DE10062609A1 - Sensorsystem - Google Patents

Abstract

Das Sensorsystem basiert auf einem in ein Leitungssystem einfügbaren Sensorkörper mit Innenbohrung. Auf dem Sensorkörper sind außenwandig Sensorelemente aufgebracht, die den Strömungszustand eines die Innenbohrung durchströmenden Mediums erfassen. Der Sensorkörper ist hantelförmig ausgebildet und aus einem homogenen Werkstoff gefertigt. Der Sensorkörper weist ein Zwischenteil auf, auf dem Sensorflächen zur Aufbringung von Sensorelementen vorgesehen sind.

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.

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.

Derzeit bekannte Systeme, weisen ein oder mehrere der oben genannten Konstruktionsmerkmale und die damit verbundenen Nachteile auf.

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.

Die in Anspruch 1 und 12 aufgezeigten Merkmale führen zur Lösung der gestellten Aufgabe. Die nachgeordneten Ansprüche führen die Erfindung weiterbildend aus.

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 für metallische Sensorkörper 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 an den Stellen in seiner Wandungsstärke reduziert ist, an denen die Sensorelemente angebracht sind. Diese Stellen sind vorzugsweise als Flächen ausgebildet, nachfolgend als Sensorflächen bezeichnet, 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.

Für jedes verwendete physikalische Prinzip wird ein gleichartiger Verfahrensablauf zur Herstellung des Sensorkörpers angewendet, wobei lediglich die Besonderheit der einzelnen Sensoren berücksichtigt werden.

Eine Besonderheit der Konstruktion besteht darin, daß die Prozeßanschlüsse einen Schlüsselteil aufweisen, der partiell von einem vorzugsweise zweiteiligen Gehäuse umfaßt ist, das den die Sensorelemente aufnehmenden Zwischenteil des Sensorkörpers gegen Umwelteinflüsse schützt und auch eine auswertende Elektronik aufnehmen kann. Durch die Umfassung des Schlüsselteils, ist es nicht mehr möglich, daß sich der Sensorkörper 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 vorzugsweise rohrförmigen Zwischenteil des Sensorkörpers aufgebracht werden können. Eine bevorzugte Konstruktion beim Einsatz akustischer Wandler ergibt sich dadurch, daß je ein akustischer Wandler auf dem Zwischenteil 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 eines Wandlers 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.

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.

In einer für akustisch, optisch und elektromagnetisch wirkende Sensorelemente besonders wirkungsvollen Ausbildung der Sensorflächen sind diese auf dem Zwischenteil so ausgerichtet, daß ihre Flächen-Normalen mit dem Strömungsvektor, der die den Sensorkörper durchsetzende Strömung in ihrer Geschwindigkeit und Richtung beschreibt, einen von 90° aufweichenden Winkel bildet. Hierdurch wird das sensorische Nutzsignal wesentlich verbessert.

Anhand von Anwendungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 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 dem Zwischenteil 5 sind Sensorflächen 6 aufgebracht die eine kleinste Wandungsstärke 11 zur Innenbohrung hin von 0,2 bis 0,8 mm hat. In dem dargestellten Beispiel sind die Sensorflächen gegenüberliegend auf dem Zwischenteil ausgerichtet. Ihre Flächen-Normalen bilden miteinander einen Winkel von 0°. Es ist auch möglich, mehrere Flächen 12 auf dem Zwischenteil vorzusehen deren Normalen von Null abweichen, z. B. Flächen, deren Normalen 14 einen Winkel von 60° miteinander bilden. Diese Anordnung wird vorzugsweise für thermische Sensoren verwendet. Während ein Sensor 6 die Temperatur des durch die Bohrung 2 fließenden Mediums bestimmt, ist ein zweiter Sensor 6 zusätzlich beheizt und erfaßt nicht nur die Temperatur des Mediums, sondern auch die zusätzlich durch die Heizung erzeugte Temperatur. Ein periodisches Einschalten der Heizung ermöglicht die Anwendung nur eines Sensors.

In Fig. 2, 3, 4 sind unterschiedliche Querschnitte des Zwischenteils 5 in der Vorderansicht aufgezeigt. Die bevorzugt für die Anbringung von Sensoren bestimmten, beispielhaft mit 6 bezeichneten Teile der Querschnitte, auch als Sensorflächen bezeichnet, können sich als Teiloberflächen des Zwischenteils 5 sowohl über dessen ganze Längenausdehnung hin erstrecken, wie sich auch nur am Ort der auf dem Innenteil 5 aufgebrachten Sensorelemente 9 befinden.

Fig. 5 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 nach Fig. 6 im Bereich des Schlüsselteiles dieselbe geometrische Form 13 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. 7 zeigt in der seitlichen Ansicht des Sensorkörpers mögliche Positionierungen von Sensorelementen 9 auf dem Zwischenteil 5, die auf den Sensorflächen aufgebracht sind, wobei sich die Sensorflächen 6 über die ganze Länge des Zwischenteils erstrecken, wie auch nur am Ort der Sensorelemente 9 sind. Die Flächen-Normalen der Sensorflächen 6 sind in dieser Darstellung zueinander parallel und bilden mit dem die Strömung beschreibenden Strömungsvektor 15 einen Winkel von 90°. Je nach gewählter Anwendung können ein oder mehrere der Sensorflächen von der Parallelität untereinander abweichen und/oder zum Strömungsvektor 15 von 90° verschiedene Winkel aufweisen.

Fig. 8 zeigt ein Sensorsystem, bei dem die auf den Sensorflächen 6 aufgebrachten Sensorelemente 9, 10 jeweils zu den Schlüsselteilen 4 hin verschoben sind. In diesem Beispiel ist das Sensorelement 9 ein Ultraschall-Sender, das Sensorelement 10 ein Empfänger. 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.

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 einer hier nicht dargestellten, sehr wirkungsvollen Anordnung, bilden die Normalen der Sensorflächen 6 mit dem die Strömung beschreibenden Strömungsvektor 15 einen von 90° abweichenden Winkel, wobei die Wirkungsrichtung der Sensorelemente aufeinander zugeneigt ist.

Claims (16)

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 einer auf dem Zwischenteil angebrachten Fläche, auf der Sensorelemente aufgebracht sind, und wo diese Sensorelemente die Wandung der Innenbohrung nicht durchbrechen.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sensorelemente verwendet sind, deren Funktion auf einem optischen, thermischen, akustischen oder elektromagnetischen Prinzip beruhen.

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.

4. Sensorsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß äußerlich auf dem Zwischenteil, der vorzugsweise rohrförmig ausgebildet ist, zwei einander gegenüberliegende Flächen für die Anbringung von Sensoren in der Weise eingearbeitet sind, daß die kleinste Wandungsstärke des Zwischenteils zur Innenbohrung hin 0,2 bis 0,8 mm beträgt.

5. Sensorkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Flächen ein oder mehrere Temperaturmeßelemente aufgebracht sind, wobei mindestens ein Temperaturmeßelement zusätzlich beheizt ist.

6. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Fläche in Richtung eines Schlüsselteils des Sensorkörpers verschoben ist.

7. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelemente Mikrowellensensoren verwendet sind.

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.

9. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflächen-Normale einen von 90° abweichenden Winkel mit dem Strömungsvektor bildet.

10. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlüsselteile des Sensorkörpers ein oder mehrere Flächen aufweisen.

11. Sensorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein oder mehrere Sensorflächen über die ganze Längenausdehnung des Zwischenteils hin erstrecken oder sich nur am Ort der auf dem Zwischenteil aufgebrachten Sensorelemente befinden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems, basierend auf einem in ein Leitungssystem einfügbaren Sensorkörper mit Innenbohrung, 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.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Verfahrensschritte zur Herstellung des Sensorsystems zu einem Schritt zusammengefaßt sind oder deren Reihenfolge geändert ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, 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.

15. Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper mit einem Gehäuse umfaßt ist, das mehrteilig ausgebildet, einen Teil eines Schlüsselteils umfaßt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse in einem letzten Schritt mit einer das Sensorsignal auswertenden Elektronik versehen ist.