CN108139253B - 热式流量计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种热式流量计，包括具有金属传感器壳体(1)的传感器，所述传感器壳体(1)具有用于连接到插入式设备和/或管道壁的中空体(2)，其中所述中空体(2)具有基部表面(11)；其中所述传感器壳体(1)至少具有第一销套和第二销套(3a、3b)，所述第一销套和所述第二销套(3a、3b)从所述基部表面(11)突出，其特征在于，所述金属传感器壳体(1)被形成为一件式并且所述销套(3a、3b)和所述中空体(11)无接缝、特别是无焊接的方式彼此连接在一起。

Description

热式流量计及其制造方法

本发明涉及一种热式流量测量装置及其制造方法。

热式流量测量装置的结构实施例是本身已知的。从最常见的具有基部区域的圆柱形中空体开始，有至少两个圆柱形销套延伸到管或管道的内部中。但是，这些销套最常的是通过焊缝与圆柱形中空体连接。典型示例在DE10 2010 061731 A1中示出和描述。

在接头处的常见连接通过焊接而产生。可以根据接头类型应用不同的焊缝，它们具有不同的接缝形式或接头形式以及不同的接缝堆积。焊工在对接焊缝和角焊缝之间进行区分。在对接焊缝的情况下，力的作用线以相对更均匀的应力分布的方式延伸，而在角焊缝的情况下，力的作用线偏转，这导致应力集中。

在热式流量测量领域中，接头的常见制备和随后的焊接具有缺点，这是因为在间隙或接头处，在温度变化的情况下热传递变化。这可能导致测量误差。

因此，本发明的目的是防止上述问题。

本发明通过本发明所限定的热式流量测量装置来实现该目的。

本发明的热式流量测量装置包括具有金属传感器壳体的传感器。

传感器壳体具有用于连接到插入式设备和/或管壁或管道壁的中空体。插入式设备可以是例如框架，在其端部上布置有上述的传感器壳体。该框架接着穿过孔插入到管中，该孔最常见的是参照重力场布置在管的最上面的点处。因此，传感器壳体的环境界限壁部分地或完全地暴露于位于管或管道中的被测的介质流。作为插入式设备的替代方案，金属传感器壳体也可以直接或借助于固定到管壁上的管状延伸部来固定。然而，传感器壳体或中空体的安置类型在本发明的情况下仅具有次要的重要性。

上述中空体包括基部区域。该基部区域可以例如是平坦的或圆化形的。

传感器壳体包括至少两个销套，该销套从基部区域开始突出到管或管道的内部中。销套可以被实施成例如圆柱形或棱柱形。

本发明的金属传感器被实施为一件式的并且销套和中空体无接缝地连接在一起。长期以来，常见做法是将销套与中空体组装在一起，并且然后将它们焊接在一起。这些设计产生热传递，该热传递随着介质的温度变化而变化，并且由于生产条件，因此该热传递对于每个传感器壳体来说都不可重现。这可能导致测量误差，该测量误差对不同传感器壳体是不同的。

术语无接缝在本发明的上下文中指既没有焊缝也没有粘合剂缝或焊料缝或钎焊缝作为销套和中空体之间的连接存在。

金属传感器壳体有利地被实施为整体部件。这意味着传感器壳体全部由一种材料制成。尽管生产制造方法也能够进行许多种金属或金属合金的组合，例如钢和钛，并且这些都包括在本发明的范围内，但它们对整体式实施方式来说不是优选的。

有利地是，销套中的每一个销套都具有带有介质接触端面的末端段。在两个销套中的第一个中，特别是在该销套的末端段中，布置有加热器，并且在两个销套中的第二个中，特别是在该销套的末端段中布置有用于确定介质的温度的温度传感器。该实施例描述了具有加热器和温度传感器的典型热式流量测量装置，所述加热器和温度传感器大多彼此热分离并被容纳在两个单独的金属销套中。这些通常也被称为传感器元件。两个相同类型的可加热电阻温度计，例如PT100传感器通常用作加热器和温度传感器，其中一个电阻温度计是有源加热的，并因此用作加热器。这些传感器元件实现流量测量。以这种方式实施的流量测量装置是本身已知的并且已经在商业上销售了多年，然而，在现有技术的目前变型中，具有对应的可加热电阻温度计的最常见的圆柱形销套总是与中空体焊接在一起。在本发明的优选变型中，多个可加热电阻温度计也可以被引入到套中。

有利地是，本发明的热式流量测量装置的销套至少在末端段中具有小于0.5毫米，优选地是在0.1毫米-0.4毫米之间的壁厚。该非常薄的壁厚允许传感器在流速变化的情况下快速响应。

热式流量测量装置总是具有对环境温度的一定敏感度。此外，沿销套的金属壁的尽可能最佳的热量分布，例如，由加热器辐射的热量分布是优选的。在这种情况下，壁厚至少在末端段的范围中有利地变化小于20％，优选地是小于10％。

当两个上述销套被实施成特别薄且长时，可以实现同时与在加热器和温度传感器之间的良好热分离联接的良好响应。有利地是，销套的末端段具有直径为d1的圆柱形侧向表面，并且该末端段延伸了长度l2，其特征在于，比l2/d1大于或等于5，优选地是大于或等于7。这种额外集成为一件式并且无接缝集成到传感器壳体中的销套在该时间点上是尚未已知的。

为了在压力下的稳定性和化学稳定性，传感器壳体有利地由钢和/或钛和/或哈氏合金构成。

传感器壳体优选地可以具有至少三个销套，因此具有优选地彼此平行延伸的第一销套、第二销套以及优选地还有第三销套。诸如上面所述的，销套中的两个可以配备有加热器和用于确定介质的温度的温度传感器。它们以本身已知的方式实现流量测量。该第三传感器套同样可以具有加热器，该加热器优选地被实施成类似于其它两个销套的加热器。例如，在销套的不均匀污染或腐蚀的情况下，有利地实现了传感器漂移的确定和/或补偿。在这种情况下，该额外的销套同样可以有利地是一件式的并且与中空体无接缝地连接在一起。

有利地是，传感器壳体具有流动障碍部，该流动障碍部相对于三个上述销套中的一个以如下方式布置，即：使得从传感器壳体被从预定流动方向流过时开始，销套中的一个销套部分地或者完全地位于流动障碍部的流动阴影中，而另外两个销套被布置成从流动阴影移开。优选地是，加热器被布置在第三销套中。这允许根据来自上述流动方向的被测的介质流动以及由此远离加热器的热量流动和传输是否受到流动障碍部阻碍或者被测的介质的流动方向是否与这种流动方向相反来进行方向检测。在后一种情况下，第三销套不在流动障碍部的流动阴影中。

流动障碍部可以优选地被实施为例如具有三角形横截面的棱柱形销套，该棱柱形销套特别优选地平行于其它三个销套延伸。

第三销套和/或销形元件可以从中空体的基部区域开始突出到管或管道的内部中并且与中空体无接缝地连接在一起，其中第三销套和/或流动障碍部的长度优选地小于前两个销套的长度。这样，第三传感器元件中的加热器不会影响流量测量，这是因为与前两个销套的加热器和温度传感器不同，它被布置在垂直于传感器壳体的纵向轴线的另一个平面上。

传感器壳体优选地包括弓状部，该弓状部桥接在至少第一销套和第二销套上方并优选地与中空体连接。这种弓状部用于引流。所述至少两个销套的布置可以形成位于对称平面中的连接轴线。弓状部同样优选地位于该对称平面上并且被实施成关于该对称平面对称。

在优选实施例中，弓状部与中空体无接缝地连接在一起。

末端段的长度有利地为至少2毫米，优选地是3毫米-10毫米，并且销套的总长优选地是至少10毫米。对应的长销套能够实现特别好的热分离。

本发明的流量测量装置的传感器壳体可以有利地借助于生产制造方法、优选地是借助于辐射熔融方法来生产。虽然对应的传感器壳体也能经由其它制造方法来实现，因此例如，通过一次成型方法，特别是通过金属注射模制来实现，但已经发现，通过上述优选的制造方法可以获得特别好的制造公差和特别薄壁的部件。

现将基于实施例的示例并借助附图来更详细地解释本发明。本说明书和附图仅作为示例，并非旨在限制本发明的保护范围。附图中的各图示出如下：

图1是本发明的热式流量传感器的传感器壳体的立体图；

图2是图1的传感器壳体的剖视图；以及

图2a是图1的截面平面图。

传统的热式流量测量装置通常使用两个被实施为尽可能相同的可加热电阻温度计，它们最常见的是被布置在销形金属套(所谓的刺状物(stingers))中或者在圆柱形金属套中，并且与流经测量管或流经管道的介质进行热接触。对于工业应用，两个电阻温度计通常被安装在测量管中；然而，电阻温度计也可以被直接安装在管道中。两个电阻温度计中的一个是所谓的有源传感器元件，它借助于加热单元来加热。额外的电阻加热器被设置成加热单元，或者电阻温度计是电阻元件，例如RTD(电阻温度装置)传感器，其通过电力转换，例如通过测量电流的对应变化来加热。在热式流量测量领域中，有源传感器元件通常也被称为加热器。第二电阻温度计是所谓的无源传感器元件：其测量介质的温度。

通常，在热式流量测量装置中，可加热电阻温度计被加热，使得在两个电阻温度计之间建立了固定的温差。可替代地是，经由控制单元供应恒定加热功率也是已知的。

如果测量管中没有流动，则需要不随时间变化的热量来维持规定的温差。相反，如果待测量的介质正在移动，则加热的热电阻温度计的冷却主要取决于流经其的介质的质量流量。因为介质比加热的热电阻温度计冷，所以热量通过流动介质从加热的热电阻温度计传走。因此，在流动介质的情况下，为了保持两个电阻温度计之间的固定温差，加热的热电阻温度计所需的加热功率增加。增加的加热功率是流经管道的介质的质量流量的量度。加热功率可以用所谓的功率系数PC来描述。

相反，如果提供恒定的加热功率，则由于介质流动的结果，两个电阻温度计之间的温差减小。那么，具体温差是流经管道的介质的质量流量的量度或者是流经测量管的介质的质量流量的量度，这视情况而定。

因此，对电阻温度计进行加热所需的加热能量与流经管道或流经测量管的质量流量之间存在函数关系，这视情况而定。在热式流量测量装置中，传热系数对流经测量管或流经管道的介质的质量流量的依赖性被用于确定质量流量。利用该原理运行的装置由申请人以‘t-switch’、‘t-trend’和‘t-mass’商标进行生产和销售。

图1、图2和图2a详细示出了热式流量测量装置的一个具体变型。在这种情况下，特别是可以看到热式流量测量装置的测量传感器的壳体，其在下文中被称为传感器壳体1。该壳体由金属制成，并且可以被实施为插入式传感器，或者在给定的情况下，其可以通过中间件持久地固定到测量管的内表面。

除了测量传感器之外，热式流量测量装置当然还包括评估单元，但是由于清楚的原因，该评估单元未示出。

这里将进行描述的用于测量传感器的传感器壳体1仅代表本发明的特别优选的实施例，并不旨在限制本发明的保护范围。

传感器壳体1包括中空体2，中空体2可以直接或通过中间件固定到例如插入杆的插入式设备的底座或固定到测量管或管道，这视情况而定。

中空体2包括板状的基部区域11，从该基部区域11开始，至少两个(第一和第二)销套3a和3b延伸到管的(例如测量管的)管腔，因此延伸到内部中。

图1和图2的实施例中的中空体2是截头圆锥形的。但是，其也可以具有其它形状，例如是圆柱形的或具有截头金字塔的形状。

在图1、图2和图2a中总共有四个销套。这种变型是优选的，因为在这种壳体形式的情况下，许多功能，例如漂移检测和方向检测可以有利地并且在结构上结合在热式流量测量装置中。

同时，图1和图2的实施例表明：在本发明的情况下，也可以实现更复杂的传感器壳体变型。

在简化的实施例中，本发明也可以仅具有两个销套3a和3b。销套与中空体连接成一件式并无接缝地连接在一起，特别是在连接区域12中。在本发明的意义上，术语连接接缝是指焊缝、粘合剂缝、锡焊缝、钎焊缝等。特别优选地是，壳体，因此销套和中空体的整体是整体式实施成的。

在各种情况下，第一销套和第二销套3a、3b都具有介质接触端面13。端面13在图1和图2中是圆化形的，但其也可以是平坦的。

在各种情况下，销套3a和3b都可以被实施成阶梯式的，由此可以使得通过其在背向介质的销套一侧上的末端开口将加热元件和/或温度传感器更好地引导和定位在销套中。

销套3a或3b的几何形状实施例使得：从端面13开始，首先是第一段8a，第一段8a具有圆柱形销套壁和第一恒定圆柱直径d1。然后，跟着是第二段8b，第二段8b具有圆柱销套壁和第二恒定圆柱直径d2。

可替代地是，第一段和/或第二段也可以具有圆锥形形状。在这种情况下，直径d1和/或d2具有平均值。第一段8a和第二段8b之间的过渡区域不是突变的，而是呈现直径从第一直径d1到第二直径d2的连续增加。因此，在对应的阶梯9的情况下，直径不是突变的，而是逐渐变化的。然后，销套进入第三段8c中的过渡区域10，第三段8c被实施为截头圆锥形，并且在这种情况下，直径d在截锥体至中空体2处的过渡区域7的过程中逐渐增大。销套3a和3b具有至少10毫米的长度l1。

端面13与根据本发明的限定的段8a相关联。在两个销套3a和3b中的第一个销套的该段8a中布置有加热元件或加热器(未示出)。这也可以例如是可加热电阻温度计。加热元件不是必须绝对地接触销套的端面或圆柱形侧向表面，而是可以优选地经由铜桥与销套的壁热联接在一起。这同样也适合于额外的可选销套。DE 10 2008 015 359 A1中详细描述了对应的布置及其优点。

在两个销套3a和3b中的第二个销套的段8a中布置有用于确定介质的温度的温度传感器。这同样可以被实施为可加热电阻温度计，其中，在热式流量测量装置的工作期间，优选地是在各种情况下，电阻温度计中的一个可以是有源加热的，并且电阻温度计中的一个可以不加热地工作。

销套3a和3b的壁厚至少在该段8a中小于0.5毫米，优选地是小于或等于0.4毫米，特别是0.1毫米至0.4毫米。由于薄的壁厚，因此可以实现特别更有利的热传递。

该段8a的长度l2可以是至少2毫米，但优选地是3毫米-10毫米。

第一段8a的长度l2与直径d1之比优选地是大于5，特别优选地是等于或大于7。

在本发明的优选实施例中，整个销套的平均比d_平均值/l1优选地是大于4，其中直径总是针对销套的所述段的具体长度，在所述段中，直径是实际存在的。在截锥体的情况下，诸如在段8c中，可以进行直径的平均。

壳体2由金属制成。作为特别优选的金属，可以采用钢。可替代地是，例如对于强腐蚀性介质，也可以采用钛作为壁材料。

此外，壳体可以设置有金属外部涂层，以便在给定的情况下增加对特定介质的抵抗力。然而，本发明的外部涂层不是壳体2的一部分，而是用作补充地涂覆在壳体上的材料涂层。

与上述本发明的热式流量测量装置的基本形式不同，图1和图2中所示的实施例包括可选的流动障碍部5(其可以被实施为销套或实心元件)以及同样是可选的第三销套4。

与前两个销套3a和3b相比，流动障碍部5至少在具有端面的端部区域中具有另一个几何横截面形状。特别地是，具有端面的端部区域被实施成棱柱形。在图1和图2的实施例中，横截面形状被实施为三角形。流动障碍部5在所示的第一流动方向D上被布置在第三销套4之前。

第一传感器套和第二传感器套形成共有的连接轴线。第一流动方向D被限定成使得该第一流动方向D以与连接轴线成80-100°的角度布置在垂直于两个上述传感器套的纵向轴线并且连接轴线位于其上的平面上。被测的介质首先沿第一流动方向撞击在流动障碍部5上。第三传感器元件4部分地或完全地位于该流动障碍部5的流动阴影中。

根据传感器在介质流中的定位，代替第一流动方向D，也可以存在与第一流动方向D相反的第二流动方向(未示出)。在该流动方向上，介质直接对着第三个销套流动。

同样具有加热器的如此布置的第三销套4可用于方向检测。

在本发明的上下文中对其进行综合参考的文献DE 10 2009 045 956 A1和DE 102010 040 285A1中描述了流动方向检测的总的方法。

在这种情况下，进行基于两个功率系数PC1和PC2的决策系数DC的确定。在这种情况下，这涉及销套3a或3b中的一个销套的加热器的功率系数PC1以及第三销套4中的加热器的第二功率系数。决策系数确定如下：DC＝(PC2-PC1)/PC2。通过决策系数与极限值的一致，可以确定流D是从哪个方向流过管道或测量管的，这视情况而定。重要地是，第三销套的加热器的功率系数根据销套是在流动障碍部5的流动阴影中还是被直接流过而变化。

如从图1和图2可以看出的，与第一套或第二套3a和3b的总长相比，第三销套4具有较小的总长l3。套4类似于销套3a、3b具有端面13，该端面13与销套4的第一圆柱形段8a相关联。在该第一段之后是第三段8c，类似于套3a和3b，该第三段8c被实施成圆锥形。在销套4的情况下，不存在第二圆柱形段8b。在该较短的第三销套4中同样布置有加热器，例如可加热电阻温度计。此外，与第一销套或第二销套3a和3b的总长l1相比，流动障碍部5也具有较小的总长l3。由于垂直于其上布置有加热器的销套的纵向轴线的不同平面，因此流量测量不受方向检测的影响。

较短的第三销套4还具有另一污染程度。通过例如第一销套或第二销套3a、3b中的加热器的功率系数与第三销套4的加热器的功率系数的比形成，可以进行热式流量测量装置的工作时间内的传感器漂移的评估。在给定的情况下，可以进行传感器漂移的量化，并且特别优选地是可以在流量测量的情况下进行传感器漂移的补偿。

如果流动障碍部5是传感器套，则加热器或加热元件，优选地是可加热电阻温度计也可以被设置在该传感器套中。正是由于不同的几何形状，因此将会预料到这种销套的另一种污染行为，并且由此预料到在热式流量测量装置的操作持续时间期间的另一种传感器漂移。例如，通过不同加热元件的功率系数的差异形成，可以比较测量操作期间差异变化的百分比，使得仍然可以可靠地检测和补偿传感器漂移。

可选地是，壳体1可以具有弓状部6，弓状部6在第一销套和第二销套3a、3b，可选的第三销套4和销形元件5的布置上弯曲并且优选地被同样整体地且无接缝地与中空体2连接在一起。该弓状部优选地被用作导流元件。

此外，具有至少两个伸长薄壁销套的整体传感器壳体是一种制造挑战。借助于精密铸造，可以以耗费成本且耗时的方式制造对应结构。此外，所用的金属材料也必须适合于铸造。为了成功地精密铸造，诸如冷却速度以及在给定情况下用于表面处理的再加工步骤的许多方面必须得到控制。在一次成型方法，例如所谓的金属注射模制(MIM)的情况下，类似缺点也会出现，在本发明的情况下，金属注射模制基本上也可以用于传感器壳体制造。MIM方法的具体优点是比较高的制造速度。

为了制造这种具有适当薄壁厚度和对应长度的销套的物体，特别优选的是生产制造方法，诸如辐射熔融方法，诸如例如也称为SLM方法的选择性激光熔化。

在SLM方法的情况下，金属粉末以薄层被施加到表面上。金属粉末接着通过激光辐射而局部地完全熔化，并以通常15微米-150微米的涂层厚度固化成固定材料层。接着，表面被降低了涂层厚度的幅度，并且涂敷新的材料层。这样，测量传感器的壳体1逐渐形成。在这种情况下，不存在材料应力和易腐蚀接缝。

附图标记列表

1 传感器壳体

2 中空体

3a,3b 第一销套和第二销套

4 第三销套

5 流动障碍部

6 弓状部

7 过渡区域

8a,8b,8c 第一段、第二段和第三段

9 阶梯

10 过渡区域

11 基部区域

12 过渡区域

13 端部区域

d1 第一直径

d2 第二直径

l1 第一销套或第二销套的总长

l2 末端段的长度

l3 第三销套的长度

D 流动方向

Claims (15)

1.一种热式流量测量装置，包括具有金属传感器壳体(1)的传感器，所述传感器壳体(1)具有用于连接到插入式设备和/或管壁或者管道壁的中空体(2)，其中所述中空体(2)具有基部区域(11)；

其中所述传感器壳体(1)至少具有第一销套和第二销套(3a、3b)，所述第一销套和所述第二销套(3a、3b)从所述基部区域(11)开始突出，

其特征在于，

所述金属传感器壳体(1)被实施为一件式，并且

所述销套(3a、3b)和所述中空体(11)无接缝地、特别是无焊缝地连接在一起，

所述传感器壳体(1)至少具有第三销套(4)，

所述传感器壳体(1)具有流动障碍部(5)，所述流动障碍部(5)相对于所述第三销套(4)以如下方式布置，即：使得当从预定流动方向(D)流过所述传感器壳体(1)时，所述第三销套(5)部分地或者完全地位于所述流动障碍部(5)的流动阴影中，而所述第一销套和所述第二销套(3a、3b)被布置成从所述流动障碍部(5)的流动阴影移开。

2.根据权利要求1所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述金属传感器壳体(1)被实施为整体部件。

3.根据权利要求1或2所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述销套(3a、3b)中的每一个销套具有末端段(8a)，所述末端段(8a)具有介质接触端面(13)，并且在所述第一销套(3a)中布置有加热器，并且在所述第二销套(3b)中布置有用于确定介质的温度的温度传感器。

4.根据权利要求3所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述销套(3a、3b)中的每一个销套至少在所述末端段(8a)中具有小于0.5毫米的壁厚。

5.根据权利要求4所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述壁厚至少在所述末端段(8a)的范围中变化小于20％。

6.根据权利要求3所述的热式流量测量装置，其特征在于，至少所述销套(3a、3b)的所述末端段(8a)具有圆柱形和/或圆锥形侧向表面，所述圆柱形和/或圆锥形侧向表面具有直径(d1)，其中在所述圆锥形侧向表面的情况下，所述直径(d1)对应于平均值，并且所述末端段(8a)延伸了长度(l2)，其中比(l2/d1)大于或等于5。

7.根据权利要求1-2中的一项所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述传感器壳体(1)由钢和/或钛和/或哈氏合金构成。

8.根据权利要求1-2中的一项所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述第三销套(4)和/或所述流动障碍部(5)从所述中空体(2)的所述基部区域(11)开始突出到所述管或管道的内部中并且与所述中空体(2)无接缝地连接在一起，并且其中所述第三销套(4)和/或所述流动障碍部(5)的总长(13)小于所述第一销套或所述第二销套(3a、3b)的总长(l1)。

9.根据权利要求1-2中的一项所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述传感器壳体(1)具有弓状部(6)，所述弓状部(6)桥接在至少所述第一销套和所述第二销套(3a、3b)上方并且与所述中空体(2)连接在一起。

10.根据权利要求9所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述弓状部(6)与所述中空体(2)无接缝地连接在一起。

11.根据权利要求3所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述末端段(8a)的长度(l2)为至少2毫米。

12.根据权利要求1-2中的一项所述的热式流量测量装置，其特征在于，销套(3a、3b)的总长(l1)为至少10毫米。

13.根据权利要求1或2所述的热式流量测量装置，其特征在于，所述销套(3a、3b)中的每一个销套具有末端段(8a)，所述末端段(8a)具有介质接触端面(13)，并且在所述第一销套(3a)的所述末端段(8a)中布置有加热器，并且在所述第二销套(3b)中的所述末端段(8a)布置有用于确定介质的温度的温度传感器。

14.一种制造根据前述权利要求中的一项所述的热式流量测量装置的方法，其特征在于，所述传感器壳体(1)借助于生产制造方法，或者一次成型方法来生产。

15.一种制造根据权利要求14所述的热式流量测量装置的方法，其特征在于，所述传感器壳体(1)借助于辐射熔融方法或者借助于金属注射模制方法来生产。

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