CN114761762A - 测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量的设备(1)，该设备包括至少一个传感器元件(5)和单元(8)，该单元至少部分地包括具有各向异性热导率的材料。根据本发明，单元(8)被摩擦连接到所述传感器元件(5)，并且具体地，单元(8)被摩擦紧固在所述传感器元件(5)的表面上。

Description

测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定和/或监测介质的过程变量的设备。介质优选地位于容器中，例如位于罐或管中。

背景技术

这种现场设备用于监测和/或确定介质的至少一个过程变量，例如化学或物理过程变量。在本申请的框架内，在过程附近使用并供应或处理过程相关信息的所有测量设备原则上称为现场设备，因此包括远程I/O、无线适配器和位于现场水平的一般电子组件。Endress+Hauser集团的公司生产和销售大量此类现场设备。

现场设备通常包括：至少一个传感器单元，所述传感器单元至少部分地并且至少暂时地与过程接触；以及电子单元，所述电子单元例如用于检测、评估和/或供应信号。相应现场设备的至少电子单元通常布置在壳体中，所述壳体具有用于将至少一条连接电缆引入现场设备的壳体入口。

现场设备的示例是料位测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、pH和/或pH氧化还原电位测量设备，或者甚至电导率测量设备，它们分别用于检测料位、流量、压力、温度、pH、氧化还原电位或电导率的对应过程变量。从现有技术中充分了解各自的基本测量原理并且此时未被单独列出。具体来说，流量测量设备是科里奥利、超声波、涡流、热和/或磁感应流量测量设备。料位测量设备又特别是微波、超声波、时域反射(TDR)、辐射、电容、导电和/或振动料位测量设备。另一方面，压力测量设备例如是所谓的绝对压力、相对压力或压差设备。

然而，在不限制一般性的情况下，以下描述集中于温度计形式的现场设备。以下考虑可分别转移到其它现场设备，尤其用于确定介质通过管道的流量和/或流速的热流量测量设备，所述热流量测量设备同样包括至少一个传感器单元，所述传感器单元具有例如呈温度传感器形式的温度敏感传感器元件。

温度计在现有技术的各种实施例中是已知的，并且它们的基本测量原理也已进行详细描述。有温度计使用具有已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀来测量温度，或者也有其它温度计通过使用例如电阻元件或热电偶使材料的电导率与温度相关。另一方面，辐射温度计，特别是高温计使用物质的热辐射来确定物质温度。

在呈所谓的“薄膜传感器”，特别是电阻温度检测器(RTD)形式的温度传感器的情况下，例如使用配备有连接导线并安装在载体基板上的传感器元件，其中载体基板的背面通常具有金属涂层。将例如呈铂元件形式的所谓的“电阻元件”用作传感器元件，除其它之外这些电阻元件也可以在市面上以PT10、PT100和PT1000的名称买到。

通常通过焊接过程，尤其通过SMD焊接将电阻元件引入传感器头(例如传感器尖端)内，并且尤其引入到例如由不锈钢构成的套筒的内底板上。已例如从公开DE102006048448A1或DE102015112199A1中已知用于生产用于温度计的此种焊接连接的方法。焊接连接的产生有利地与所讨论的温度计的高度的机械稳定性相关联。然而，原则上，焊接连接对温度计的热特性，特别是对电阻元件与传感器头之间的热耦合也具有很大的影响。

这尤其与相应焊点的等级或质量有关，也与焊点的再现性有关。例如，应确保每个焊点始终使用相同数量的焊料。关于等级或质量，焊料在相应表面上的润湿尤其起重要作用。此外，焊料连接的稳定性和焊料在两个组件之间的几何分布至关重要。应注意，此列表绝不是详尽的。相反，通过示例的方式提到可能对温度计的热特性产生负面影响的一些可能方面。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有高度的机械稳定性的设备。

此目的通过用于确定和/或监测介质的至少一个过程变量的设备实现，所述设备包括至少一个传感器元件和单元，所述单元至少部分地包括具有各向异性热导率的材料。根据本发明，所述单元被摩擦连接到传感器元件，并且具体地，所述单元被摩擦紧固在传感器元件的表面上。

例如，已结合设备从DE102017100267A1中已知包括各向异性热导率材料的单元的使用，单个传感器头中的两个传感器元件通过所述设备始终保持热平衡。在DE102017116408A1中寻求与热流量测量设备相关的类似概念。关于所述单元完整地参考这两个申请。然而，在本发明的框架内，同时使用此单元以确保设备的良好机械稳定性，尤其同时具有良好的热特性。包括具有各向异性热导率的材料的单元用于传感器元件的摩擦连接并且此外确保热量的均匀分布，尤其是热平衡的存在。有利地，通过根据本发明的解决方案，还降低例如从在每种情况下使用的不同材料的不同热膨胀系数产生的热诱发的机械应力。

在本发明的一个实施例中，传感器元件是温度传感器。在这种情况下，设备例如是根据热测量原理操作的温度计或流量测量设备。

然而，根据本发明的设备还可以具有多于一个传感器元件。在这种情况下，至少两个传感器元件优选地被摩擦连接到单个单元，所述单元包括具有各向异性热导率的材料。在这种情况下，至少两个传感器元件有利地总是处于热平衡。有利地，尤其当至少两个传感器单元例如由于设计限制而无法直接一起布置在设备内时，这也可以得到确保。

不言而喻，不仅多个传感器元件，而且至少一个传感器元件和至少另一个组件可以通过单个单元被摩擦连接。例如，除了传感器元件之外，尤其用于传感器元件的原位校准的加热/冷却元件和/或参考元件也可以被摩擦紧固在相同单元上。

所述单元特别被设计成细长元件的形式，其中元件的厚度相对于元件的长度和/或宽度较小。因此，在根据本发明的设备的一个实施例中，所述单元是薄膜，所述膜至少部分地由具有各向异性热导率的材料组成。以这种方式设计的单元可以通过特别节省空间的方式被引入到现场设备的传感器单元中。

在设备的一个实施例中，具有各向异性热导率的材料是至少部分含碳的材料，尤其是石墨或六方氮化硼。优选地，所述单元优选地沿着其纵轴具有比垂直于纵轴更高的热导率。

在本发明的另一个实施例中，在单元中制造至少一个孔。单元可以通过孔被摩擦连接到至少一个传感器元件。

另一实施例规定，单元至少在可以产生与传感器元件的摩擦连接的第一子区域中具有第一直径，所述第一直径小于单元在与第一子区域不同的第二子区域中的第二直径。特别地，第一直径小于其余区域中的传感器元件的直径。

在一个实施例中，设备包括用于产生摩擦连接的紧固装置。

在这方面，如果紧固装置包括螺钉、铆钉或夹具，则这是有利的。例如，在具有孔的单元的情况下，紧固装置可以用于通过孔将单元紧固到传感器元件。类似地，在截面直径减小的单元的情况下，可设想例如通过适当设计的夹具进行围绕单元的紧固。

在替代实施例中，紧固装置包括焊料，尤其是由焊料组成。除了单元与传感器元件的常规焊接连接之外，还可设想焊料在具有孔的单元的情况下延伸穿过孔并且达到与铆钉相当的效果，或者焊料在截面直径减小的单元的情况下用作夹具。当传感器元件和/或单元具有相对低的润湿性，使得传统的焊料连接无法产生可靠的摩擦连接时，此类实施例特别有利。在这种情况下，与基于在要在每种情况下连接的组件之间形成粘合力的传统的粘合连接相比，这些考虑也类似地适用于根据本发明的紧固。

在设备的一个实施例中，所述单元被设计成膜的形式、尤其是薄的柔性膜的形式，其中所述单元在第一端部区域中被紧固到传感器元件。

在此框架内，如果膜被以某种方式布置和/或设计，使得从被紧固到传感器元件的第一端部区域开始，所述膜围绕传感器元件，尤其被缠绕在传感器元件的周围，则这是有利的。在这种情况下，所述膜用于借助于在平行于膜的方向上流动的热量在围绕传感器元件的体积中产生热平衡。当将传感器元件与单元一起引入到传感器壳体，特别是传感器头中时，单元的恢复力由单元缠绕在传感器元件的周围引起，所述恢复力导致壳体或传感器头内部的稳定定位。这种传感器壳体尤其可以是温度计的保护管。

如果单元在第二端部区域中，尤其是在传感器元件所布置的传感器壳体中被摩擦紧固到设备的另一组件，或被摩擦紧固到传感器元件所布置的载体元件，则这是进一步有利的。例如，传感器壳体可以是传感器头。在温度计的情况下，传感器壳体可以是保护管。在载体元件的情况下，所述传感器壳体尤其可以是扁平元件，至少传感器元件被布置在所述扁平元件上并且传感器元件可以通过所述扁平元件被紧固到容纳介质的容器。

单元用于将传感器元件机械地紧固到另一组件，并且确保过程中的最佳(尤其均匀)热量分布两者。因此，可以确保传感器元件与另外的组件之间的摩擦连接，所述摩擦连接易于实现并且不会对热特性造成任何不利影响。另外，通过使用用于产生摩擦连接的单元，可以最小化或甚至消除传感器元件上的机械应力和力。

在替代实施例中，所述单元被设计成膜的形式、尤其是薄的柔性膜的形式，其中所述单元在中心区域中被紧固到传感器元件。

在此框架内，如果从被紧固到传感器元件的中心区域开始，膜至少部分地围绕传感器元件被布置在传感器元件的两个相互相对的侧面上，则这同样有利。类似于在单元的端部区域中的紧固，这可以通过这种方式实现，使得单元在围绕传感器元件的体积中实现均匀热分布。特别地，传感器元件、单元和设备的至少另一组件的热平衡可以通过所述单元实现。

总之，本发明可以降低现场设备内的热接触电阻，同时可以确保高度的机械稳定性。特别地，可以避免由于不同材料的不同热膨胀系数而以其它方式出现的机械应力。

附图说明

基于以下附图更详细地解释本发明。附图示出：

图1：被布置在传感器头中的根据现有技术的具有呈温度传感器形式的传感器元件的温度计的示意性图，

图2：根据本发明的设备的两个实施例，所述设备具有(a)被紧固在端部区域中的单元以及(b)在中心区域中被紧固在传感器元件上的单元；

图3：用于借助于焊料产生摩擦连接的优选实施例；以及

图4：根据本发明的设备的实施例，所述设备具有被紧固到传感器元件和传感器壳体的单元。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的具有浸渍体或保护管2、测量插入件3和电子单元4的温度计1的示意图。测量插入件3被引入到浸渍体2中并且包括传感器元件5，在当前情况下，所述传感器元件是呈电阻元件形式的温度传感器，所述温度传感器电接触并且通过连接线6被连接到电子单元4。然而，传感器元件5不一定必须是测量插入件3的一部分。在其它实施例中，电子单元4也可以与测量插入件3和浸渍体2分开布置。另外，传感器元件5不一定是电阻元件，使用的连接线6的数目也不一定是二。实际上，根据所使用的测量原理，可以使用不同数目的连接线6。

传感器元件5通过在测量插入件2的内部体积中的焊料连接被摩擦紧固到测量插入件2的面向介质M的底表面B。如已经在介绍中解释，这种连接是与高制造要求相关。焊接连接的质量和再现性在很大程度上影响设备1的热特性。

根据本发明，为了同时提供高度的机械稳定性和良好的热特性，包括具有各向异性热导率的材料的单元8被摩擦连接到传感器元件3，如图2中针对根据本发明的设备的两个示例性实施例所说明。在两个实施例中以及对于下文所示的实施例，单元8在每种情况下都以具有各向异性热导率的材料(例如石墨)的薄膜形式加以生产，而不限制一般性。

对于根据图2a的实施例，图2a中的单元8在端部区域E1中被紧固到传感器元件5并且被缠绕在传感器元件5的周围。然而，在图2b中所示的实施例中，单元8在中心区域MB中被紧固到传感器元件5并且在两个相互相对的侧面上围绕传感器元件5。在两种情况下，单元8至少部分地布置在传感器元件5周围并且至少部分地围绕传感器元件5。以此方式，可以确保从介质M到传感器元件5的快速热传递以及因此保护管2内的均匀热分布；特别地，保护管2的面向介质M的区域、单元8和传感器元件5处于热平衡。

为了产生单元8与传感器元件5之间的摩擦连接，可以使用紧固装置10、11，如通过图3中的示例所说明。

对于图3a到3c中所示的实施例，单元8具有孔9，在当前情况下，所述孔例如布置在端部区域E1中。可以通过所述孔产生摩擦连接。如图3b中针对焊料10的情况以及图3c中针对铆钉的情况所示，紧固装置10、11可以用于产生连接。在这种情况下，焊料10用作铆钉11。或者，还设想单元8的在第一子区域T1中的第一直径d1小于单元在第二子区域T2中的第二直径d2。在这种情况下，紧固装置10、11可以被设计成例如夹具[未示出]的形式，所述夹具在第一子区域T1中夹在单元8周围。直径d1和d2在两个子区域T1和T2中可以是恒定的，或者至少在截面中也可以是可变的。

还可设想将多个相同或不同传感器元件5，或还将至少一个传感器元件5和至少另一组件，例如用于至少一个传感器元件5的原位校准的加热/冷却元件和/或参考元件布置在单元8的不同区域中。还应注意，传感器元件5和单元8不一定不得不被布置在浸渍体2中。例如，还可设想单元8和至少一个传感器元件5布置在载体元件[此处未示出]上。在此情况下，还可设想单元8和至少一个传感器元件5被摩擦连接到单元8和载体元件。

稳定、保护和/或进一步热绝缘的一种可能性可以包括在相应连接点处分别使用的紧固装置的护套。例如，护套可以是弹性涂层、灌封或粘合剂。

图4中示出另一实施例。在此实施例中，单元8还被设计成薄膜形式。所述单元在第一端部区域E1中被摩擦连接到传感器元件5并且在第二端部区域E2中被摩擦连接到保护管2的底表面，传感器元件5布置在所述保护管中。或者，所述单元还可以被连接到保护管2的侧壁或设备1的另一组件。

参考符号列表

1 温度计

2 保护管

3 测量插入件

4 电子单元

5 传感器元件

6 连接线

7 根据现有技术的焊料连接

8 具有各向异性热导率材料的单元

9 孔

10 焊料

11 铆钉

B 保护管的底表面

d1,d2 单元的直径

T1,T2 单元的子区域

E1,E2 单元的端部区域

MB 单元的中心区域

M 介质

T 温度

Claims (14)

1.一种用于确定和/或监测介质(M)的至少一个过程变量的设备(1)，所述设备包括至少

传感器元件(5)和单元(8)，所述单元至少部分地包括具有各向异性热导率的材料，

其特征在于

所述单元(8)被摩擦连接到所述传感器元件(5)，具体地，其中所述单元(8)被摩擦紧固在所述传感器元件(5)的表面上。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，

其中所述传感器元件(5)是温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，

其中所述单元(8)是薄膜，所述膜至少部分地由具有各向异性热导率的材料组成。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中具有各向异性热导率的材料是至少部分含碳的材料，尤其是石墨或六方氮化硼。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中在所述单元(8)中制造至少一个孔(9)。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中所述单元(8)至少在能够产生至所述传感器元件(5)的摩擦连接的第一子区域(T1)中具有第一直径(d1)，所述第一直径小于所述单元(8)在第二子区域(T2)中的第二直径(d2)。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

包括用于产生所述摩擦连接的紧固装置(10、11)。

8.根据权利要求7所述的设备(1)，

其中所述紧固装置(10、11)包括螺钉、铆钉(11)或夹具。

9.根据权利要求7所述的设备(1)，

其中所述紧固装置(10、11)包括焊料(10)，尤其是由焊料(10)组成。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的设备(1)，

其中所述单元(8)被设计成膜的形式、尤其是薄的柔性膜的形式，并且其中所述单元(8)在第一端部区域(E1)中被紧固到所述传感器元件(5)。

11.根据权利要求10所述的设备(1)，

其中所述膜(8)被布置和/或被设计为，使得从被紧固到所述传感器元件(5)的第一端部区域(E1)开始，所述膜围绕所述传感器元件(5)，尤其被缠绕在所述传感器元件(5)的周围。

12.根据权利要求10所述的设备(1)，

其中所述单元(8)在第二端部区域(E1)中被摩擦紧固到所述设备(1)的另一组件(2)，尤其是被摩擦紧固到所述传感器元件(5)被布置的传感器壳体(2)，或被摩擦紧固到所述传感器元件(5)被布置的载体元件。

13.根据权利要求1至9中至少一项所述的设备(1)，

其中所述单元(8)被设计成膜的形式、尤其是薄的柔性膜的形式，并且其中所述单元(8)在中心区域(MB)中被紧固到所述传感器元件(5)。

14.根据权利要求13所述的设备(1)，

其中从被紧固到所述传感器元件(5)的所述中心区域(MB)开始，所述膜(8)至少部分地围绕所述传感器元件(5)被布置在所述传感器元件(5)的两个相互相对的侧面上。

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