element.
  • Circuit board reduces the cost of the sensor array, as no additional fasteners are needed.
  • Circuit board is connected by a heat conducting element with the
  • the heat-conducting element is designed to be flexible, so it
  • the front side of the flexible heat-conducting element is preferably with
  • Sensor assembly along the surface to be measured sliding can be moved or rotated, which is especially
  • Circuit carrier is fastened by means of a bayonet closure.
  • Heat-conducting element made of a good heat-conducting metal
  • the flexible heat conducting element can in this case
  • heat conductors made of these materials are special
  • the force is chosen in particular so that the Circuit board and the heat conductor are intimately connected to each other and
  • the metallization can here
  • Temperature sensor vias mounted. These are for usually as metallized holes through the circuit board
  • Circuit carrier in which in this case a preferably flat
  • Temperature of the surface to be measured corresponds to the Measured value of the second temperature sensor corrected. This can be
  • Circuit carrier be compensated.
  • Circuit board further sensors, in particular
  • Temperature sensors, humidity sensors or light sensors are Temperature sensors, humidity sensors or light sensors
  • circuit carrier is preferred in this case
  • the temperature of the windscreen may preferably in a
  • Rear mirror base can be integrated as housing.
  • the sensor arrangement for example, for measuring the
  • Disc fitting can be used.
  • FIG. 1 shows a plan view of a first sensor arrangement
  • Figure 2 is a side view of the sensor assembly of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a section through the sensor arrangement according to FIG. 2
  • FIG. 1 shows a sensor arrangement 1 for temperature measurement
  • the sensor arrangement 1 has a
  • Temperature sensor 3 which on a circuit carrier 4 in close proximity to a front side 4 'of the circuit substrate. 4
  • the front side 4 runs parallel to the surface of the
  • Circuit substrate 4 and is in the immediate vicinity of the surface of the
  • the circuit carrier 4 is of a
  • the housing 5 has in the region of the projection 6 a
  • Windscreen 2 is a flexible, heat-conducting element. 7
  • the flexible, L-shaped heat-conducting element 7 is
  • Distance from the surface of the windshield 2 can be arranged.
  • the flexible heat-conducting element 7 is formed so that its
  • the heat-conducting element 7 may be formed so that it
  • the heat-conducting element 7 is made of metal, preferably copper or
  • Aluminum or an alloy, preferably brass.
  • the required force is from a
  • Housing is formed. These generate a force in the direction of the arrow
  • the force is chosen so that the friction force between
  • circuit carrier 4 and the heat-conducting element 7 is smaller than
  • the circuit carrier 4 is in the region of the end face 4 ', on the
  • Circuit carrier 4 electrically connected.
  • the circuit carrier 4 electrically connected.
  • the sensor arrangement shown in the figures enables a
  • Heat conducting 7 ensures that a shift or
  • Windscreen 2 usually not to damage the same
  • Evaluation unit be attached.
  • the other sensors can be any sensors.
  • Circuit board 4 alternatively also using an elastic
  • Housing membrane 13 may be formed. Using the housing membrane

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Abstract

Bei einer Sensoranordnung (1) zur Temperaturmessung einer Oberfläche insbesondere einer Scheibe (2) mit einem auf einem Schaltungsträger (4) angebrachten Temperatursensor (3), der an einer Stirnseite des Schaltungsträgers (4) in unmittelbarer Nähe zu der Oberfläche positioniert ist, ist zwischen der Oberfläche und dem Schaltungsträger (4) ein flexibles Wärmeleitelement (7) angebracht.

Description

B E SC H REI B U N G
Sensoranordnung zur Temperaturmessung
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Messung der
Temperatur einer Oberfläche.
Derartige Sensoranordnungen, vorzugsweise zur Temperaturmessung
von näherungsweise planen Oberflächen, sind verschiedentlich
bekannt.
Aus der DE 699 07 493 T2 ist ein Oberflächentemperaturfühler
bekannt, bei dem ein Wärme leitendes Oberflächenkontaktteil mit
Hilfe einer Feder gegen die zu messende Oberfläche gedrückt wird.
Das Oberflächenkontaktteil enthält einen elektrisch isoliert
angebrachten Temperatursensor.
Aus der DE 102 27 454 Al ist ein Anlegetemperaturfühler bekannt,
bei dem ein Anlegeteil mit Hilfe einer Wärmeleitfolie und
Wärmeleitpaste thermisch leitend an die zu messende Oberfläche angebunden ist. An das Anlegteil ist mit Hilfe einer weiteren
Wärmeleitfolie ein Temperatursensor angekoppelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige
Sensoranordnung zu schaffen, mit der die Temperatur einer
näherungsweise ebenen Oberfläche, insbesondere einer Scheibe,
erfasst werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Sensoranordnung des
Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung dar.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Temperaturmessung
einer Oberfläche weist einen auf einem Schaltungsträger
angebrachten Temperatursensor auf, der im Bereich einer Stirnseite
des Schaltungsträgers in unmittelbarer Nähe zu der Oberfläche
positioniert ist, wobei zwischen der Oberfläche und dem
Schaltungsträger ein flexibles Wärmeleitelement angebracht ist.
Die Anbringung des Temperatursensors unmittelbar auf dem
Schaltungsträger reduziert die Kosten der Sensoranordnung, da keine zusätzlichen Verbindungselemente benötigt werden. Der
Schaltungsträger steht durch ein Wärmeleitelement mit der
Oberfläche in Verbindung, wobei die Stirnseite des Schaltungsträgers
bevorzugt näherungsweise parallel zur Oberfläche ausgerichtet ist.
Dadurch kann die Wärme von der Oberfläche auf den
Schaltungsträger und von dort auf den Temperatursensor übertragen
werden. Das Wärmeleitelement ist flexibel ausgelegt, sodass es
mechanische Beanspruchungen aufnehmen kann, wodurch eine
Beschädigung des Schaltungsträgers oder des Temperatursensors
beim Ein- oder Ausbau oder dem Betrieb vermieden werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das flexible
Wärmeleitelement eine mit der zu messenden Oberfläche in Kontakt
stehende Vorderseite und eine mit dem Schaltungsträger flächig in
Kontakt stehende Seite auf.
Die Vorderseite des flexiblen Wärmeleitelements ist bevorzugt mit
einer glatten und zumindest an den Rändern abgerundeten
Oberfläche ausgeführt. Dadurch ermöglicht sie es, dass die
Sensoranordnung entlang der zu messenden Oberfläche gleitend verschoben bzw. gedreht werden kann, was insbesondere beim Ein-
oder Ausbau der Sensoranordnung von Vorteil ist, z.B. wenn der
Schaltungsträger mittels eines Bajonettverschlusses befestigt wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung besteht das flexible
Wärmeleitelement aus einem gut Wärme leitenden Metall,
insbesondere Kupfer oder Aluminium oder Legierung, insbesondere
Messing oder Bronze. Das flexible Wärmeleitelement kann in diesem
Fall die Wärme besonders gut auf den Schaltungsträger übertragen.
Außerdem sind Wärmeleiter aus diesen Materialien besonders
kostengünstig herzustellen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist das
Wärmeleitelement ein federndes Element auf. Dieses ist an einem
Ende am Gehäuse fixiert und sorgt für einen Andruck der Vorderseite
des Wärmeleiters an die zu messende Oberfläche.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden der
Schaltungsträger und das Wärmeleitelement flächig aneinander
gedrückt. Die Kraft wird dabei insbesondere so gewählt, dass der Schaltungsträger und der Wärmeleiter innig aneinander liegen und
gleichzeitig ein Verschieben des Wärmeleiters gegen den
Schaltungsträger möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Andruck
zwischen Schaltungsträger und Wärmeleiter durch ein federndes
Element, das sich im Sensorgehäuse befindet oder von diesem
ausgebildet ist, erzeugt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der
Schaltungsträger an der Stirnseite und/oder an der dem
Temperatursensor gegenüberliegenden Seite und/oder an den
Seitenflächen metallisiert. Durch die Metallisierung wird eine gute
Wärmeleitfähigkeit sichergestellt. Die Metallisierung kann hierbei
gleichzeitig der elektrischen Kontaktierung des Temperatursensors
dienen. Insbesondere kann hierzu die Metallisierung der Stirnseite mit
einem Anschluss des Temperatursensors verbunden sein.
In einer Weiterbildung sind in dem Schaltungsträger in der Nähe des
Temperatursensors Durchkontaktierungen angebracht. Diese sind für gewöhnlich als metallisierte Bohrungen durch den Schaltungsträger
ausgeführt und dienen der elektrischen sowie thermischen
Verbindung des Temperatursensors mit der Unterseite des
Schaltungsträgers, an der in diesem Fall eine bevorzugt flächige
Metallisierung angebracht ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf dem Schaltungsträger
zusätzlich eine Auswerteeinheit angebracht, sodass eine gemeinsame
Baugruppe sowohl zur Messung als auch zur Auswertung eingesetzt
werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung befindet sich auf dem
Schaltungsträger in nicht unmittelbarer Nähe der zu messenden
Oberfläche ein weiterer Temperatursensor, der näherungsweise die
Temperatur des Sensorgehäuses oder des Innenraums ermittelt.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Weiterbildung wird der
Messwert des Temperatursensors, der sich in unmittelbarer Nähe der
zu messenden Oberfläche befindet und dessen Messwert der
Temperatur der zu messenden Oberfläche entspricht, mit dem Messwert des zweiten Temperatursensors korrigiert. Dadurch kann
der endliche Wärmeleitwert des Wärmeleiters und des
Schaltungsträgers ausgeglichen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind auf dem
Schaltungsträger weitere Sensoren, insbesondere
Temperatursensoren, Feuchtesensoren oder Lichtsensoren,
angebracht. Der Schaltungsträger ist in diesem Fall bevorzugt im
Innenraum eines Kraftfahrzeugs angebracht und dient zur Messung
der Temperatur der Frontscheibe. Hierzu kann sie bevorzugt in einen
Rückspiegelfuß als Gehäuse integriert werden. Durch eine
gleichzeitige Messung der Temperatur der Scheibenoberfläche, des
Innenraumes sowie der Luftfeuchte mit den entsprechenden
Sensoren kann die Sensoranordnung beispielsweise zur Messung des
Scheibenbeschlags eingesetzt werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den
Zeichnungen. Die vorstehend genannten und die noch weiter
aufgeführten Merkmale können jeweils einzeln oder in Kombination
verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr
beispielhaften Charakter.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der schematischen
Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Aufsicht einer ersten Sensoranordnung;
Figur 2 eine Seitenansicht der Sensoranordnung nach Figur 1;
Figur 3 einen Schnitt durch die Sensoranordnung nach Figur 2
gemäß III-III;
Figur 4 einen Schnitt durch eine zweite Sensoranordnung.
In Figur 1 ist eine Sensoranordnung 1 zur Temperaturmessung an
einer nahezu planen, durch die Frontscheibe 2 eines Kraftfahrzeugs
gebildeten Oberfläche gezeigt. Die Sensoranordnung 1 weist einen
Temperatursensor 3 auf, der auf einem Schaltungsträger 4 in unmittelbarer Nähe zu einer Stirnseite 4' des Schaltungsträgers 4
angeordnet ist. Die Stirnseite 4' verläuft parallel zur Oberfläche der
Frontscheibe 2 entlang eines zungenförmigen Vorsprungs des
Schaltungsträgers 4 und ist in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der
Frontscheibe 2 positioniert. Der Schaltungsträger 4 ist von einem
Gehäuse 5 umschlossen, welches an einem in der Figur nicht
gezeigten Rückspiegelfuß eines Rückspiegels des Kraftfahrzeugs
befestigt wird. Das Gehäuse 5 weist im Bereich des Vorsprungs 6 eine
Öffnung auf.
Zwischen dem Schaltungsträger 4 und der Oberfläche der
Frontscheibe 2 ist ein flexibles, Wärme leitendes Element 7
angebracht. Das flexible, L-förmige Wärme leitende Element 7 ist
einerseits mit dem Schaltungsträger 4 verbunden und liegt
andererseits an der Oberfläche der Frontscheibe 2 an. Die Anlage ist
mithilfe von Federelementen 8 federnd ausgebildet, so dass das
Element 7 in Pfeilrichtung 9 an der Oberfläche der Frontscheibe 2
druckbeaufschlagt anliegt. Dies ermöglicht ein beschädigungsfreies
Anpressen der Sensoranordnung 1 an die Oberfläche der Frontscheibe
2 in einer senkrecht zur Oberfläche der Frontscheibe 2 verlaufenden Richtung, sodass der Temperatursensor 3 in einem definierten
Abstand zur Oberfläche der Frontscheibe 2 angeordnet werden kann.
Das flexible Wärmeleitelement 7 ist so ausgeformt, dass seine
Kontaktfläche mit der Oberfläche der Frontscheibe 2 maximal bzw.
dass der Luftspalt zwischen dem Wärmeleitelement 7 und der
Oberfläche der Frontscheibe 2 minimal ist. Dadurch ist eine gute
thermische Kopplung zwischen der Oberfläche der Frontscheibe 2 und
dem flexiblen Wärmeleitelement 7 gegeben, die sicherstellt, dass das
flexible Wärmeleitelement 7 nahezu die gleiche Temperatur wie die
Oberfläche der Frontscheibe 2 aufweist.
Alternativ kann das Wärmeleitelement 7 so ausgeformt sein, dass es
nahezu punktförmig an einem oder mehreren Punkten auf der
Oberfläche der Frontscheibe 2 aufliegt. Dadurch wird die thermische
Kopplung zur Oberfläche der Frontscheibe 2 geringfügig vermindert,
aber fertigungsbedingte, d.h. von Scheibe zu Scheibe variierende
Unebenheiten der Oberfläche führen nicht zu einer variierenden
thermischen Kopplung. Das Wärmeleitelement 7 ist aus Metall, bevorzugt aus Kupfer oder
Aluminium, oder einer Legierung, bevorzugt Messing, hergestellt.
Gemäß Figur 2 und Figur 3 werden das Wärmeleitelement 7 und der
Schaltungsträger 4 im Bereich des Temperatursensors 3 flächig
aneinander gedrückt. Die dazu erforderliche Kraft wird von einem
federnden Element geliefert, das als Kunststoffzungen IO mit am
Gehäuse ausgeformt ist. Diese erzeugen eine Kraft in Pfeilrichtung
11, die einerseits groß genug ist, um einen starken Kontakt zwischen
dem Schaltungsträger 4 und dem Wärmeleitelement 7 zu erzeugen.
Andererseits ist die Kraft so gewählt, dass die Reibungskraft zwischen
dem Schaltungsträger 4 und dem Wärmeleitelement 7 kleiner ist als
die Federkraft der Zungen 10, so dass das Wärmeleitelement 7
senkrecht zur Oberfläche der Frontscheibe 2 gemäß Doppelpfeil 12
beweglich ist.
Der Schaltungsträger 4 ist im Bereich der Stirnfläche 4', an der
Unterseite sowie den Seitenflächen metallisiert. Hierdurch wird eine
besonders gute Wärmeleitung zwischen dem Schaltungsträger 4 und dem Wärmeleitelement 7 sichergestellt. Einer der elektrischen
Kontakte des Temperatursensors 3 ist mit der Stirnfläche des
Schaltungsträgers 4 elektrisch leitend verbunden. Alternativ kann der
elektrische Kontakt auch über Durchkontaktierungen mit der
Unterseite des Schaltungsträgers 4 verbunden sein. Hierdurch kann
die Temperatur des Temperatursensors 3 besonders gut an die
Temperatur des Wärmeleitelements 7 angeglichen werden.
Die in den Figuren gezeigte Sensoranordnung ermöglicht eine
Befestigung mittels eines Bajonettverschlusses, da das robuste
Wärmeleitelement 7 sicher stellt, dass eine Verschiebung oder
Drehung der Sensoranordnung entlang der Oberfläche der
Frontscheibe 2 im Regelfall nicht zu einer Beschädigung derselben
führt.
Auf dem Schaltungsträger 4 können weitere Sensoren sowie eine
Auswerteeinheit angebracht sein. Die weiteren Sensoren können
einen Temperatursensor 3' zur Messung der Temperatur des
Innenraums sowie einen Luftfeuchtesensor umfassen. Die zwei
weiteren Sensoren können zusammen mit dem Temperatursensor zur Messung der Oberflächentemperatur für die Bestimmung der
Beschlagsneigung der Frontscheibe eingesetzt werden.
Gemäß Figur 4 (analog zu Figur 3) kann die federnde,
druckbeaufschlagte Anlage des Wärmeleitelements 7 an dem
Schaltungsträger 4 alternativ auch mithilfe einer elastischen
Gehäusemembran 13 ausgebildet sein. Mithilfe der Gehäusemembran
13 wird ein Stift 14 gegen die Unterseite des Wärmeleitelements 7 in
Pfeilrichtung 15 gedrückt.

Claims

PATE N TAN S P RÜ C H E
1. Sensoranordnung (1) zur Temperaturmessung einer Oberfläche
insbesondere einer Scheibe (2) mit einem auf einem
Schaltungsträger (4) angebrachten Temperatursensor (3), der
im Bereich einer Stirnseite (4') des Schaltungsträgers (4) in
unmittelbarer Nähe zu der zu messenden Oberfläche positioniert
ist, wobei zwischen der zu messenden Oberfläche und dem
Schaltungsträger (4) ein flexibles Wärmeleitelement (7)
angebracht ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das flexible Wärmeleitelement (7) L-förmig ausgebildet ist
und einen mit der zu messenden Oberfläche in Kontakt
stehenden Schenkel und einen mit dem Schaltungsträger flächig
in Kontakt stehenden Schenkel aufweist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die der Oberfläche zugeordnete Vorderseite des flexiblen Wärmeleitelements (7) eine glatte Oberfläche aufweist und
zumindest an den Rändern abgerundet ist.
4. Sensoranordnung nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das flexible Wärmeleitelement (7) aus
einem Wärme leitenden Metall, insbesondere Kupfer oder
Aluminium, oder einer Legierung, insbesondere Messing oder
Bronze, besteht.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass Mittel (8) zur federnden Anlage des
Wärmeleitelements (7) an der Oberfläche vorgesehen sind.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (4) und das flexible
Wärmeleitelement (7) im Bereich des Temperatursensors (3)
flächig aneinander anliegen.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeieitelement (7) in
Richtung (12) der Oberfläche verschiebbar angeordnet ist.
8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (4)
zusätzlich zu den Leiterbahnen für den Temperatursensor (3) an
der Stirnseite (4') und/oder an der dem Temperatursensor (3)
gegenüberliegenden Seite und/oder an den Seitenflächen
metallisiert ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Schaltungsträger (4) in der Nähe des
Temperatursensors (3) Durchkontaktierungen angebracht sind.
10. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Schaltungsträger (4)
zusätzlich eine Auswerteeinheit angebracht ist.
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