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Dokumentenidentifikation DE10051558A1 08.05.2002
Titel Sensoreinheit mit einem Luftfeuchte-Sensor und mit einem Lufttemperatur-Sensor
Anmelder Sitronic Gesellschaft für elektrotechnische Ausrüstung mbH & Co KG, 71116 Gärtringen, DE
Erfinder Hoppach, Elmar, Dr., 70191 Stuttgart, DE
Vertreter Kohler Schmid + Partner, 70565 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 18.10.2000
DE-Aktenzeichen 10051558
Offenlegungstag 08.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.05.2002
IPC-Hauptklasse G01N 25/66
IPC-Nebenklasse G01N 27/22   
Zusammenfassung Eine Sensoreinheit weist eine Montagebasis (1) auf, auf der ein Luftfeuchte-Sensor (3) und ein Lufttemperatur-Sensor (4) angeordnet sind. Der Luftfeuchte-Sensor (3) ist über einer Bohrung (5) der Montagebasis (1) angeordnet und deckt die Bohrung (5) zumindest teilweise ab. Es wird eine intensive thermische Kopplung zwischen Luftfeuchte-Sensor (3), Lufttemperatur-Sensor (4) und zu analysierendem Luftgemisch hergestellt.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit mit einem Luftfeuchte-Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchte und einem Lufttemperatur-Sensor zur Messung der Lufttemperatur. Wird einem gasförmigen Medium, z. B. Wasserdampf, Wärme entzogen, so verdichtet es sich bei entsprechender Temperatur zu einer Flüssigkeit, z. B. zu Wasser. Diese Temperatur wird als Kondensationspunkt oder Taupunkt bezeichnet und kann aus der gemessenen relativen Luftfeuchte und der gemessenen Lufttemperatur errechnet werden. Derartige Sensoreinheiten werden in vielen Bereichen der Technik, insbesondere in der Automobilindustrie beispielsweise zur Steuerung der Heckscheibenbeheizung, verwendet.

Stand der Technik

Eine Sensoreinheit mit einem Luftfeuchte-Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchte und einem Lufttemperatur-Sensor zur Messung der Lufttemperatur ist beispielsweise durch die DE-PS 197 29 697 C1 bekannt geworden.

Im Gegensatz zur direkten Bestimmung des Taupunkts durch Kondensation - wie mit Hilfe des Taupunktspiegels, dem die Beobachtung der Kondensation an einer hochglanzpolierten Oberfläche zugrunde liegt - ist es auch möglich, den Taupunkt ohne unmittelbare Messung zu bestimmen, indem ein hier nicht weiter ausgeführtes Rechenverfahren verwendet wird.

Zur Ausbildung des Luftfeuchte-Sensors zur Messung der relativen Luftfeuchte ist es bekannt, die Kapazität zwischen zwei elektrisch leitenden Elektroden unter Verwendung einer Polymerschicht als Dielektrikum zu messen. Die Dielektrizitätskonstante der Polymerschicht ist ein Maß für die relative Feuchte.

Die Erfassung der Lufttemperatur in der Nähe des Luftfeuchte-Sensors erfolgt durch einen Lufttemperatur-Sensor, der z. B. als temperaturabhängiger Widerstand ausgeführt werden kann.

Auf Grund der Tatsache, dass die relative Luftfeuchtigkeit bei einem bestimmten Wassergehalt unmittelbar von der Lufttemperatur abhängt, muss die Lufttemperatur am Luftfeuchte-Sensor und am Lufttemperatur-Sensor möglichst identisch sein oder die Abweichung der Temperatur muss bei der Berechnung des Taupunkts berücksichtigt werden. Durch die unterschiedliche Montagetechnik und die Bauformen bekannter Luftfeuchte-Sensoren und des bekannten Lufttemperatur- Sensors bildet sich eine Temperaturdifferenz zwischen beiden Sensoren aus, welche bei der Bestimmung des Taupunkts beachtet werden muss.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine intensive thermische Kopplung mit geringem Temperaturunterschied zwischen Luftfeuchte-Sensor, Lufttemperatur-Sensor und zu analysierendem Luftgemisch herzustellen.

Gegenstand und Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit mit gemeinsamer Montagebasis für die beiden Sensoren, einem Luftfeuchte-Sensor und einem Lufttemperatur-Sensor, gelöst, wobei der Luftfeuchte-Sensor über einer Bohrung der Montagebasis angeordnet ist und die Bohrung zumindest teilweise abdeckt. Die Bohrung verbessert die Zugänglichkeit des Luftfeuchte-Sensors, weil das zu analysierende Luftgemisch über die Bohrung den Luftfeuchte-Sensor, d. h. eine aktive -Sensorfläche, an- bzw. umströmen kann. Das Zusammenwirken zwischen Luftgemisch und Luftfeuchte-Sensor wird optimiert. Die Bohrung kann zur besseren thermischen Leitfähigkeit metallisiert werden. Der Wärme- oder Temperaturausgleich zwischen Luftfeuchte-Sensor und Luftgemisch kann über eine größere zugängliche Kontaktfläche des Luftfeuchte-Sensors stattfinden. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Luftfeuchte-Sensor und dem Trägermaterial der Sensoren (Montagebasis) kann insbesondere bei erhöhtem Gasaustausch vermindert werden, so dass auch eine Temperaturdifferenz zum Lufttemperatur- Sensor vermieden wird.

Bei einer bevorzugten Sensoreinheit ist der Luftfeuchte-Sensor als kapazitives, flächiges Bauelement, vorzugsweise in SMD-Technik, ausgebildet und über flächige Kontakte mit einer thermisch leitfähigen Beschichtung der Montagebasis verbunden. Dies verbessert weiter den Austausch zwischen Montagebasis, Luftfeuchte-Sensor und Lufttemperatur-Sensor.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch bewirkt, dass der Lufttemperatur-Sensor mit der thermisch leitfähigen Beschichtung verbunden und in unmittelbarer Nähe des Luftfeuchte-Sensors angeordnet ist. Dies trägt zur Minderung der Fehler bei der Berechnung des Taupunkts aus den Messgrößen Temperatur und relativer Luftfeuchte bei.

Die Wärmeleitfähigkeit der Bohrung kann verbessert werden, indem die Innenflächen der Bohrung mit einer thermisch leitfähigen Beschichtung, vorzugsweise einer Metallisierung, versehen sind.

Wenn das Gehäuse des Sensors Luftdurchtrittsöffnungen aufweist, die der Bohrung gegenüberliegend angeordnet sind, wird die zu analysierende Luft zielgerichtet dem Luftfeuchte-Sensor zugeführt. Nach Möglichkeit kann nur ein Wärmeaustausch mit dem Luftfeuchte-Sensor und dem Lufttemperatur-Sensor stattfinden. Eine Verfälschung der Messung durch einen Kontakt der Luft mit weiteren Bauelementen des Sensors wird vermieden.

Lötverbindungen der Sensoren zu der metallischen Beschichtung oder Kaschierung der Montagebasis erhöhen zusätzlich die thermische Kopplung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoreinheit ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung zur Zeichnung erläutert.

Die Figur zeigt:

eine perspektivische Ansicht der Luftströmung abgewandten Sensorseite einer Sensoreinheit nach der Lehre der Erfindung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Aus der Figur ist ersichtlich, dass eine Montagebasis (Leiterplatte) aus einem Kunststoffmaterial mit einer thermisch leitfähigen Beschichtung 2 der Oberfläche versehen ist. Die Beschichtung 2 ist in der Fig. 1 nur schematisch angedeutet und hat die Funktion, dass neben der Schaltungsfunktion eine gute Wärmeübertragung zwischen den Bauteilen der Montagebasis 1 zustande kommt. Auf der Montagebasis 1 sind ein Luftfeuchte-Sensor 3 zur Messung der relativen Luftfeuchte und ein Lufttemperatur-Sensor 4 zur Messung der Lufttemperatur der zu analysierenden Luft angeordnet. Die Montagebasis 1 ist Teil einer Sensoreinheit zur Bestimmung des Taupunkts. Weitere auf der Montagebasis 1 befindliche Bauelemente sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Der Luftfeuchte-Sensor 3 umfasst zwei elektrisch leitende Elektroden, zwischen denen sich ein Polymer als Dielektrikum befindet. Die dielektrischen Eigenschaften des Polymers werden von der Luftfeuchte beeinflusst. Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der relativen Luftfeuchte und dem von dem Polymer molekular aufgenommen Wasser. Der Lufttemperatur-Sensor 4 ist durch einen temperaturabhängigen Widerstand ausgebildet. Daher ist es möglich, mit Hilfe der Kapazitätsmessung am Luftfeuchte-Sensor 3 und der Widerstandsmessung am Lufttemperatur-Sensor 4 den Taupunkt rechnerisch zu bestimmen.

Der Lufttemperatur-Sensor 4 ist auf einer der beiden Seiten der Montagebasis 1 in unmittelbarer Nähe zum Luftfeuchte-Sensor 3 so montiert, dass der Temperaturunterschied zwischen den beiden Sensoren 3 und 4 minimiert ist. Der als oberflächenmontiertes Bauelement ausgeführte Lufttemperatur-Sensor 4 wird durch eine flächige Lötung an der Montagebasis 1 bzw. an der Beschichtung 2 thermisch kontaktiert. Es ist ein flächenhafter guter Kontakt zur Beschichtung 2 hergestellt. Die Sensoren 3 und 4 stehen über die thermisch leitfähige Beschichtung 2 miteinander in thermischem Kontakt.

Der Luftfeuchte-Sensor 3 ist als oberflächenmontierbares Bauteil in SMD-Technik ("surface mounted device") ausgeführt. Wenn die aktive Seite des Luftfeuchte- Sensors 3 einer Kavität oder durchgängigen Bohrung 5 und der metallischen Beschichtung 2 der Montagebasis 1 zugewandt ist, können Durchkontaktierungen im Basismaterial des Luftfeuchte-Sensors 3 eingespart werden. Die Montagetechnik vereinfacht sich. Der Luftfeuchte-Sensor 3 ist durch die unmittelbare Verlötung der flächigen Kontakte thermisch an die Beschichtung 2 der Montagebasis 1 kontaktiert.

Zur Verminderung der Temperaturdifferenz zum umgebenden Luft- oder Gasgemisch ist der Luftfeuchte-Sensor 3 mit seiner aktiven Seite über der Kavität oder Bohrung 5 in der Montagebasis 1 angeordnet, so dass auch bei erhöhten Gaswechselgeschwindigkeiten nur ein geringer Temperaturunterschied zwischen Luftfeuchte-Sensor 3 und der Beschichtung 2 auftreten kann. Dies kann durch eine thermisch leitfähige Beschichtung 6 der Kavität 5 noch unterstützt werden, so dass weder zwischen Gasgemisch und Luftfeuchte-Sensor noch zwischen Lufttemperatur- und Luftfeuchte-Sensor ein erhöhter Temperaturunterschied vorliegt. Die Kavität oder Bohrung 5 erfüllt zum einen die Funktion, eine möglichst große Fläche, d. h. möglichst die gesamte aktive Seite, des Luftfeuchte-Sensors 3 dem Luftgemisch gleichmäßig auszusetzen. Die Kavität oder Bohrung 5 bildet zusammen mit entsprechenden Luftschlitzen im Gehäuse der Sensoreinheit eine Strömungshilfe, um das zu analysierende Luftgemisch auf den Luftfeuchte-Sensor 3 zielgerichtet hinzuleiten. Zum anderen wird über die beschichteten Kontaktflächen 6 der Kavität oder Bohrung 5 ein Wärmeaustausch des Luftgemischs mit der Montagebasis 1 erreicht. Die Flächenverhältnisse für den Wärmeaustausch zwischen Luftgemisch und Luftfeuchte-Sensor 3 bzw. Montagebasis 1 und Lufttemperatur-Sensor 4 entsprechen einander in etwa und sind so aufeinander abgestimmt, dass annähernd gleiche Wärmemengen an die Sensoren 3 und 4 übertragen werden. Der Luftfeuchte-Sensor 3 wird über die Luft an der aktiven Elektrode erwärmt oder abgekühlt und der Lufttemperatur-Sensor 4 wird über die Beschichtung 6 und die Beschichtung 2 zwischen Lufttemperatur- Sensor 4 und Luftfeuchte-Sensor 3 erwärmt oder abgekühlt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Montagebasis

2 Beschichtung

3 Luftfeuchte-Sensor

4 Lufttemperatur-Sensor

5 Kavität oder Bohrung

6 Beschichtung


Anspruch[de]
  1. 1. Sensoreinheit mit auf einer Montagebasis (1) angeordneten Sensoren, einem Luftfeuchte-Sensor (3) und einem Lufttemperatur-Sensor (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfeuchte-Sensor (3) über einer Bohrung (5) der Montagebasis (1) angeordnet ist und die Bohrung (5) zumindest teilweise abdeckt.
  2. 2. Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftfeuchte- Sensor (3) als kapazitives, flächiges Bauelement ausgebildet und über flächige Kontakte mit einer thermisch leitfähigen Beschichtung (2) der Montagebasis (1) verbunden ist.
  3. 3. Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lufttemperatur-Sensor (4) mit der thermisch leitfähigen Beschichtung verbunden und in unmittelbarer Nähe des Luftfeuchte-Sensors (3) angeordnet ist.
  4. 4. Sensoreinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Bohrung (5) mit einer thermisch leitfähigen Beschichtung (6) versehen sind.
  5. 5. Sensoreinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einem Gehäuse zur Aufnahme der Sensoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse Luftdurchtrittsöffnungen aufweist, die der Bohrung (5) gegenüberliegend angeordnet sind.






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