CN109923378A - 热流量计的传感元件的生产方法、传感元件和流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针(10)的生产方法，所述方法具有以下步骤：将待熔化的材料形式的探针芯(13)引入到第一探针套筒(11)中，该第一探针套筒(11)具有敞开的第一端(21)和远离所述第一端(21)的封闭的第二端(22)；将所述探针芯(13)熔化；将所述探针芯(13)淬冷到低于固化温度的温度；将热电偶(31)附接到已固化的探针芯(13)的接触表面(14)。本发明还涉及根据该生产方法所获得的探针并且涉及包括有根据本发明的探针的流量计。

Description

热流量计的传感元件的生产方法、传感元件和流量计

技术领域

本发明涉及：一种用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针的生产方法、探针和流量计。

背景技术

热流量计已经成为现有技术已经很长时间了；将一个或多个探针引入到流经测量管的介质中，其中探针被构造用以测量介质的温度或用以加热介质。例如，可以将温度测量探针定位在加热探针的下游，使得温度测量探针通过被加热探针加热的介质进行加热。

对于热流量计的高测量精度和对于相同类型的不同流量计之间的低测量精度波动而言重要的是所使用的探针的恒定的制造品质。对于与介质的高质量流量相关的探针的高灵敏度而言重要的是探针与介质的接触表面和加热或温度测量热电偶之间的低热阻。

例如DE102008015359A1的现有技术示出了一种带有探针套筒的探针，该探针套筒具有被嵌入填料材料中的热电偶。

这种解决方案的不利之处在于，就探针和围绕探针的介质之间的热传递而言，填料材料一方面引起一系列不同探针之间的波动，另一方面容易使探针老化，使得随着使用时间的增加，必须重新校准这种探针，以避免测量误差。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种探针，该探针在其生产和长期性能方面具有改进的稳定性。

该目的通过根据权利要求1中的热流量计的探针的生产方法、通过根据权利要求7中的用于热流量计的探针和通过根据权利要求13中的热流量计得以实现。

根据本发明的用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针的生产方法，具有以下步骤：

将待熔化的材料形式的探针芯引入到第一探针套筒中，其中第一探针套筒具有敞开的第一端和远离第一端的封闭的第二端；

将探针芯熔化；

将探针芯淬冷到低于固化温度的温度；

将热电偶附接到已固化的探针芯的接触表面。

在探针芯-探针套筒的接触表面处通过将探针芯熔化并随后淬冷而产生一个连接层，在该连接层中探针芯牢固地连接到探针套筒，这确保了探针具有良好的热传递和在热性质方面的长期的稳定性。

在该方法的一个实施例中，通过加工制备接触区域，用于附接热电偶。

在该方法的一个实施例中，在探针芯淬冷之后，通过部分去除第一探针套筒的筒壁而将探针芯暴露在第一区域中。

在该方法的一个实施例中，在暴露之后，将具有敞开的第三端和敞开的第四端的第二探针套筒通过敞开的第三端以密封的方式结合到、特别是焊接到第一端，其中第二探针套筒完全包裹在第一区域周围。

在该方法的一个实施例中，对子区域中的第一区域进行加工，使得探针芯的子区域与第一或第二探针套筒的所有表面间隔开，其中子区域包括探针芯的所有的第一截面，该第一截面与接触表面相交或接触。

在该方法的一个实施例中，通过焊料层或烧结层将热电偶附接到探针芯的接触表面。

通过根据本发明的方法生产的用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的根据本发明的探针包括：

第一探针套筒，具有敞开的第一端和封闭的第二端；

探针芯，所述探针芯至少部分地填充第一探针套筒；

热电偶，所述热电偶热耦合到探针芯，其中所述热电偶被构造用以增加或检测所述探针芯的温度；

其中生产探针芯包括将待熔化的材料熔化在第一探针套筒中。

在探针的一个实施例中，探针芯具有第一纵向轴线、连接到第一探针套筒的外表面、质心以及相对于质心远离探针芯的第二端面向的接触表面，其中，通过焊料层或烧结层将热电偶附接到接触表面。

在探针的一个实施例中，探针芯包括在轴向方向上从第一探针套筒突出的第一区域，其中第一区域具有接触表面。

在探针的一个实施例中，第一区域被第二探针套筒包围，该第二探针套筒具有敞开的第三端和敞开的第四端，将该第二探针套筒经由第三端以密封的方式结合到、特别是焊接到第一探针套筒的敞开的第一端，其中对子区域中的第一区域进行加工，使得探针芯的子区域与第一或第二探针套筒的所有表面间隔开，其中，第二区域包括探针芯的所有的第一截面，该第一截面与接触表面相交或者包含接触表面。

在探针的一个实施例中，第一探针套筒和/或第二探针套筒是圆柱形的。

在探针的一个实施例中，第一探针套筒包括不锈钢，其中探针芯具有的热导率大于100W/(m*K)，其中探针芯具有来自以下列表的至少一种金属：铜、银、铝、镍、铟、金、锡。在将探针用作加热元件的情况下，探针芯相对于不锈钢的明显更好的热导率在探针和围绕探针流动的介质之间的传热表面处实现了均匀的温度分布。

相反，在将探针用作温度传感器的情况下，实现了探针芯对介质的温度变化的快速温度适应以及在探针芯和热电偶之间的接触表面处的均匀温度分布。

根据本发明的用于测量介质的质量流量的热流量计包括：

具有第二纵向轴线的测量管；

被嵌入到测量管中的至少一个根据本发明的探针；

被配置用以操作所述至少一个探针的电子操作电路。

在探针的一个实施例中，热流量计包括至少两个探针，其中电子操作电路被配置用以加热至少一个第一探针，其中电子操作电路被配置用以通过至少一个第二探针来确定介质的温度。

附图说明

现在将参考示例性的实施例来描述本发明。

图1示出了用于制造根据本发明的探针的示意性工艺。

图2a)至图2d)示出了生产根据本发明的探针的步骤。

图3示出了图2d)中所示的制造阶段的放大并失真的视图。

图4示出了根据本发明的探针的实施例。

图5示出了具有两个根据本发明的探针的热流量计的示意性前视图。

具体实施方式

图1显示了用于生产根据本发明的探针10的方法顺序100的实施例。

在第一步骤101中，将待熔化的材料形式的探针芯13引入到第一探针套筒11中，其中待熔化的材料具有铜或银，并且其中第一探针套筒11由不锈钢制成。

在第二步骤102中，将探针芯13熔化，使得探针芯13的液体材料收集在第一探针套筒11的封闭的第二端22的区域中。在探针芯13是流体时，在探针芯13和第一探针套筒11之间的交界面处形成了一个金属间连接层，在该金属间连接层中，探针芯13的材料和第一探针套筒11的材料混合。

在第三步骤103中，将探针芯13淬冷到低于其固化温度的温度。由于金属间连接层的形成，探针芯13和第一探针套筒11之间的接触在探针芯固化后保持。

在第四步骤104中，通过部分地移除第一探针套筒11的筒壁而使探针芯13暴露在第一区域中。

在第五步骤105中，通过加工、特别是平滑和对准处理来制备用于附接热电偶31的接触表面14，这能够例如通过钻孔或铣削来实现。

在第六步骤106中，通过焊料层或烧结层将热电偶附接到接触表面。

在第七步骤107中，将具有敞开的第三端23和敞开的第四端24的第二探针套筒12通过敞开的第三端以密封的方式附接到、特别是焊接到第一端21，其中第二探针套筒12完全包裹在第一区域周围。

有利地是，在子区域中对第一区域进行加工，使得探针芯的子区域16与第一探针套筒11和/或第二探针套筒12的所有表面间隔开，其中子区域16包括探针芯的所有的第一截面，该第一截面与接触表面14相交或接触。

图2示出了根据本发明的探针10在各个制造阶段中的截面。

图2a)示出了探针10在第一探针套筒11具有处于流体或已固化状态的探针芯13这一阶段中的截面。

图2b)示出了探针在探针芯暴露在第一区域中这一阶段中的截面，其中探针芯的暴露允许相对于第一纵向轴线15径向地接近探针芯13。

图2c)示出了探针在探针芯13暴露在所述区域中之后将热电偶31附接到探针芯13的接触表面14这一阶段中的截面。

图2d)示出了带有第二探针套筒12的成品探针10的截面，第二探针套筒12经由第三端23附接到、特别是焊接到第一探针套筒11的第一端21。

图3示出了图2d)中所示的成品探针10的截面的放大视图，其中该图是水平失真的，以便能够看见微小的细节。热电偶31经由焊料层或烧结层32附接到探针芯13的接触表面14。探针芯13通过支撑件33被支撑在与接触表面14相反的一侧上，其中支撑件33是第一探针套筒11的延伸。也能够设想没有支撑件33的探针10的实施例。探针芯13由此被构造在子区域16中，使得探针芯13与第二探针套筒12的所有表面间隔开。如果探针不包括支撑件33，则子区域16中的探针芯13与第一探针套筒11和第二探针套筒12的所有表面间隔开。探针芯在子区域中与第二探针套筒或者与第一探针套筒和第二探针套筒的间隔确保了探针芯中的温度均匀分布。当将探针10用作加热元件时，这确保了在虚线区域中将热均匀地传递到介质。相反，当将探针用作温度传感器时，确保了热电偶31被均匀暴露于介质的温度。

图4a)至图4d)示出了根据本发明的探针的若干实施例的示意性截面，其中，为了清楚起见，已经去掉了第二探针套筒。图4a)示出了图2a)至图2d)和图3中所示的实施例，其中具有支撑件33。图4b)示出了图4a)中所示的实施例，其中没有支撑件。图4c)示出了接触表面14相对于第一纵向轴线15倾斜的实施例。图4d)示出了接触表面14垂直于纵向轴线15的实施例。图4b)和图4c)中所示的实施例也可以具有根据图4a)中所示的实施例的支撑件。图4a)至图4c)中所示的实施例使得能够为预定的热电偶31生产薄探针。

图5示出了根据本发明的热流量计40的示意性前视图，热流量计具有测量管42、被布置在测量管42的管腔中的两个根据本发明的探针10，以及具有电子操作电路的壳体41，该电子操作电路被配置用以操作探针10。

为了测量流经测量管40的介质的质量流量，将流经测量管40的介质中的探针10.1例如以相对于介质温度的温度差保持恒定的方式进行加热。利用第二探针10.2来测量介质的温度是合适的，该第二探针被布置在加热探针10.1的上游，或者如图2中所示，被布置成与加热探针10.1相邻，以便保持温度差。假设诸如密度或组分的介质特性是一致的，则能够通过维持温度所需的加热电流来确定介质的质量流量。

也可以在流动方向上一个接一个地连续布置探针10，其中第一上游探针加热流过的介质，并且与介质一起加热位于下游的第二探针。在这种情况下，第一探针的用于维持温度差所需的加热线取决于介质的流量。

附图标记列表

10 探针

10.1 第一探针

10.2 第二探针

11 第一探针套筒

12 第二探针套筒

13 探针芯

14 接触表面

15 第一纵向轴线

16 子区域

17 质心

21 第一端

22 第二端

23 第三端

24 第四端

31 热电偶

32 焊料层/烧结层

33 支撑件

34 间隔

40 流量计

41 壳体

42 测量管

100 用于生产根据本发明的探针的方法

101 将待熔化的材料形式的探针芯引入到第一探针套筒中

102 将探针芯熔化

103 将探针芯淬冷到低于固化温度

104 将探针芯暴露在第一区域中

105 制备用于附接热电偶的接触表面

106 通过焊料层或烧结层将热电偶附接到接触表面

107 将第二探针套筒附接到第一探针套筒

Claims (14)

1.一种用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针(10)的生产方法，其中所述方法具有以下步骤：

将待熔化的材料形式的探针芯(13)引入到第一探针套筒(11)中，其中所述第一探针套筒(11)具有敞开的第一端(21)和远离所述第一端(21)的封闭的第二端(22)；

将所述探针芯(13)熔化；

将所述探针芯(13)淬冷到低于固化温度的温度；

将热电偶(31)附接到已固化的所述探针芯(13)的接触表面(14)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过加工制备所述接触表面(14)，用于附接所述热电偶(31)。

3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，在将所述探针芯(13)淬冷之后，通过部分去除所述第一探针套筒(11)的筒壁，使所述探针芯(13)暴露在第一区域中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，在暴露之后，将具有敞开的第三端(23)和敞开的第四端(24)的第二探针套筒(12)通过所述敞开的第三端以密封的方式附接到、特别是焊接到所述第一端(21)，其中所述第二探针套筒(12)完全包裹在所述第一区域周围。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，对子区域(16)中的所述第一区域进行加工，使得所述探针芯(13)的所述子区域(16)与所述第一探针套筒(11)和/或所述第二探针套筒(12)的所有表面间隔开，其中所述子区域(16)包括所述探针芯(13)的所有的第一截面，所述第一截面与所述接触表面(14)相交或接触。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，通过焊料层或烧结层(32)将所述热电偶(31)附接到所述探针芯(13)的所述接触表面(14)。

7.一种通过根据前述权利要求中的一项所述的根据本发明的方法生产的用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针(10)，包括：

第一探针套筒(11)，所述第一探针套筒(11)具有敞开的第一端(21)和封闭的第二端(22)；

探针芯(13)，所述探针芯(13)至少部分地填充所述第一探针套筒(11)；

热电偶(31)，所述热电偶(31)热耦合到所述探针芯(13)，其中所述热电偶(31)被构造用以增加或检测所述探针芯(13)的温度；

其特征在于，生产所述探针芯(13)包括在所述第一探针套筒(11)中将待熔化的材料熔化。

8.根据权利要求7所述的探针(10)，其中所述探针芯(13)具有第一纵向轴线、连接到所述第一探针套筒(11)的外表面、质心以及相对于所述质心远离所述探针芯(13)的所述第二端(22)面向的接触表面(14)，其中通过层焊料或烧结层(32)将所述热电偶(31)附接到所述接触表面(14)。

9.根据权利要求7或8所述的探针(10)，其中所述探针芯(13)包括在轴向方向上从所述第一探针套筒(11)突出的第一区域，其中所述第一区域具有所述接触表面(14)。

10.根据权利要求9所述的探针(10)，其中所述第一区域被第二探针套筒(12)包围，所述第二探针套筒具有敞开的第三端(23)和敞开的第四端(24)，所述第二探针套筒(12)经由所述第三端(23)以密封的方式连接到、特别是焊接到所述第一探针套筒(11)的所述敞开的第一端，其中对子区域中的所述第一区域进行加工，使得所述探针芯(13)的所述子区域(16)与所述第一探针套筒(11)和/或所述第二探针套筒(12)的所有表面间隔开，其中所述子区域包括所述探针芯(13)的所有的第一截面，所述第一截面与所述接触表面(14)相交或者包含所述接触表面(14)。

11.根据权利要求8至10中的一项所述的探针(10)，其中所述第一探针套筒(11)和/或所述第二探针套筒(12)具有圆柱形的、特别是旋转对称的设计。

12.根据权利要求8至11中的一项所述的探针(10)，其中所述第一探针套筒(11)包括不锈钢，并且其中所述探针芯(13)具有的热导率大于100W/(m*K)，其中所述探针芯具有来自以下列表的至少一种金属：铜、银、铝、镍、铟、金、锡。

13.一种用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计，所述热流量计具有至少一个根据本发明的、特别是根据前述权利要求7至12中的一项所述的探针(10)，其中所述热流量计包括：

具有第二纵向轴线的测量管；其中允许所述至少一个探针(10)进入所述测量管中；

被构造用以操作所述至少一个探针(10)的电子操作电路。

14.根据权利要求13所述的流量计，其中所述热流量计包括至少两个探针(10)，其中所述电子操作电路被配置用以加热至少一个第一探针(10.1)，其中所述电子操作电路被配置用以通过至少一个第二探针(10.2)来确定所述介质的温度。