CN102252718A - 带有金属封装的传感器装置的热式质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热式质量流量计，具有金属封装的传感器装置，所述传感器装置包括至少一个加热电阻(7)，其中所述至少一个加热电阻(7)具有片状几何形状并由传感器罩(3)包围，与加热电阻(7)的片状几何形状相对应地，传感器罩(3)的至少一个远端的端部区域(5)构造成具有这样的矩形横截面，即，使得该端部区域配合精确地紧密包围所述加热电阻(7)。

Description

带有金属封装的传感器装置的热式质量流量计

技术领域

本发明涉及一种具有金属封装的传感器装置的热式质量流量计，所述传感器装置包括至少一个加热电阻和至少一个温度测量电阻，其中所述至少一个加热电阻具有扁平的片状几何形状并由传感器罩包围。

背景技术

本发明的应用领域优选延伸到工艺技术上的设备，在所述设备的管道中，通常为了控制技术方面的目的，要测量流动通过所述管道的流体的质量流量。为此，采用分别基于不同的物理原理的质量流量计，例如科氏质量流量计、磁感应质量流量计或热式质量流量计。本发明涉及最后所述的热式质量流量计，这种质量流量计优选用于确定管道中的气体流量。

根据作为热式质量流量计基础的测量原理，通常向介质流中引入两个温度传感器并用介质流对其进行加载，以便向介质流中进行热传递并测量介质流的温度。作为温度传感器这里优选使用电阻温度计。由加热功率和被加热的电阻温度计的温度可以根据公知的数学关系计算出流量。

由本申请人的DE 19939942A1给出一种热式质量流量计。这种质量流量计具有受脉冲作用的电加热元件和与流动的流体在热上作用连接的温度传感器，所述温度传感器的电阻是温度相关的。这里传感器元件能通过加热元件加热。为了确定流量而设有电子装置，所述电子装置确定在传感器元件中发生的加热和冷却过程的时间曲线。

加热元件和传感器元件这里安置在一共同的壳体中。由于用于壳体的材料以及壳体内部可能的填充材料的选择，也由于壳体的几何构型，都会对传感器元件和流动经过的介质之间的热的作用连接产生影响。

在所述现有技术中，壳体在传感器元件的区域内具有收缩部，用于提高热的作用连接。原理上通过尽可能高的热作用连接，即通过加热元件向流体介质中最大的热传递，以及由于向传感器接头或传感器支座极低的热量散失，可以实现最佳的测量效果和高的测量精度。

因此，为了实现传感器装置的短的响应时间，要求将传感器装置和其包装环境的热质量保持尽可能小。另一方面，数量众多的工业应用，例如在食品领域、制药领域，要求优选通过优质合金钢对传感器装置进行金属封装。除了卫生方面，这种金属封装的传感器装置具有相对于腐蚀性的介质明显更高的耐抗性的优点，并且由此也可以在恶劣的环境中使用。但这样的设备需要对传感器装置进行复杂的包装，因为这种包装必须在大的温度范围上是稳定的并且多数情况下要使用数量众多的不同的具有不同热膨胀系数的材料。

由US 5,880,365给出一种用于热式质量流量计的金属封装的传感器装置，这种传感器装置的金属罩具有圆柱形的构型并通过将一空心圆柱体与一圆形盖相互焊接形成。这种传感器装置的重要的质量参数是周长与横截面的比例。在内部采用电阻丝作为传感器，所述电阻丝绕同样圆柱形的载体缠绕，所述载体又由圆柱形的金属罩包围。为了实现从传感器装置到流动的介质中的较小的加热电阻，这里，圆柱形的金属罩发生塑性变形。采用限位套筒附加地有助于实现对圆柱形的载体的提高的热隔离。

DE 10216532A1记载了一种金属封装的传感器装置，其中，热式测量元件安装在一矩形的陶瓷载体上。所述陶瓷载体又由圆柱形的金属罩包围并通过焊锡固定在其中。但这里测量元件的电接触部位没有被焊锡覆盖。为此，陶瓷载体在安装在该陶瓷载体上的测量元件的部位通过耐高温的玻璃层覆盖。在陶瓷载体的与测量元件相对置的表面上施加有锡金属化层。所有这些相当复杂的措施用于实现尽可能小的从传感器装置到流体介质中的热阻以及用于同时实现载体内部高的热隔离。

EP 1835267A2也记载了用于抑制加热电阻和其载体之间的热流的措施。为此采用了主动的第二加热元件，所述第二加热元件定位在加热电阻和载体之间。但这种主动的热流抑制需要相应较高的构件技术上的耗费。

发明内容

因此本发明的目的是，实现一种带有稳定地金属封装的传感器装置的热式质量流量计，所述传感器装置通过简单的技术措施确保了具有极高精度的最佳的测量效果。

所述目的基于根据权利要求1的前序部分的热式质量流量计结合权利要求1特征部分的特征来实现。后面的各从属权利要求给出了本发明有利的扩展方案。

本发明包括这样的技术教导，即与加热电阻的片状几何形状相对应地将传感器罩的至少一个远端的端部区域构造成具有一这样的矩形横截面，即，使得该端部区域配合精确地紧密包围所述加热电阻。

根据本发明的解决方案的优点特别在于，仅通过这种特殊的几何关系就明显改善了从传感器装置到流动的介质中的热传递，同时仅发生极小的向传感器接头中的热量散失，因为传感器罩相应配合精确地优选只包围加热电阻的远端的端部区域。通过根据本发明的解决方案使传感器装置和其包装的热质量最小化。

优选对于传感器装置可以采用薄膜电阻，所述薄膜电阻设置在同样薄的基体上，所述基体具有片状几何形状，以便实现加热面与触点接头在位置上的分离。由于通过根据本发明的解决方案使传感器装置和其高耐抗性的传感器罩的热质量最小化，可以实现有利地短的响应时间。相对于传统的圆柱形的壳体几何形状，通过根据本发明的矩形的轮廓代表周长与横截面比值的质量指标加倍。特别是矩形轮廓大的冷却面与其体积相比实现了期望的短的响应时间以及在灵敏度方面最佳的测量效果。试验证明，根据本发明的传感器装置的响应时间与传统的解决方案相比从1-3s降低到约0.6s。由于传感器罩的矩形横截面，壳体的表面的大部分构造成相同的结构，从而这里也可以形成均匀的流动结构。此外，流体从后棱边区域的表面上的分离发生了推移。由于本发明的特殊的形状该表面较小并且因此对于总的热传递只有很小的影响。因此在这个区域内的不稳定只对测量特性产生微小的影响。

由于这个原因，根据本发明构成的传感器装置可以以简单的解析公式只用很少的要校正的参数来描述。因此，为了校正只需要少数几个测量点，这同样对于测量精度起有利的作用。

根据传感器罩的一个优选的实施形式，传感器罩的扁平长方体状的远端的端部区域由0.1至0.3mm厚的金属板制成，所述金属板在保持最大0.1mm的间隙的情况下包围加热电阻。在金属板的这个厚度范围内，对于大多数应用场合，传感器罩对位于内部的传感器装置充分地满足了保护功能，并且所述传感器装置由于到传感器罩非常窄的间隙获得向流动的介质中高的热传递。总体上实现了引起前面给出的短的响应时间的配合精度。

在根据本发明的传感器装置的范围内所采用的加热电阻优选包括扁平长方体形的带有设置在其上的薄膜电阻的基底片。这种薄膜电阻或薄层电阻可以特别节省空间地安置在传感器罩的矩形横截面内部。

根据一个改进本发明的措施建议，传感器罩的扁平长方体状的远端的端部区域的棱边构造成特别锋利的/尖棱的(scharfkantig)，优选具有最大为传感器罩的宽度b的1/3的半径或倒角。为了实现高效的热传递，由此特别避免了传感器罩的圆形的迎流面。通过传感器罩在远端的端部区域内的特别锋利的构型在所述棱边上基本上与相应的环境参数无关地形成流转变

并且不会因此改变其在表面上的位置。由此可以实现比传统的传感器罩明显更稳定的流动状态，这附加地简化了校正并提高了质量流量测量的精度。

根据另一个改进本发明的措施建议，传感器罩的扁平长方体状的、优选锋利的远端的端部区域沿轴向方向延长到一相对于该端部区域扩展的连接区域，以便在其中设置加热电阻的电连接元件。

电缆优选通过钎焊连接而固定在加热电阻的端部上。由此根据本发明的传感器罩的形状严格地遵照传感器装置的功能设计。远端的端部区域设计成用于实现精确的测量结果，而传感器罩的其余区域的形状设计成为设置电连接元件提供足够的空间。为此所述扩展的连接区域特别是可以构造成圆柱形的。

由薄的金属板构成的传感器罩可以通过弯曲或密封焊接金属板、通过深拉或通过成形来制造。

传感器罩的扩展的端部区域优选设有气体填充物。所述气体填充物用于传感器装置相对于承载传感器罩的保持杆的热隔离。通过所述气体实现了将导热性降低约一个数量级。这里这样构成的气体填充的空腔应构造成尽可能长的结构，以便实现高的隔离作用。

气体填充的扩展的端部区域因此特别是具有比横向延伸长度大的纵向延伸长度并优选通过一在端侧焊接在传感器罩上的附加的圆柱形套筒构成，所述套筒又在末端侧固定在承载杆上。通过传感器装置这种形式的热隔离降低了由于到保持杆中的散热而引起的测量误差，所述散热通常不是恒定的并且因此也不通过校正传感器装置来补偿。由于向保持杆中的散热与流动介质的温度和环境温度相关，在波动的情况下可能导致明显的测量误差，这种测量误差通过热隔离来防止。这里热隔离能通过套筒长度以及其壁部厚度的改变来调整。这样通过使套筒长度并由此使空腔的长度加倍而实现使热损失降低4至6倍。

传感器装置的一个绝对重要的测量参数是从传感器罩的表面到流动的介质中的热传递。在已知加热功率、传感器表面温度和介质温度的情况下，能够根据公知的数学关系确定所述热传递并最终确定通流速度。加热功率和介质温度可以在测量技术上简单地确定，而传感器罩的表面温度则必须由传感器装置内部的加热电阻的温度得出，其中，假设从加热电阻到传感器表面的热阻是恒定的。所述热阻的变化导致与热阻的变化成比例的测量误差。已知的具有复杂的传感器装置包装的热式质量流量计的这个问题通过本发明在原理上这样来解决，即通过使所述包装的热阻最小化来降低可能的测量误差。

优选除了配合精确的、薄壁的传感器罩之外，还应给在传感器罩和加热电阻之间的狭窄的间隙填充高导热性的固态的、液态的或糊状的填充材料。除了将加热电阻和传感器罩之间的间隙保持较小的措施，通过高导热性的填充材料中的这样的嵌入，可以实现附加地降低用于传感器装置的包装的热阻。除了这样降低和稳定化热阻以外，填充材料还确保在加热电阻和传感器罩之间的稳定的机械连接。

附图说明

下面与对本发明的优选实施例的说明一起根据附图详细示出其他改进本发明的措施。其中：

图1示出具有金属封装的传感器装置的热式质量流量计的示意图，

图2示出用于传感器装置的传感器罩的透视图，

图3示出根据图2的传感器罩的纵向剖视图，以及

图4示出附加地用圆柱形套筒延长的传感器罩的纵向剖视图。

具体实施方式

根据图1在由流动的介质1流动通过的管道2中设置金属封装的传感器装置的由所述介质绕流的传感器罩3，所述传感器装置用于一热式质量流量计。所述金属封装的传感器装置与一用于产生测量值和分析测量值的电子的分析处理单元4电连接。

根据图2，传感器罩3具有远端的端部区域5，该端部区域具有扁平长方体形的横截面，所述端部区域在一扩展的连接区域6延续，所述连接区域为圆柱形的。所述一体制成的传感器罩3由0.2mm厚的金属板构成，以便保护位于内部的传感器装置不受绕流传感器罩3的介质2影响。

根据图3，传感器罩3包含一具有片状几何形状的加热电阻7。传感器罩3的所述远端的端部区域5构造成具有这样的矩形横截面，使得所述远端的端部区域配合精确地紧密地包围加热电阻7。在加热电阻7和传感器罩3之间只形成小于0.1mm的狭窄的间隙8。

加热电阻7由扁平长方体状的基体片组成，所述基体小片具有设置在该基体小片上的薄膜电阻9。为了电连接所述薄膜电阻9，传感器罩3具有一相对于所述远端的端部区域5扩展的连接区域6，在所述连接区域中，薄膜电阻9的端部钎焊在连接电缆11上。

根据在图4中示出的实施形式，传感器罩3的圆柱形的连接区域6在端侧以一焊接在其上的圆柱形的套筒10延长。圆柱形的套筒10用气体填充，所述气体用于加热电阻7相对于保持杆12的热隔离。传感器罩3的扁平长方体形的远端的端部区域5与加热电阻7之间的间隙8用高导热性的糊状的填充材料13填充，所述填充材料同时也用于相对于传感器罩3固定加热电阻7。

附图标记列表

1流动的介质

2管道

3传感器罩

4分析处理单元

5远端的端部区域

6扩展的连接区域

7加热电阻

8间隙

9薄膜电阻

10圆柱形的套筒

11连接电缆

12保持杆

13填充材料

b传感器罩的宽度

Claims (10)

1.热式质量流量计，具有金属封装的传感器装置，所述传感器装置包括至少一个加热电阻(7)，所述至少一个加热电阻(7)具有片状几何形状并由传感器罩(3)包围，其特征在于，与加热电阻(7)的片状几何形状相对应地，至少传感器罩(3)的远端的端部区域(5)构造成具有这样的矩形横截面，即，使得该端部区域配合精确地紧密包围所述加热电阻(7)。

2.根据权利要求1所述的热式质量流量计，其特征在于，传感器罩(3)的扁平长方体状的远端的端部区域(5)由0.1至0.3mm厚的金属板构成，所述金属板在保持最大0.1mm的间隙(8)的情况下包围加热电阻(7)。

3.根据权利要求1所述的热式质量流量计，其特征在于，加热电阻(7)包括扁平长方体状的基体小片，该基体小片带有设置在该基体小片上的薄膜电阻(9)。

4.根据权利要求1所述的热式质量流量计，其特征在于，传感器罩(3)的扁平长方体状的远端的端部区域(5)的棱边构造成锋利的，或者具有最大为宽度(b)的1/3的半径或倒角。

5.根据权利要求1所述的热式质量流量计，其特征在于，传感器罩(3)的扁平长方体状的远端的端部区域(5)沿轴向方向延长到一相对于该端部区域扩展的连接区域(10)，在所述连接区域中加热电阻(7)通过钎焊连接而连接在电缆(11)上。

6.根据权利要求5所述的热式质量流量计，其特征在于，所述扩展的连接区域(6)构造成圆柱形的。

7.根据权利要求5所述的热式质量流量计，其特征在于，所述扩展的连接区域(6)是气体填充的。

8.根据权利要求7所述的热式质量流量计，其特征在于，气体填充的扩展的端部区域(6)具有比横向延伸长度大的纵向延伸长度。

9.根据上述权利要求中任一项所述的热式质量流量计，其特征在于，传感器罩(3)的扩展的连接区域(6)在端侧以焊接的圆柱形的套筒(10)延长。

10.根据上述权利要求中任一项所述的热式质量流量计，其特征在于，在传感器罩(3)的扁平长方体状的远端的端部区域(5)和加热电阻(7)之间的间隙(8)填充有高导热性的固态的、液态的或糊状的填充材料(13)。

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