DE102008035629A1 - Flowmeter for e.g. beverage machine, has side wall, which is formed by liquid-tight printed circuit board, and measurement electrodes facing printed circuit board and attached to inner side of flowmeter - Google Patents

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Abstract

The flowmeter has a side wall, which is formed by a liquid-tight printed circuit board. Measurement electrodes (10, 11) that are facing the circuit board are attached to an inner side of the flowmeter. Conducting paths and electronic components for executing and evaluating a conductance value measurement are arranged on the component-side of circuit board. The electrodes and conducting paths are connected through liquid-tight through connections (8, 9). Flow rate is calculated from the variations of conductance value measurement.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchflußmesser mit Leitwertmessung und integrierter Auswerteelektronik. Mittels Leitwertmessungen wird die Rotation eines Flügelrads erfaßt. Zusätzlich kann mittels einer integrierten Signalverarbeitung aus dem gemessenen Leitwert und der Temperatur des Mediums ein Meßsignal zur Überwachung von Filtermedien errechnet werden. Einsatzbereiche für die Erfindung wären zum Beispiel Getränkemaschinen, Kaffeemaschinen, Umkehrosmoseanlagen oder Ionenaustauscherpatronen zur Wasseraufbereitung.The The invention relates to a flowmeter with conductivity measurement and integrated evaluation electronics. Using conductance measurements is detects the rotation of an impeller. additionally can by means of an integrated signal processing from the measured Conductance and the temperature of the medium a measurement signal for monitoring be calculated from filter media. Applications for the invention would be, for example, beverage machines, Coffee machines, reverse osmosis systems or ion exchange cartridges for water treatment.

Aus DE 324 12 22 A1 ist eine Vorrichtung bekannt bei der Elektroden in ein Durchflußmessergehäuse eingesetzt sind. Durch die Rotation eines Flügelrads werden die elektrischen Feldlinien, die sich bei einer Leitwertmessung zwischen den Elektroden ausbilden je nach Position des Flügelrads unterschiedlich geschnitten wodurch das Ergebnis der Leitwertmessung mit der Rotationsfrequenz des Flügelrads moduliert wird. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist die Ausbildung der Elektroden als kreisförmige Flächen wodurch die Elektrodenoberfläche relativ klein sein muß und somit die Messung schlecht leitender Medien unzuverlässig ist. Über die Kontaktierung der Elektroden und die Anordnung der Elektronik werden keine nachvollziehbaren Angaben gemacht.Out DE 324 12 22 A1 a device is known in which electrodes are inserted into a flowmeter housing. Due to the rotation of an impeller, the electric field lines which form in the case of a conductivity measurement between the electrodes are cut differently depending on the position of the impeller, whereby the result of the conductivity measurement is modulated with the rotational frequency of the impeller. A disadvantage of this embodiment is the formation of the electrodes as circular surfaces whereby the electrode surface must be relatively small and thus the measurement of poorly conductive media is unreliable. About the contacting of the electrodes and the arrangement of the electronics are made no comprehensible information.

Aus GB 2388193 A ist ebenfalls eine Vorrichtung bekannt, bei der die Geometrie der Leitwertmeßstrecke zwischen 2 Elektroden durch ein rotierendes Flügelrad verändert wird und damit eine Modulation des Leitwertmeßsignals entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit erfolgt. Nachteilig ist hier, daß die beiden Meßelektroden vorzugsweise am Ein- und Ausgang des Flügelradzählers angeordnet sind wodurch die Kontaktierung der Elektroden aufwendig ist und aufgrund des großen Elektrodenabstands nur gut leitende Medien gemessen werden können.Out GB 2388193 A A device is also known in which the geometry of the Leitwertmeßstrecke between 2 electrodes is changed by a rotating impeller and thus a modulation of the Leitwertmeßsignals corresponding to the rotational speed. The disadvantage here is that the two measuring electrodes are preferably arranged at the inlet and outlet of the Flügelradzählers whereby the contacting of the electrodes is complicated and due to the large electrode spacing only good conductive media can be measured.

Aus DE 10 2007 037 716.0 ist ein Durchflußmesser bekannt bei dem die Leitwertmeßelektroden durch Kontaktfedern mit einer dahinterliegenden Elektronik verbunden sind. Die Kontaktierung der Meßelektroden ist jedoch in der Praxis fehleranfällig und montageaufwendig.Out DE 10 2007 037 716.0 a flow meter is known in which the Leitwertmeßelektroden are connected by contact springs with an underlying electronics. However, the contacting of the measuring electrodes is error-prone in practice and expensive to install.

Nachteilig am Stand der Technik ist weiterhin, daß die Vorrichtungen aus getrennten Bauelementen für die Wassermengenerfassung mittels Meßelektroden und einer Leitfähigkeitsmeßelektronik bestehen.adversely In the prior art is further that the devices from separate components for water quantity detection consist of measuring electrodes and a conductivity measuring electronics.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet die Nachteile des Stands der Technik dadurch, daß die Meßelektroden direkt auf der Auswerteelektronikplatine angebracht sind wodurch eine Kontaktierung mittels Feder- oder Drahtverbindungen unnötig ist. Weiterhin vorteilhaft ist daß die Meßelektrodenflächen mittels klassischer Platinenfertigungstechnik in beinahe beliebiger Anzahl, Form und Größe konturiert sein können. Weiter besonders vorteilhaft ist, daß die Elektronikplatine selbst als eine Begrenzungsfläche des Durchflußmessergehäuses eingesetzt werden kann wodurch ein sehr einfacher, kostengünstig zu fertigender, kompakter und zuverlässig arbeitende Durchflußmesser hergestellt werden kann.The Device according to the invention avoids the disadvantages of the prior art in that the measuring electrodes which are mounted directly on the transmitter board a contact by means of spring or wire connections unnecessary is. It is furthermore advantageous that the measuring electrode surfaces using classic PCB manufacturing technology in almost any Number, shape and size can be contoured. Next particularly advantageous is that the electronics board itself as a boundary surface of the flowmeter housing can be used whereby a very simple, inexpensive to be manufactured, compact and reliable working flow meter can be produced.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Umsetzungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere wichtige Merkmale ergeben.The The invention will be described in more detail below with reference to an example of implementation which explains other important characteristics.

1 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 schematically shows a possible structure of the device according to the invention.

Im Durchflußmesserhalbschalengehäuse (1) das hier im Schnittbild gezeigt wird ist ein Flügelrad (2) drehbar auf einer Achse (3) gelagert. In Achsennähe sind 2 Permanentmagnete (8) am Flügelrad (2) angebracht um eine Drehzahlerfassung auch gegebenenfalls mit herkömmlichen außen angebrachten (17) Magnetsensoren wie Hall-Elementen oder Reedkontakten zu ermöglichen. Das zu messende Medium strömt über einen nicht gezeigten Anschlußstutzen das Flügelrad (2) an, versetzt es in eine durchflußproportionale Drehbewegung und strömt über einen nicht gezeigten Abgangsstutzen wieder aus. Die seitliche Begrenzung des Durchflußmesserhalbschalengehäuses wird durch eine Elektronikplatine (4) gebildet. Die Abdichtung der Elektronikplatine zum Durchflußmesserhalbschalengehäuse wird durch einen Dichtring (20) in Verbindung mit einer mechanischen Arretierung (21) erreicht. Alternativ kann sie aber auch mittels Klebemittel verbunden sein. Die gezeigte Platine besteht vorzugsweise aus einem in der Elektronikfertigung üblichen Platinenmaterial, z. B. FR4, einem glasfaserverstärktem Epoxydharz, das eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme und eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Die Platine ist beidseitig mit leitfähigem Metall kaschiert wobei z. B. durch Ätztechniken eine Strukturierung der Metallschichten erfolgt. Auf der Innenseite der Platine bezüglich des Durchflußmessers sind Elektrodenflächen (10, 11) angeordnet. Die Elektrodenflächen (10, 11) können zur Verbesserung der Korrosionsstabilität Schutzbeschichtungen, z. B. aus Zinn, Nickel oder Gold tragen. Aufgrund der in der Leitplattentechnik üblichen, geringen Leiterbahndicken von typisch 35–70 μm wird die Medienströmung im Durchflußmesser nicht beeinflußt. Auf der Bestückungsseite sind Leiterbahnen zur Kontaktierung von Elektronikbauteilen zur Durchführung der Leitwertmessungen, beispielweise ein Mikrokontroller (18) der auch zur Signalverarbeitung dient und ein Steckverbinder (19) zur Kommunikation mit extern anzuschließenden Elektroniken und zur Stromversorgung aufgelötet. Die Verbindung der Meßelektroden (10, 11) mit den auf der Bestückungsseite angeordneten Leiterbahnen erfolgt durch flüssigkeitsdichte, elektrisch leitfähige Durchkontaktierungen (8, 9). Weiterhin ist ein Temperatursensor (13) zur Messung der Mediumstemperatur und Temperaturkompensation der gemessenen Leitwerte vorgesehen. Zweckmäßigerweise ist der Temperatursensor (13) mittels einer schlecht wärmeleitenden Isoliermasse (14) gegen Wärmeabgabe nach außen geschützt. Weiterhin ist dieser Temperatursensor direkt mit der Durchkontaktierung (9) über eine Lötstelle (15) verbunden wodurch sich ein guter Wärmeübergang ergibt.In the flowmeter half-shell housing ( 1 ) which is shown here in the sectional view is an impeller ( 2 ) rotatable on an axis ( 3 ) stored. Near the axis are 2 permanent magnets ( 8th ) on the impeller ( 2 ) mounted around a speed detection also optionally with conventional externally mounted ( 17 ) Magnetic sensors such as Hall elements or reed contacts to allow. The medium to be measured flows through a connecting piece, not shown, the impeller ( 2 ), puts it into a flow-proportional rotational movement and flows out via an outlet spigot, not shown again. The lateral boundary of the flowmeter half-shell housing is by an electronic board ( 4 ) educated. The sealing of the electronic circuit board to the flowmeter half-shell housing by a sealing ring ( 20 ) in conjunction with a mechanical locking ( 21 ) reached. Alternatively, however, it can also be connected by means of adhesive. The board shown preferably consists of a usual in electronics production board material, eg. B. FR4, a glass fiber reinforced epoxy resin, which has a low moisture absorption and high mechanical stability. The board is laminated on both sides with conductive metal z. B. by etching techniques structuring of the metal layers takes place. On the inside of the board with respect to the flow meter are electrode surfaces ( 10 . 11 ) arranged. The electrode surfaces ( 10 . 11 ) can be used to improve the corrosion resistance protective coatings, eg. B. of tin, nickel or gold. Due to the usual in the Leitplattentechnik, low conductor thicknesses of typically 35-70 microns, the media flow in the flow meter is not affected. On the component side, strip conductors for contacting electronic components for carrying out the conductivity measurements, for example a microcontroller ( 18 ) which also serves for signal processing and a connector ( 19 ) for communication with externally connected electronics and for power supply soldered. The connection of the measuring electrodes ( 10 . 11 ) with the conductor tracks arranged on the component side is effected by liquid-tight, electrically conductive plated-through holes ( 8th . 9 ). Furthermore, a temperature sensor ( 13 ) for measuring the medium temperature and temperature compensation of the measured conductance provided. Conveniently, the temperature sensor ( 13 ) by means of a poor thermal conductivity insulating compound ( 14 ) protected against heat loss to the outside. Furthermore, this temperature sensor is directly connected to the feedthrough ( 9 ) via a solder joint ( 15 ) which results in a good heat transfer.

Besonders vorteilhaft ist, daß sich die Elektronikplatine einfach und preisgünstig in herkömmlicher Elektronikplatinentechnik herstellen und mit oberflächenmontierbaren, sogenannten SMD-Bausteinen bestücken läßt. Durch die Herstellungstechnik können die Elektroden kostengünstig in beliebiger Form, Anzahl und Größe und Oberflächenbeschichtung gefertigt werden wobei deren Kontaktierung zu den Leiterbahnen der Bestückungsseite galvanisch, löttechnisch oder mittels Durchkontaktierungsnieten erfolgen kann. Falls Nieten zur Durchkontaktierung benutzt werden kann die Nietenoberfläche selbst als Meßelektrode dienen; in diesem Fall kann eine preisgünstige, einseitig metallkaschierte Platine eingesetzt werden.Especially It is advantageous that the electronics board easy and inexpensive in conventional electronic board technology produce and with surface mount, so-called Populate SMD components. By The manufacturing technology can cost the electrodes in any shape, number and size and surface coating be made their contacting with the conductor tracks of the Plating side galvanic, soldering or Can be done by means of Durchkontaktierungsnieten. If rivets to Through-hole can be used the rivet surface even serve as a measuring electrode; In this case, one can inexpensive, one-sided metal-laminated board used become.

Die Achse (3) kann wie gezeigt als durchgehend ausgeführte Achse in die Platine (4) an der rotationszentrischen Position (12) flüssigkeitsdicht verpreßt, verklebt, oder verlötet sein. Die Achse (3) kann natürlich auch in bekannter Weise in nadelförmiger Form zur Spitzenlagerung eines Flügelrads (2) ausgeführt sein. Ebenso kann die Achse (3) Bestandteil der Durchflußmesserhalbschale (1) sein, daß beispielweise mittels Kunststoff-Spritzgußtechnik hergestellt wird.The axis ( 3 ) can be shown as a continuous axis in the board (as shown) 4 ) at the rotationally centric position ( 12 ) pressed liquid-tight, glued, or soldered. The axis ( 3 ) can of course also in a known manner in acicular form for tip bearing an impeller ( 2 ). Likewise, the axis ( 3 ) Component of the flowmeter half-shell ( 1 ) be that, for example, produced by means of plastic injection molding.

2 zeigt die Durchsicht durch die Durchflußmesserhalbschale (1) auf die Innenseite der Elektronikplatine (4). Auf der Elektronikplatine sind Meßelektroden (10a–c, 11a–c) in Form von Leiterbahnen die über Durchkontaktierungen (9) zu Leiterbahnen auf der mit Elektronikbauteilen bestückten Außenseite der Platine verbunden sind. Die Elektroden (10a, 10b, 10c) sowie die Elektroden (1la, 11b, 11c) sind auf der Bestückungsseite der Platine elektrisch jeweils verbunden und bilden daher eine große Meßelektrode (10a–c) bzw. (11a–c). Die Kontur und die Anzahl der Meßelektroden entspricht vorzugsweise der Stirnfläche und der Flügelanzahl des Flügelrads (2). Dabei werden während der Rotation des Flügelrads, angetrieben durch das über die Anschlüsse (22, 23) ein- bzw. austretende Medium, zeitweilig alle Meßelektroden gleichzeitig abgedeckt was zu großen und meßtechnisch leicht auswertbaren Leitwertschwankungen führt. Aufgrund der großen Elektrodenflächen lassen sich auch schlecht leitfähige Medien, z. B. Wasser mit einem sehr geringen Salzgehalt messen. Die Platine (4) ist hier am Umfang (nur eine Stelle ist eingezeichnet) mit unterbrochenen Segmenten (25), die Durchflußmesserhalbschale (1) mit komplementären unterschnittenen Segmenten (26) versehen was eine Verrastung miteinander ermöglicht. Eine solche Verbindungsart ist in EP 0841547B1 am Beispiel von 2 Kunststoffhalbschalen eines Durchflußmessers gezeigt. 2 shows the view through the flowmeter half-shell ( 1 ) on the inside of the electronic board ( 4 ). On the electronic board are measuring electrodes ( 10a c, 11a -C) in the form of printed conductors via via holes ( 9 ) are connected to tracks on the assembled with electronic components outside of the board. The electrodes ( 10a . 10b . 10c ) as well as the electrodes ( 1la . 11b . 11c ) are electrically connected respectively on the component side of the board and therefore form a large measuring electrode ( 10a -C) or ( 11a c). The contour and the number of measuring electrodes preferably corresponds to the end face and the number of vanes of the impeller ( 2 ). It is during the rotation of the impeller, driven by the over the terminals ( 22 . 23 ) entering or exiting medium, temporarily covered all measuring electrodes simultaneously which leads to large and measurable easily evaluable conductivity variations. Due to the large electrode surfaces can also be poorly conductive media, eg. B. Measure water with a very low salt content. The board ( 4 ) is here on the periphery (only one point is drawn) with broken segments ( 25 ), the flowmeter half-shell ( 1 ) with complementary undercut segments ( 26 ) which allows a locking together. Such a connection type is in EP 0841547B1 shown by the example of 2 plastic half-shells of a flow meter.

Eine Verrastung ist nur eine mögliche Verbindung zwischen Elektronikplatine und Durchflußmessergehäusehalbschale. Die Verbindung kann auch durch Verpressung mit einem Überwurfring oder mittel verbördelten Dorndurchführungen erfolgen. Es können auch weniger Meßelektroden als im Ausführungsbeispiel gezeigt eingesetzt werden.A Locking is just one possible connection between the electronic board and flowmeter housing half shell. The connection can also be made by crimping with a coupling ring or medium crimped mandrel penetrations done. There may also be fewer measuring electrodes than in the exemplary embodiment shown used.

Der Mikrocontroller (18) enthält Meßhardware und Software zur Durchführung und Auswertung der Messungen sowie nichtflüchtigen Datenspeicher zur Sicherung der Meßdaten. Die Auswertedaten, zum Beispiel Drehzahlimpulse, Wassermengen, Leitfähigkeit, die Berechnung der Erschöpfung einer dem Durchflußmesser vorgeschalteten Filterpatrone z. B. eine Vollentsalzungspatrone oder die Temperatur können über den Schnittstellenanschluß (19) zum Beispiel seriell an weitere Elektroniken geleitet werden.The microcontroller ( 18 ) contains measuring hardware and software for carrying out and evaluating the measurements, as well as non-volatile data memories for securing the measured data. The evaluation data, for example, speed pulses, water quantities, conductivity, the calculation of the exhaustion of a flow meter upstream filter cartridge z. B. a demineralization cartridge or the temperature can via the interface port ( 19 ) are routed serially to other electronics, for example.

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  • - DE 102007037716 [0004] - DE 102007037716 [0004]
  • - EP 0841547 B1 [0012] - EP 0841547 B1 [0012]

Claims (10)

Durchflußmesser mit Leitwertmessung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seitenwand des Durchflußmessers durch eine flüssigkeitsdichte Leiterplatte gebildet wird.Flowmeter with conductivity measurement, characterized in that a side wall of the flow meter is formed by a liquid-tight printed circuit board. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Innenseite des Durchflußmessers zugewandten Leiterplatte Meßelektroden aufgebracht sind.Flowmeter with conductivity measurement according to claim 1, characterized in that on the inside of the Flow meter facing printed circuit board measuring electrodes are applied. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Bestückungsseite der Leiterplatte Leiterbahnen und elektronische Bauelemente zur Durchführung und weiteren Auswertung der Leitwertmessung angeordnet sind.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-2, characterized in that on the component side of the printed circuit board traces and electronic components for implementation and others Evaluation of the conductivity measurement are arranged. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden und Leiterbahnen der Bestückungsseite durch flüssigkeitsdichte Durchkontaktierungen verbunden sind.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-3, characterized in that the Measuring electrodes and conductor tracks of the component side connected by liquid-tight vias are. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierung allein als Meßelektrode ausgeführt ist.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-4, characterized in that the Through-hole alone designed as a measuring electrode is. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Schwankungen der Leitwertmessung der Durchfluß berechnet wird.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-5, characterized in that calculated the fluctuations of the conductivity measurement of the flow becomes. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Leitwert durch einen Mikrokontroller auf der Bestückungsseite weiter verrechnet wird.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-6, characterized in that the measured conductance through a microcontroller on the component side is charged further. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor auf der Bestückungsseite der Platine aufgebracht ist.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-7, characterized in that a Temperature sensor applied to the component side of the board is. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hallsensor auf der Bestückungsseite der Platine aufgebracht ist.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-8, characterized in that a Hall sensor applied to the component side of the board is. Durchflußmesser mit Leitwertmessung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagerstift für ein Flügelrad flüssigkeitsdicht mit der Platine verbunden ist.Flow meter with conductivity measurement after one of claims 1-9, characterized in that a Bearing pin for an impeller liquid-tight with the board is connected.
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