DE10051534A1 - Sensor system, has homogeneous, dumbbell-shaped sensor body with end connections with key parts and surfaces on intermediate part for sensor elements that do not penetrate inner bore wall - Google Patents

Sensor system, has homogeneous, dumbbell-shaped sensor body with end connections with key parts and surfaces on intermediate part for sensor elements that do not penetrate inner bore wall

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Abstract

The system has a sensor body for insertion into a pipeline with an inner bore and outer sensor elements for detecting the flow state of a medium. The homogeneous, dumbbell-shaped sensor body has process connections on its end with key parts and at least two surfaces on an intermediate part on which the sensor elements are mounted so as not to penetrate the wall of the inner bore. Independent claims are also included for the following: a method of manufacturing a sensor system.

Description

Das Sensorsystem basiert auf einem rohrförmig ausgebildeten in ein Leitungssystem einfügbaren Sensorkörper, der zusammen mit auf dem Sensorkörper außenwandig aufgebrachten Sensorelementen, einen Strömungszustand erfaßt, der das Innenrohr durchströmt.The sensor system is based on a tubular system insertable sensor body, which together with on the outside of the sensor body applied sensor elements, a flow state detected, the inner tube flows through.

Sensorsysteme der eingangs genannten Art werden in zahlreichen Anwendungen zur Überwachung von Flüssigkeitsströmungen eingesetzt. In der DE 40 17 877 A1 ist ein solcher Sensor beschrieben. Auf einem dünnwandigen Rohr sind außenwandig Temperaturmeßelemente wärmeleitend aufgebracht, wobei ein Meßelement zusätzlich beheizt ist. Die damit auch aufgeheizte Innenwandung des Rohres überträgt die Wärme auf das dieses Rohr durchströmende Medium. Dies führt an den Meßelementen in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit zu einer Temperaturdifferenz, die für Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet wird. Dieses dünnwandige Meßrohr ist über Dichtungen mit Prozeßanschlüssen verbunden, an die äußere Rohrsysteme angeschlossen werden können. Um eine Krafteinwirkung auf das dünnwandige Innenrohr zu verhindern, sind beide Prozeßanschlüsse mit einem Außenkörper verbunden, der das innere Meßrohr umschließt. Ein wesentlicher Nachteil dieses Systems besteht darin, daß es aus mindestens vier Einzelteilen besteht, die einzeln gefertigt werden und entsprechend hohe Kosten verursachen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß unterschiedliche Medien auch unterschiedliche Dichtungen erfordern, wodurch sich eine aufwendige Lagerhaltung ergibt. Auch ist die Druckfestigkeit solcher Systeme durch das erforderliche dünnwandige Rohr begrenzt.Sensor systems of the type mentioned are used in numerous applications used to monitor liquid flows. DE 40 17 877 A1 described such a sensor. On a thin-walled tube are outside walls Temperature measuring elements applied in a heat-conducting manner, one measuring element is additionally heated. The inner wall of the pipe, which is also heated transfers the heat to the medium flowing through this pipe. This leads the measuring elements as a function of the flow velocity Temperature difference used for determining the flow rate becomes. This thin-walled measuring tube is over seals with process connections connected to which external pipe systems can be connected. To one Both are to prevent the application of force on the thin-walled inner tube Process connections connected to an outer body, the inner measuring tube encloses. A major disadvantage of this system is that it is made up of there are at least four individual parts that are manufactured individually and accordingly cause high costs. Another disadvantage is that different Media also require different seals, which is a complex Warehousing results. The compressive strength of such systems is also due to the required thin-walled tube limited.

Derzeit bekannte Systeme, weisen ein oder mehrere der oben genannten Konstruktionsmerkmale und die damit verbundenen Nachteile auf.Currently known systems have one or more of the above Design features and the associated disadvantages.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sensorsystem und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet, bei dem der Sensorkörper einteilig und vorzugsweise in einem Arbeitsgang automatisch gefertigt wird, wobei auf der Außenwandung des Sensorkörpers der von dem zu erfassenden Medium innenwandig durchströmt ist, die die Strömung erfassenden Meßelemente aufgebracht sind, die die Wandung des Sensorkörpers nicht durchbrechen und wo ein Gehäuse den Sensorkörper umfaßt, das gleichzeitig die Verdrehung des Sensorkörpers gegenüber dem Gehäuse unterbindet.The object of the invention is a sensor system and a method for its Specify production that avoids the disadvantages indicated above, in which the Sensor body in one piece and preferably automatically manufactured in one operation being, on the outer wall of the sensor body that of the to be detected Medium flows through the inner wall, the measuring elements detecting the flow are applied, which do not break through the wall of the sensor body and where a housing comprises the sensor body, which simultaneously rotates the Sensor body prevents against the housing.

Die in Anspruch 1 und 11 aufgezeigten Merkmale führen zur Lösung der gestellten Aufgabe. Die nachgeordneten Ansprüche führen die Erfindung weiterbildend aus.The features indicated in claims 1 and 11 lead to the solution of the posed Task. The subordinate claims further develop the invention.

Von besonderer Bedeutung ist die einteilige, hantelförmige Ausbildung des Sensorkörpers, der aus einem homogenen Werkstoff besteht, der keine Durchbrüche für Sensorelemente enthält und der auch keine die Homogenität störenden Schweißverbindungen oder dichtend zusammengefügte Teile aufweist. Durch diese Ausbildung ist eine optimale Korrosionsbeständigkeit gewährleistet. Es daher auch möglich, den Sensorkörper aus Werkstoffen zu fertigen, die nur schwer schweißbar sind, die aus Kunststoff bestehen, oder die aus mineralischen Werkstoffen, insbesondere auch Keramiken gefertigt sind. Eine hohe mechanische Festigkeit wird dadurch erreicht, daß, sofern erforderlich, die Wandungsstärke des Innenteils des Sensorkörpers, der Zwischenteil, vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist und nur an den Stellen reduziert ist, an denen die Sensorelemente angebracht sind. Diese Stellen sind vorzugsweise als Flächen ausgebildet, an denen thermische, optische, akustische oder elektromagnetische Sensoren aufgebracht sind. Werden Mikrowellensensoren verwendet, so besteht der Sensorkörper vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik. Optische Sensoren erfordern einen optisch durchlässigen Sensorkörper, während thermische und akustische Verfahren sehr gut mit metallischen Sensorkörpern arbeiten. The one-piece, dumbbell-shaped design of the Sensor body, which consists of a homogeneous material that has no breakthroughs for sensor elements and which does not interfere with homogeneity Has welded connections or sealed parts. Through this Training ensures optimal corrosion resistance. Hence it too possible to manufacture the sensor body from materials that are difficult to weld are made of plastic or made of mineral materials, in particular, ceramics are also made. A high mechanical strength is achieved in that, if necessary, the wall thickness of the inner part of the Sensor body, the intermediate part, preferably tubular and is only on the places where the sensor elements are attached is reduced. This Locations are preferably designed as surfaces on which thermal, optical, acoustic or electromagnetic sensors are applied. Become Microwave sensors used, the sensor body is preferably made of Plastic or ceramic. Optical sensors require an optically transparent Sensor body while using thermal and acoustic methods very well metallic sensor bodies work.  

Für jedes verwendete physikalische Prinzip wird ein gleichartiger Verfahrensablauf angewendet, wobei lediglich die Besonderheit der einzelnen Sensoren berücksichtigt werden.For each physical principle used, there is a similar procedure applied, taking into account only the peculiarity of the individual sensors become.

Eine Besonderheit der Konstruktion besteht darin, daß die Prozeßanschlüsse einen Schlüsselteil aufweisen, der partiell von einem vorzugsweise zweiteiligen Gehäuse umfaßt ist, das den Innenbereich des Sensorkörpers gegen Umwelteinflüsse schützt und auch eine auswertende Elektronik aufnehmen kann. Durch diese Umfassung des Schlüsselteils, ist es nicht mehr möglich, daß sich der Innenbereich des Sensorkörpers relativ zum Gehäuse drehen kann. Diese Art der Verdrehsicherung ist nicht auf eine Geometrie eines Schlüsselteils festgelegt. Sie kann auch durch Kleben, asymmetrischen Querschnitt dieses Teils oder Verstiftung erzeugt werden. Der Verfahrensablauf zur Herstellung des Sensorkörpers kann auch in der Weise gestaltet sein, daß ein Sensor-Grundkörper für unterschiedliche sensorische Anwendungen hergestellt ist. Die für die speziellen sensorischen Elemente erforderlichen mechanischen Modifikationen des Zwischenteils des Sensorkörpers, werden dann als letzter mechanischer Verfahrensschritt durchgeführt, wenn bekannt ist, welcher Sensortyp eingesetzt werden muß. Dieses Vorgehen ermöglicht eine äußerst preisgünstige Fertigung des Sensor-Grundkörpers. Durch die in dem Sensorkörper integrierten Schlüsselteile, die vorzugsweise als zwei- oder sechskant ausgebildet sind, ist eine fluchtende, wiederholte Einspannung, z. B. in einer Fräsmaschine möglich, so daß sehr präzise und laufgenaue Flächen auf dem rohrförmigen Innenteil des Sensorkörpers aufgebracht werden können. Eine Besonderheit dieser Konstruktion beim Einsatz akustischer Wandler ergibt sich dadurch, daß je ein akustischer Wandler in der Nähe der beiden gegenüberliegenden Schlüsselteile angebracht ist. Die Schlüsselteile haben eine auf die Längeneinheit bezogene Masse, die größer ist als diejenige des Zwischenteils. Der Abstand zu einem Schlüsselteil wird so gewählt, daß er vielfachen eines Viertels der akustischen Wellenlänge des Wandlers entspricht, die sich in Längsrichtung der inneren Rohrwandung ausbildet. A special feature of the design is that the process connections unite Have key part, the partial of a preferably two-part housing is included, which protects the inner region of the sensor body against environmental influences and can also accommodate evaluating electronics. Through this embrace of the key part, it is no longer possible that the interior of the Sensor body can rotate relative to the housing. This type of anti-rotation is not limited to a geometry of a key part. You can also by Gluing, asymmetrical cross section of this part or pinning are generated. The process sequence for producing the sensor body can also be done in this way be designed that a sensor body for different sensory Applications. The for the special sensory elements required mechanical modifications of the intermediate part of the sensor body, are then carried out as the last mechanical process step, if known is what type of sensor to use. This procedure enables one extremely inexpensive manufacture of the sensor body. By in the Sensor body integrated key parts, preferably as a hexagon or hexagon are formed is an aligned, repeated clamping, z. B. in one Milling machine possible, so that very precise and accurate surfaces on the tubular inner part of the sensor body can be applied. A The special feature of this construction when using acoustic transducers is evident in that an acoustic transducer in the vicinity of the two opposite Key parts is attached. The key parts have a unit of length related mass, which is larger than that of the intermediate part. The distance too a key part is chosen so that it multiples a quarter of the corresponds to the acoustic wavelength of the transducer, which is in the longitudinal direction of the inner tube wall.  

Gleichzeitig wird die Entfernung des Innenabstandes der Schlüsselteile voneinander so bestimmt, daß sich bei Reflexion des akustischen Signales an einem Schlüsselteil am Ort der akustischen Wandler gerade ein minimales Signal ergibt. Damit sind akustische Störungen, die sich durch den Sensorkörper selbst ergeben, auf ein Minimum reduziert, so daß Schalleffekte innerhalb des strömenden Mediums die Störsignale überwiegen. Ähnliche Gesichtspunkte gelten auch, wenn Mikrowellensensoren mit elektrisch nicht leitende Sensorkörpern verwendet sind.At the same time, the distance between the key parts from each other so determined that when the acoustic signal is reflected on a key part gives a minimal signal at the location of the acoustic transducer. With that acoustic disturbances, which result from the sensor body itself Minimum reduced so that sound effects within the flowing medium Interference signals predominate. Similar considerations apply when Microwave sensors with electrically non-conductive sensor bodies are used.

Anhand von Anwendungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with the aid of application examples.

Abb. 1 zeigt einen Sensorkörper 1, der Prozeßanschlüsse 3, die mit je einem Schlüsselansatz 4 verbunden sind aufweist. Der Innenbereich des Sensorkörpers, der allgemein als Zwischenteil 5 bezeichnet ist, weist eine Bohrung 2 auf. Sein Außenbereich kann einen runden sechseckigen oder auch davon abweichend ausgebildeten Querschnitt aufweisen. In diesem Zwischenteil sind Sensorflächen 6 aufgebracht die eine kleinste Wandungsstärke zur Innenbohrung hin von 0,2 bis 0,8 mm haben. In dem dargestellten Beispiel sind die Sensorflächen so auf dem Zwischenteil aufgebracht, daß ihre Flächen-Normalen miteinander einen Winkel von 0° bilden. Es ist auch möglich, mehrere Flächen auf dem Zwischenteil aufzubringen deren Normalen von Null abweichen, z. B. Flächen, deren Normalen einen Winkel von 60° miteinander bilden. Fig. 1 shows a sensor body 1 , the process connections 3 , which are each connected to a key approach 4 . The inner region of the sensor body, which is generally referred to as intermediate part 5 , has a bore 2 . Its outer area can have a round hexagonal cross section or a cross section that is different. In this intermediate part sensor surfaces 6 are applied which have a smallest wall thickness towards the inner bore of 0.2 to 0.8 mm. In the example shown, the sensor surfaces are applied to the intermediate part in such a way that their surface normals form an angle of 0 ° with one another. It is also possible to apply several surfaces to the intermediate part whose normals deviate from zero, e.g. B. surfaces whose normals form an angle of 60 ° with each other.

Fig. 2 zeigt ein zweiteiliges Gehäuse 7, das den Sensorkörper so weit umfaßt, daß der Schlüsselteil 4 und der Prozeßanschluß 3 frei zugänglich sind. In der Vorderansicht hat das Gehäuse im Bereich des Schlüsselteiles dieselbe geometrische Form wie der Schlüsselteil, so daß eine Verdrehung der beiden ineinandergreifenden Teile gegeneinander nicht möglich ist. Das Gehäuse wird durch ein oder mehrere, vorzugsweise Schraubverbindungen 8, zusammengehalten. Fig. 2 shows a two-part housing 7 , which includes the sensor body so far that the key part 4 and the process connection 3 are freely accessible. In the front view, the housing in the area of the key part has the same geometric shape as the key part, so that it is not possible to twist the two interlocking parts against one another. The housing is held together by one or more, preferably screw connections 8 .

Fig. 3 zeigt ein Sensorsystem, bei dem die Sensorelemente 9, 10 jeweils zu den Schlüsselteilen 4 hin verschoben sind. Der Abstand der Sensorelemente 9, 10 zueinander ist so gewählt, daß die akustische Übertragung innerhalb der Wandungen des Zwischenteils 5 durch Interferenzen, die sich durch Reflexionen an dem nahen und fernen Schlüsselteil ergeben, am Ort der Sensorelemente minimiert sind. Die größere Masse des Schlüsselteiles wirkt als Reflektor für Schallsignale, die aus dem Bereich der an die Prozeßanschlüsse angeschlossenen äußeren Rohre kommen. FIG. 3 shows a sensor system in which the sensor elements 9 , 10 are each shifted towards the key parts 4 . The spacing of the sensor elements 9 , 10 from one another is selected such that the acoustic transmission within the walls of the intermediate part 5 is minimized at the location of the sensor elements by interference which results from reflections on the near and far key part. The larger mass of the key part acts as a reflector for sound signals that come from the area of the outer pipes connected to the process connections.

Bei sehr starken Störsignalen aus diesem Bereich kann das Gehäuse 7 auch metallisch gefertigt sein, so daß durch die gute akustische Verbindung der Schlüsselflächen und des Gehäuses miteinander ein akustischer Kurzschluß in Bezug auf das innen gelegene sensorische System eintritt.In the case of very strong interference signals from this area, the housing 7 can also be made of metal, so that due to the good acoustic connection between the key surfaces and the housing, an acoustic short circuit occurs with respect to the internal sensor system.

Claims (15)

1. Sensorsystem, basierend auf einem in ein Leitungssystem einfügbaren Sensorkörper mit Innenbohrung, der zusammen mit auf dem Sensorkörper außenwandig aufgebrachten Sensorelementen den Strömungszustand eines die Innenbohrung durchströmenden Mediums erfaßt, mit einem Sensorkörper, der hantelförmig ausgebildet ist und aus einem homogenen Werkstoff besteht, wo endseitig am Sensorkörper Prozessanschlüsse vorgesehen sind, mit je einem endseitig angebrachten Schlüsselteil, mit einem reduzierten Außendurchmesser des Zwischenteils zwischen diesen beiden Schlüsselteilen, und mit mindestens zwei auf dem Zwischenteil angebrachten Flächen, auf die Sensorelemente aufgebracht sind, und wo diese Sensorelemente die Wandung der Innenbohrung nicht durchbrechen.1. Sensor system, based on a sensor body that can be inserted into a line system with inner bore, which together with on the outside of the sensor body applied sensor elements the flow state of the inner bore flowing medium detected, with a sensor body that is dumbbell-shaped is formed and consists of a homogeneous material, where on the end Sensor body process connections are provided, each with one end attached key part, with a reduced outer diameter of the In between between these two key parts, and with at least two on surfaces attached to the intermediate part, on which sensor elements are applied, and where these sensor elements do not break through the wall of the inner bore. 2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorelemente verwendet sind, deren Funktion auf einem optischen, thermischen, akustischen oder elektromagnetischen Prinzip beruhen.2. Sensor system according to claim 1, characterized in that sensor elements are used, their function on an optical, thermal, acoustic or electromagnetic principle. 3. Sensorsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper von einem Gehäuse umfaßt ist, das mehrteilig ausgebildet, einen Teil eines Schlüsselteils, der vorzugsweise als Zwei- oder Sechskant ausgebildet ist, umfaßt. 3. Sensor system according to claim 1 and 2, characterized in that the Sensor body is comprised of a housing, which is formed in several parts, one part a key part, which is preferably designed as a hexagon or hexagon, includes.   4. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß äußerlich auf dem Zwischenteil des Sensorkörpers, der vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist, zwei einander gegenüberliegende Sensorflächen in der Weise eingearbeitet sind, daß die kleinste Wandungsstärke des Zwischenteils zur Innenbohrung hin 0,2 bis 0,8 mm beträgt.4. Sensor system according to claim 1 to 3, characterized in that on the outside the intermediate part of the sensor body, which is preferably tubular, two opposing sensor surfaces are incorporated in the manner that the smallest wall thickness of the intermediate part towards the inner bore 0.2 to Is 0.8 mm. 5. Sensorkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Flächen Temepraturmeßelemente aufgebracht sind, wobei mindestens ein Temperaturmeßelement mit einem zusätzlichen Strom beheizt ist.5. Sensor body according to claim 4, characterized in that on the surfaces Temperature measuring elements are applied, at least one Temperature measuring element is heated with an additional current. 6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Sensorfläche in Richtung je eines Schlüsselteils des Sensorkörpers verschoben sind.6. Sensor system according to one of claims 1 to 5, characterized in that each a sensor surface in the direction of a key part of the sensor body are. 7. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelemente Mikrowellensensoren verwendet sind.7. Sensor system according to one or more of claims 1-6, characterized characterized in that microwave sensors are used as sensor elements. 8. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichent, daß das Sensorsystem aus Metall, Kunststoff oder einem mineralischen Stoff, vorzugsweise einer Keramik, gefertigt ist.8. Sensor system according to one or more of claims 1-7, characterized gekennzeichent that the sensor system made of metal, plastic or a mineral material, preferably a ceramic, is made. 9. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen-Normale einen von 90° abweichenden Winkel mit der Strömungs-Normalen bildet. 9. Sensor system according to one or more of claims 1-8, characterized characterized in that the sensor surface normal deviates from 90 ° Forms an angle with the flow normal.   10. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlüsselteile des Sensorkörpers aus ein oder mehreren Flächen gebildet sind.10. Sensor system according to one or more of claims 1-9, characterized characterized in that the key parts of the sensor body from one or more Surfaces are formed. 11. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems, basierend auf einem in ein Leitungssystem einfügbaren Sensorkörper, der zusammen mit auf dem Sensorkörper außenwandig aufgebrachten Sensorelementen, eine den Strömungszustand eines die Innenbohrung durchströmenden Mediums erfaßt, mit einem Sensorkörper, der vorzugsweise aus einem stangenförmigen Werkstoff homogen einteilig, spanabhebend, gefertigt ist, wobei in einem ersten Arbeitsschritt eine Innenbohrung in dem Material eingebracht ist, mit einem zweiten Schritt, der am freien Materialende einen Prozeßanschluß erstellt, mit einem dritten Schritt, der einen dem freien Materialende entgegen liegenden Teil des Materials einen zweiten Prozeßanschluß erstellt, mit einem vierten Schritt, der an jedem Materialende einen Schlüsselteil vorsieht, mit einem fünften Schritt, der die Materialstärke des zwischen den Schlüsselteilen befindlichen Innenbereiches, des Zwischenteils, reduziert, mit einem sechsten Schritt, der zumindest zwei Flächen auf dem Zwischenteil für die Anbringung von Sensorelementen vorsieht, ohne daß die Wandung zur Innenbohrung durchbrochen ist.11. Method for producing a sensor system based on one in one Line system insertable sensor body, which together with on the sensor body sensor elements applied to the outer wall, one the flow state of a the medium flowing through the medium is detected with a sensor body which preferably in one piece from a rod-shaped material, is machined, with an inner bore in a first step is introduced into the material with a second step, which is the free one Material end creates a process connection, with a third step that one free material end opposite part of the material a second Process connection created, with a fourth step, one at each material end Key part provides for a fifth step, which is the material thickness of the intermediate the key parts of the inner area, the intermediate part, reduced with a sixth step, the at least two surfaces on the intermediate part for the Attachment of sensor elements provides without the wall for Inner hole is broken. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Verfahrensschritte zur Herstellung des Sensorsystems zu einem Schritt zusammengefaßt sind oder deren Reihenfolge geändert ist. 12. The method according to claim 11, characterized in that two or more Process steps for producing the sensor system in one step are summarized or their order has been changed.   13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorelemente auf dem Zwischenteil, das vorzugsweise als Rohr ausgebildet ist, aufgebracht werden, deren Funktion auf einem optischen, thermischen, akustischen oder elektromagnetischen Prinzip beruht.13. The method according to claim 11 and 12, characterized in that sensor elements applied to the intermediate part, which is preferably designed as a tube be, their function on an optical, thermal, acoustic or electromagnetic principle. 14. Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper mit einem Gehäuse umfaßt ist, das mehrteilig ausgebildet, einen Teil eines Schlüsselteils umfaßt.14. The method according to claim 11 to 13, characterized in that the sensor body is comprised of a housing which is formed in several parts, part of a Key part includes. 15. Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse in einem letzten Schritt mit einer das Sensorsignal auswertenden Elektronik versehen ist.15. The method according to claim 11 to 14, characterized in that the In a last step, the sensor housing with an evaluating the sensor signal Electronics is provided.
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