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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft eine Meßsondemit einem Meßsensor(5), welcher mindestens einen Anschlußdraht (9) aus einem erstenMetall aufweist, der mit einem Leiterdraht (11) aus einem zweitenMetall verbunden ist.Um eine mechanisch und thermisch hochbelastbare Verbindung zwischen dem Anschlußdraht einer Meßsonde undeinem Leiterdraht zu schaffen, ist zwischen den Anschlußdraht (9)und den Leiterdraht (11) ein elektrisch leitendes Kupplungselement(10) aus einem dritten Metall gefügt, welches mit dem Anschlußdraht (9)und mit dem Leiterdraht (11) verschweißt ist.
    公开号:DE102004010593A1
    申请号:DE102004010593
    申请日:2004-03-02
    公开日:2005-09-22
    发明作者:
    申请人:Enotec Prozess und Umwelt GmbH；Enotec Prozess- und Umweltmesstechnik GmbH；
    IPC主号:G01D11-24
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Meßsondemit einem Meßsensor,welcher mindestens einen Anschlußdraht aus einem ersten Metallaufweist, der mit einem Leiterdraht aus einem zweiten Metall verbundenist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Meßsonde.
    [0002] Meßsensoren,die elektrische Meßsignale erzeugen,werden üblicherweisevom Hersteller mit einem Anschlußdraht versehen. Dabei werdeninsbesondere kleine Meßsensoren,beispielsweise Meßsensorenauf Halbleiterbasis, mit recht dünnenAnschlußdrähten aushochwertigen Metallen versehen. Derartige Anschlußdrähte werden üblicherweise durchVerlötenmit einem elektrischen Leiter oder einer Leiterbahn verbunden. BeimVerlötenwird ein Lötzinnaufgeschmolzen, der einen elektrisch leitenden Kontakt mit der Oberfläche desAnschlußdrahtes undmit der Oberflächedes Leiters bildet. Der Leiter verbindet den Meßsensor mit weiteren elektronischenBauteilen der Sonde oder der Meßelektronik einerMeßvorrichtung.
    [0003] DieLötverbindungist die einfachste und am weitesten verbreitete elektrisch leitendeVerbindung, welche sich im üblichenUmgebungstemperaturbereich (–20°C bis +55°C) sehr gutbewährthat. Allerdings ist die thermische und mechanische Belastbarkeiteiner Lötverbindungbegrenzt.
    [0004] Aufgabeder Erfindung ist es, eine mechanisch und thermisch hoch belastbareVerbindung zwischen dem Anschlußdrahteines Meßsensorsund einem Leiterdraht zu schaffen.
    [0005] ZurLösungdieser Aufgabe wird zwischen den Anschlußdraht und den Leiterdrahtein elektrisch leitendes Kupplungselement aus einem dritten Metall gefügt, welchesmit dem Anschlußdrahtund mit dem Leiterdraht verschweißt ist.
    [0006] DasVerschweißenelektrisch leitender Drähteist ebenfalls bekannt. Es hat gegenüber dem Verlöten denVorteil, daß keineinfacher Oberflächenkontakt zwischeneinem Leiter und einem Lot erzeugt wird, sondern im Bereich derVerschweißungdie Metalle der zwei zu verbindenden Drähte aufgeschmolzen werden undeine Legierung eingehen. Hierdurch entsteht eine sehr viel hitzefestereVerbindung und eine mechanisch haltbarere Verbindung als bei der üblichenLötverbindung.Allerdings ist ein Verschweißeneines Anschlußdrahtesmit einem Leiterdraht insbesondere bei Verwendung eines sehr hochwertigenMetalls fürden Anschlußdrahtund eines üblichenMetalls wie Kupfer fürden Leiterdraht oft nicht ohne weiteres möglich. Aus diesem Grund schlägt die Erfindungvor, ein elektrisch leitendes Kupplungselement aus einem drittenMetall zwischenzufügen.
    [0007] Vorzugsweiseist das dritte Metall mit dem ersten Metall des Anschlußdrahtesund mit dem zweiten Metall des Leiterdrahtes gut legierbar. In der Praxisbewährtsich die vorliegende Erfindung beispielsweise bei der Verbindungeines Meßsensors, derPlatin-Anschlußdrähte aufweist,mit Leiterdrähtenaus Kupfer. Platin und Kupfer sind nicht oder nur sehr schwer verschweißbar, weildiese beiden Metalle in der Regel keine Legierung eingehen. DurchZwischenfügungeines Kupplungsdrahtes aus Gold, das sowohl mit Platin als auchmit Kupfer gut legierbar ist, entstehen Schweißstellen sehr hoher Festigkeit.Dabei kann die Verwendung eines kurzen Drahtabschnitts als Kupplungselementausreichend sein. Beispielsweise kann ein Kupplungselement mit einer Länge, diedem Dreifachen des seines Durchmessers entspricht, ausreichen. Esist lediglich darauf zu achten, daß beim Verschweißen desKupplungsdrahtes an seinen beiden Enden die Schweißstelleneinander nicht beeinflussen, insbesondere die zuerst erstellte Schweißstellenicht durch den zweiten Schweißvorgangaufgeschmolzen wird.
    [0008] Meistenshaben die Anschlußdrähte auseinem Edelmetall einen sehr kleinen Durchmesser. Die Leiterdrähte, welcheaus Kupfer bestehen und die Signale über eine größere Strecke von mehreren Dezimeternoder gar Metern transportieren müssen,haben einen großenDurchmesser. Nicht selten liegt der Durchmesser des Leiterdrahtsbeim Sech- bis Zehnfachen des Durchmessers des Anschlußdrahts.Bei einer praktischen Ausführungsformwird der Durchmesser des Kupplungsdrahts derart gewählt, daß er zwischendem Durchmesser des Anschlußdrahts unddem Durchmesser des Leiterdrahts liegt.
    [0009] Dieerfindungsgemäße Meßsonde wirdinsbesondere dann benötigt,wenn sie hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt wird.In diesem Fall muß dieMeßelektronikvom Meßortder Meßsondegetrennt werden, da die Meßelektronikin der Regel nur bei Umgebungstemperatur funktioniert. In einerpraktischen Ausführungsform kannder Leiterdraht zwischen seinen Enden mit einer Mineralisolierungummantelt sein. Eine derartige Mineralisolierung ist thermisch stabilund auch bei häufigenund hohen Temperaturschwankungen dauerhaft wirksam.
    [0010] Indem Bereich des Meßsensorsund nahe der Verbindung mit dem Kupplungselement kann der Leiterdrahtin eine Schutzhülsemittels einer Vergußmassefixiert sein. Die Schutzhülse,welche üblicherweiseaus einem thermisch und chemisch beständigem Metall wie Edelstahlbesteht, dient zum einen der Aufnahme der Leiterdrähte undzum anderen dem Halt des Meßsensorsin dem Bereich, in dem die Messung durchzuführen ist.
    [0011] Einpraktischer Anwendungsfall fürdie erfindungsgemäße Meßsonde istbeispielsweise die Herstellung von Insitu-Meßsonden zur Messung der CO-Konzentration inRauchgasen und Prozeßgasen. DieGastemperaturen könnenleicht 600°Coder mehr erreichen. Beim Überschreiteneiner Gastemperatur von 600°Cmuß derMeßsensorinnerhalb eines Kühl-Schutzrohresangebracht werden. Als CO-Meßsensorwird ein Galliumoxid (Ga2O3)-Sensorverwendet, der eine schnelle Reaktionszeit hat und auch in schwefelhaltigenund rußbelastetenRauchgasen langfristig verläßliche Meßergebnisseliefert.
    [0012] Daserfindungsgemäße Verfahrenzur Herstellung einer Meßsonde,bei dem mindestens ein aus einem ersten Metall bestehender Anschlußdraht einesMeßsensorselektrisch leitend mit einem Leiterdraht aus einem zweiten Metallverbunden wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußdraht undden Leiterdraht ein elektrisch leitendes Kupplungselement aus einemdritten Metall gefügtwird, welches mit dem Anschlußdrahtund mit dem Leiterdraht verschweißt wird.
    [0013] Inder Praxis weist der Meßsensormindestens zwei, vorzugsweise vier Anschlußdrähte auf. Der oben erwähnte Galliumoxid-Sensorweist beispiels weise zwei Anschlußdrähte für das Meßsignal und zwei Anschlußdrähte für eine Sensorheizung auf.
    [0014] Inder Praxis wird die Kontaktstelle zwischen dem Anschlußdraht unddem Kupplungselement sowie die Kontaktstelle zwischen dem Kupplungselementund dem Leiterdraht zum Verschweißen mittels eines Laserstrahlserhitzt und dadurch aufgeschmolzen. Durch das Laserschweißen isteine sehr punktgenaue Erhitzung möglich, welche den Bereich des Aufschmelzenssehr klein hältund im wesentlichen lediglich eine kleine Schweißlinse im Kontaktbereich zwischenden jeweils zu verschweißendenDrähten erzeugt.Hierdurch werden währenddes Schweißvorgangsdie Drähtein den von der Schweißstelle entferntenBereichen nicht aufgeschmolzen und in irgendeiner Weise geschwächt. DasAufschmelzen in der Schweißlinseerfolgt schnell und kontrolliert bis auf eine optimale Schweißtemperatur,in der eine dauerhafte, fest und thermisch widerstandsfähige Legierungentsteht.
    [0015] Wiebereits oben angesprochen, kann der Leiterdraht zwischen seinenEnden mit einer Mineralisolierung ummantelt werden und nahe derVerbindung mit dem Kupplungselement in einem Aufnahmerohr mittelseiner Vergußmassefixiert werden.
    [0016] Ausführungsformender Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungenbeschrieben. Die Zeichnungen zeigen in:
    [0017] 1 dieGesamtansicht einer erfindungsgemäßen Meßsonde, etwa im Maßstab 1:1,
    [0018] 2 einenLängsschnittdes Kopfes der Meßsondeaus 1;
    [0019] 3 eineteilgeschnittene perspektivische Darstellung des Sondenkopfes;
    [0020] 4 einevergrößerte Darstellungdes Meßsensorsder Sonde im Längsschnitt.
    [0021] Diein 1 dargestellte Meßsonde besteht aus einem Sondenkopf 1,in dem der Meßsensor 5 (siehe 2–4)angeordnet ist, einem Sondenrohr 2 und einer Übergangshülse 3,aus deren Enden vier Anschlußkabel 4 austreten.Der Sondenkopf 1 ist von einer Schutzhülse 6 umgeben. DieSchutzhülse 6,die Übergangshülse 3 unddas Sondenrohr 2 bestehen aus einem thermisch und chemischbeständigemMaterial, üblicherweiseaus rostfreiem Stahl.
    [0022] DieLänge desSondenrohres 2 einschließlich der beiden Hülsen 3 und 6 variiertje nach Einsatzzweck in der Praxis zwischen 50 cm und über 300cm. Das Sondenrohr großerLänge isterforderlich, um den Meßsensor 5 anden vorgesehenen Meßpunktinnerhalb eines Rauchgasstroms oder Prozeßgasstroms zu bringen. DasSondenrohr kann im Bereich seines hinteren Endes an der Wand eines Abgaskanalsbefestigt werden, wobei die Anschlußkabel 4 an eine Meß- und Auswerteelektronikangeschlossen werden können,die sich außerhalbdes Abgaskanals bei Umgebungstemperatur befindet. Der Meßsensorkann in der Praxis innerhalb eines Schutzrohres einer komplexenSonde der Anmelderin integriert sein, welche Sonde mit einem Schutzfiltergegen das Eintreten von Staub, mit einem Befestigungsflansch zurBefestigung an der Wand eines Gaskanals und mit einem Gehäuse für die Auswerteelektronikaußerhalbdes Gaskanals versehen ist.
    [0023] Die 1 istim wesentlichen maßstabsgetreugezeichnet, wogegen die 2 und 3 vergrößerte Darstellungendes Sondenkopfes 1 zeigen. Auf dem vorderen Ende des Sondenrohres 2 isteine Schutzhülse 6 gasdichtaufgebracht. Das vordere Ende der Schutzhülse 6 ist durch einenDeckel 7 verschlossen. In der Nähe des Deckels 7 weistdie Schutzhülse 6 vierDurchtrittsöffnungen 8 auf,um das Eintreten der Gase, deren Zusammensetzung gemessen werdensoll, in das Innere der Schutzhülse 6 zuermöglichen.Im Inneren der Schutzhülse 6 ist – wie erwähnt – der Meßsensor 5 angeordnet.Der Meßsensor 5 istin dieser Ausführungsformein Galliumoxid-Sensor (Ga2O3)für dieCO-Messung. Dieser Meßsensor 5 aufHalbleiterbasis wird bei einer Temperatur von ca. 750°C betrieben.Er weist eine aktive Galliumoxidschicht auf, deren Widerstand sichbeim Kontakt mit dem zu detektierenden Gas ändert. Diese Widerstandsänderungwird überKontaktelektroden abgegriffen und ist proportional zur CO-Konzentration.Ein Ga2O3-Sensorhat eine schnelle Reaktionszeit und eine geringe Querempfindlichkeit.Darüberhinaus zeigt er auch in schwefelhaltigen und rußbelasteten Rauchgasen langfristigstabile Eigenschaften und eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Meßwerte.Der Meßsensorauf Halbleiterbasis wird von Hersteller mit Anschlußdrähten 9 versehen,die aus Platin bestehen. Zwei der vier Anschlußdrähte 9 dienen der Zufuhrdes Heizstroms. Die zwei anderen dienen der Widerstandsmessung.
    [0024] Gemäß der Erfindungist jeder Anschlußdraht 9 ausPlatin mit einem drahtförmigenKupplungselement 10 aus Gold – nachfolgend Kupplungsdraht 10 genannt – verschweißt. DerKupplungsdraht 10 aus Gold ist jeweils seinerseits miteinem Leiterdraht 11 aus Kupfer verschweißt. DerLeiterdraht 11 aus Kupfer ist zur elektrischen Isolierunggegen das Sondenrohr 2 in einer Mineralisolierung 12 innerhalb desSondenrohres 2 eingebettet. Die Endabschnitte der Leiterdrähte 11 sindmit einer Vergussmasse 13, bestehend aus einer aushärtbarenKeramikmasse, innerhalb der Schutzhülse 6 des Sensorkopfes 1 fixiert.
    [0025] Wieinsbesondere in 4 zu erkennen, erfolgt die Verbindungder Drähte 9, 10, 11 untereinandermittels eines Schweißvorgangs.Mit Hilfe eines Lasers wird der Kontaktbereich zwischen einem Anschlußdraht 9 undeinem Kupplungsdraht 10 punktgenau erhitzt, so daß sich hiereine Schweißlinse 14 ausbildet.Beim Erhitzen und Aufschmelzen des Platins am Ende des Anschlußdrahtes 9 unddes Goldes am Ende des Kupplungsdrahtes 10 entsteht innerhalbder Schweißlinse 14 einePlatin-Gold-Legierung, welche nach dem Erkalten eine thermisch und mechanischstabile Verbindung bildet. Die Haltbarkeit der Schweißstelleliegt im wesentlichen nicht unterhalb der Haltbarkeit der an dieSchweißlinse 14 angrenzendenDrähte 9, 10.
    [0026] Ebensowird im Kontaktbereich zwischen Kupplungsdraht 10 und Leiterdraht 11 verfahren. Auchdieser Kontaktbereich wird mit einem Laser erhitzt, so daß sich eineSchweißlinse 15 ausbildet,die nach dem Erkalten eine erstarrte Gold-Kupfer-Legierung aufweist.Auch diese Verbindung ist thermisch und mechanisch beanspruchbarund weist im wesentlichen die Haltbarkeit der angrenzenden Drähte 10, 11 auf.
    [0027] Aufgrundder Schweißungenist der Meßsensor 5 äußerst haltbarmit dem Sondenrohr 2, in dem die Leiterdrähte 11 über dieVergußmasse 13 fixiert sind,verbunden. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Verbindung ist dasFehlen von Thermospannungen in den Übergangsbereichen. Die gewählten Materialpaarungenund die Verbindung durch Verschweißen, d.h. Bildung einer Legierungder zwei aneinandergrenzenden Metalle im Bereich der Schweißlinse, führen dazu,daß imVerbindungsbereich durch Temperatur keine elektrischen Spannungeninduziert werden, welche das Meßergebnisverfälschenkönnen.
    [0028] AlsLeiterdraht 11 wird vorteilhafterweise eine Draht mit möglichstgroßemQuerschnitt verwendet. Hierdurch wird der ohmsche Widerstand desLeiterdrahtes 11 gesenkt. In der Praxis haben sich Kupferdrähte miteinem Durchmesser von 0,75 bis 1 mm als Leiterdraht 11 bewehrt.Die Anschlußdrähte 9 des Meßsensors 5 habendagegen einen sehr viel kleineren Durchmesser. Bei der dargestelltenAusführungsformliegt der Durchmesser der Anschlußdrähte 9 bei 0,1 mm.Der Durchmesser des Kupplungsdrahts 10 aus Gold ist derartgewählt,daß eretwa in der Mitte zwischen dem Durchmesser des Anschlußdrahts 9 unddem Durchmesser des Leiterdrahts 11 liegt. Der Durchmesserdes Kupplungsdrahts 10 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform0,5 mm. Auf diese Weise wird an den beiden Schweißstelleneine moderate Steigerung der Querschnittsfläche beim Übergang vom Anschlußdraht 9 aufden Kupplungsdraht 10 und beim Übergang vom Kupplungsdraht 10 aufden Leiterdraht 11 verwirklicht. Die Länge des Kupplungsdrahts 10 ausGold liegt etwa bei dem dreifachen seines Durchmessers.
    [0029] Obwohldie Erfindung anhand des Beispiels einer CO-Meßsonde unter Verwendung einesGalliumoxid-Meßsensorsbeschrieben wurde, ist sie auf beliebige Sensoren und Sonden anwendbarund schafft grundsätzlichdie Möglichkeiteiner stabilen und das Meßergebnisnicht verfälschendenVerbindung eines Meßsensorsmit den Leiterkabeln, welche zur Meß- und Auswerteelektronik führen.
    1 Sondenkopf 2 Sondenrohr 3 Übergangshülse 4 Anschlußkabel 5 Meßsensor 6 Schutzhülse 7 Deckel 8 Durchtrittsöffnung 9 Anschlußdraht 10 Kupplungselement,Kupplungsdraht 11 Leiterdraht 12 Mineralisolierung 13 Vergußmasse 14 Schweißlinse 15 Schweißlinse
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] Meßsondemit einem Meßsensor(5), welcher mindestens einen Anschlußdraht (9) aus einemersten Metall aufweist, der mit einem Leiterdraht (11) auseinem zweiten Metall verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,daß zwischenden Anschlußdraht (9)und den Leiterdraht (11) ein elektrisch leitendes Kupplungselement(10) aus einem dritten Metall gefügt ist, welches mit dem Anschlußdraht (9)und mit dem Leiterdraht (11) verschweißt ist.
    [2] Meßsondenach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Metall mit demersten Metall und mit dem zweiten Metall gut legierbar ist.
    [3] Meßsondenach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsensor(5) mindestens zwei und vorzugsweise vier Anschlußdrähte (9)aufweist, die jeweils überein Kupplungselement (10) mit jeweils einem Leiterdraht(11) verbunden sind.
    [4] Meßsondenach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß dasKupplungselement (10) ein kurzer Drahtabschnitt ist.
    [5] Meßsondenach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß derDurchmesser des Kupplungselements (10) derart gewählt wird,daß erzwischen dem Durchmesser des Anschlußdrahts (9) und demDurchmesser des Leiterdrahts (11) liegt.
    [6] Meßsondenach einem der vorangehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß daserste Metall Platin, das zweite Metall Kupfer und das dritte MetallGold ist.
    [7] Meßsondenach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß derLeiterdraht (11) zwischen seinen Enden mit einer Mineralisolierung(12) ummantelt ist.
    [8] Meßsondenach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß derLeiterdraht (11) nahe der Verbindung mit dem Kupplungs element(10) in einer Schutzhülse(6) mittels einer Vergußmasse (13) fixiertist.
    [9] Meßsondenach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß derMeßsensor(5) ein Galliumoxidsensor ist.
    [10] Verfahren zur Herstellung einer Meßsonde, beidem mindestens ein aus einem ersten Metall bestehender Anschlußdraht (9)eines Meßsensors(5) elektrisch leitend mit einem Leiterdraht (11)aus einem zweiten Metall verbunden wird, dadurch gekennzeichnet,daß zwischenden Anschlußdraht(9) und den Leiterdraht (11) ein elektrisch leitendes Kupplungselement(10) aus einem dritten Metall gefügt wird, welches mit dem Anschlußdraht (9)und mit dem Leiterdraht (11) verschweißt wird.
    [11] Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,daß derMeßsensor(5) mindestens zwei, vorzugsweise vier Anschlußdrähte (9)umfaßt unddiese mittels jeweils einem Kupplungselement (10) mit jeweilseinem Leiterdraht (11) verbunden werden.
    [12] Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,daß dieKontaktstelle zwischen dem Anschlußdraht (9) und demKupplungselement (10) und die Kontaktstelle zwischen dem Kupplungselement(10) und dem Leiterdraht (11) jeweils mit einemLaserstrahl erhitzt und aufgeschmolzen werden.
    [13] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,daß derLeiterdraht (11) zwischen seinen Enden mit einer Mineralisolierung (12)ummantelt wird.
    [14] Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet,daß derLeiterdraht (11) nahe der Verbindung mit dem Kupplungselement (10)in einer Schutzhülse(6) mittels einer Vergußmasse (13) fixiertwird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-01-05| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2006-11-02| 8181| Inventor (new situation)|Inventor name: GUMPRECHT, FRED, 51709 MARIENHEIDE, DE |
    2012-03-03| R016| Response to examination communication|
    2012-04-13| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2013-01-03| R020| Patent grant now final|Effective date: 20120929 |
    2021-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE102004010593A|DE102004010593B4|2004-03-02|2004-03-02|Meßsonde und Verfahren zu deren Herstellung|DE102004010593A| DE102004010593B4|2004-03-02|2004-03-02|Meßsonde und Verfahren zu deren Herstellung|
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