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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts mit mindestens einer Hülse mit einem ersten offenen Ende, wobei das erste offene Ende in einem Sensorhalter befestigbar ist und wobei Kabel zur elektrischen Kontaktierung eines Widerstandsthermometers in der Hülse aus dem ersten offenen Ende der Hülse aus der Hülse herausgeführt werden.
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Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren, die in, meist stiftförmigen, Metallhülsen, sog. Stingers, angeordnet sind und die in thermischem Kontakt mit dem durch ein Messrohr oder durch die Rohrleitung strömenden Medium sind. Für die industrielle Anwendung sind beide Temperatursensoren üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Temperatursensoren können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Temperatursensoren ist ein sog. aktiver Temperatursensor, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Temperatursensor selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device)Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten Temperatursensor handelt es sich um einen sog. passiven Temperatursensor: Er misst die Temperatur des Mediums.
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Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät der beheizbare Temperatursensor so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
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Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Temperatursensors wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als der beheizte Temperatursensor, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Temperatursensor abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Temperatursensor erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung.
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Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Maß für den Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr.
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Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des Temperatursensors notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des sog. Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung ,t-switch', ,t-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
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Bisher wurden hauptsächlich RTD-Elemente mit wendelförmig gewickelten Platindrähten in thermischen Durchflussmessgeräten eingesetzt. Bei Dünnfilm-Widerstandsthermometern (TFRTDs) wird herkömmlicherweise eine mäanderförmige Platinschicht auf ein Substrat aufgedampft. Darüber wird eine weitere Glasschicht zum Schutz der Platinschicht aufgebracht. Der Querschnitt der Dünnfilm-Widerstandsthermometern ist im Unterschied zu den, einen runden Querschnitt aufweisenden RTD-Elementen, rechteckig. Die Wärmeübertragung in das Widerstandselement und/oder aus dem Widerstandselement erfolgt demnach über zwei gegenüberliegende Oberflächen, welche zusammen einen Großteil der Gesamtoberfläche eines Dünnfilm-Widerstandsthermometers ausmachen.
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Der Einbau eines quaderförmigen Dünnfilm-Widerstandsthermometers in eine runde Stifthülse wird in der
US-PS 6,971,274 und der
US-PS 7,197,953 folgendermaßen gelöst. In eine Distanzbuchse aus Metall mit einer rechteckigen Vertiefung wird der Dünnfilm-Widerstandsthermometer so eingesetzt, dass zumindest die zwei gegenüberliegenden großen Oberflächen des Dünnfilm-Widerstandsthermometers quasi spaltfreien Kontakt zu den ihnen gegenüberliegenden Oberflächen der Distanzbuchse haben. Die Distanzbuchse weist dazu eine rechteckige Vertiefung auf, welche entsprechend der Außenmaße des Dünnfilm-Widerstandsthermometers gefertigt ist. Die Distanzbuchse soll den Dünnfilm-Widerstandsthermometer eng halten. Dazu bilden Distanzbuchse und Dünnfilm-Widerstandsthermometer quasi eine Presspassung. Die Distanzbuchse selbst und die Stifthülse bilden ebenfalls eine Presspassung. Dadurch wird der Einsatz einer Vergussmasse oder eines anders gearteten Füllmaterials überflüssig. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht in einer allseitigen guten Wärmekopplung zwischen Dünnfilm-Widerstandsthermometer und Messmedium durch die Distanzbuchse. Allerdings entstehen durch den festen Sitz des Dünnfilm-Widerstandsthermometers und/oder durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialen mechanische Spannungen im Dünnfilm-Widerstandsthermometer.
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Die zum Zeitpunkt dieser Patentanmeldung nicht offen gelegte Patentanmeldung mit dem PCT-Aktenzeichen
PCT/EP2009/052942 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors, insbesondere für ein thermisches Durchflussmessgerät, mit mindestens einer rohrförmigen Stifthülse mit einem ersten offenen Ende und einem zweiten offenen Ende, welches erste offene Ende der Stifthülse in einem Sensorhalter gehaltert wird, mit weiterhin mindestens einem Widerstandsthermometer mit einer ersten Oberfläche und mindestens einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche, wobei durch das zweite offene Ende der Stifthülse ein Distanzstück mit einem, auf seiner ersten Oberfläche befestigten, Widerstandsthermometer in die Stifthülse eingesetzt wird und das zweite offene Ende der Stifthülse anschließend mit einem Stopfen verschlossen wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, mit welchem ein Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät kostengünstig herzustellen ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors für ein thermisches Durchflussmessgerät, mit mindestens einer Hülse mit einem ersten offenen Ende und einem zweiten offenen Ende, wobei das erste offene Ende in einem Sensorhalter befestigbar ist, wobei zumindest ein Widerstandsthermometer in die Hülse durch das zweite offene Ende der Hülse eingeführt wird und das zweite offene Ende der Hülse verschlossen wird, wobei Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers aus dem ersten offenen Ende der Hülse aus der Hülse herausgeführt werden
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Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung weiterhin durch einen Sensor eines thermischen Durchflussmessgeräts, welcher durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar ist.
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Weist die Hülse eine Biegung auf, ist das Befüllen der Hülse durch ihr erstes offenes Ende, welches z. B. in einem Sensorhalter befestigbar ist, nur sehr schwer möglich. Sowohl wendelförmig gewickelte RTD-Elemente als auch TFRTDs lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach in die Hülse einführen und beispielsweise anschließend vergießen. Es spielt auch keine Rolle, ob das Widerstandsthermometer das beheizte oder unbeheizte Widerstandsthermometer des thermischen Durchflussmessgeräts ist. Die Hülse ist herkömmlicherweise rohrförmig, d. h. sie weist einen näherungsweise kreisrunden Querschnitt auf, aber auch andere Querschnitte sind mit diesem Verfahren herstellbar. Ist die Stifthülse rohrförmig und gerade, wird sie Stifthülse genannt.
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Gemäß einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Füllmaterial bei verschlossenem zweiten Ende der Hülse durch das erste Ende der Hülse eingefüllt. Bei diesem Füllmaterial handelt es sich um thermisch leitfähiges Material und/oder um thermisch isolierendes Material.
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Das Füllmaterial, z. B. eine Vergussmasse, besteht z. B. aus einem Pulver aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder einer wärmeisolierenden Paste. Üblicherweise wird eine Epoxyfüllung mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 2 W/(mK) verwendet. Im Gegensatz dazu kann erfindungsgemäß auch ein Material mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Weist das Distanzstück z. B. eine Bohrung auf, in welche das Widerstandsthermometer eingeführt ist, wobei dann das Distanzstück das Widerstandsthermometer auf allen Seiten umgibt, wird der Zwischenraum zwischen Distanzstück und Widerstandsthermometer, und gegebenenfalls weitere zur Montage notwendige Ausnehmungen im Distanzstück, mit einem wärmeleitenden Material-ausgefüllt. Die Hülse wird dann von ihrem ersten Ende bis zum Distanzstück mit dem wärmeisolierenden Material ausgefüllt. In dieser Ausgestaltung sind also zwei voneinander verschiedene Füllmaterialen im Einsatz.
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Das Distanzstück besteht besonders vorteilhaft aus gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Es kann beispielsweise auch durch Sintern hergestellt werden. Herkömmlicherweise besteht die Hülse aus Edelstahl, z. B. aus Nickelbasislegierungen. Edelstahl weist gewöhnlich eine recht geringe Wärmeleitfähigkeit aus. So liegt die Wärmeleitfähigkeit von X2CrNiMo 17-12-3 oder auch 1.4404 bei 15 W/(mK). Zum Vergleich liegt die Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer bei ca. 400 W/(mK).
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Der Stopfen kann aus wärmeleitenden oder wärmeisolierendem Material bestehen, je nach Anwendung. Bevorzugt besteht er jedoch aus gut wärmeleitendem Material. Geeignet sind die Materialen, wie sie im Stand der Technik ausreichend beschrieben sind. Dazu zählen vor allem Kupfer und Kupferlegierungen.
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Ist der Stopfen nun z. B. aus Kupfer und das Messmedium, welches das thermische Durchflussmessgerät berührt, soll und/oder darf nicht mit Kupfer in Berührung kommen, ist zusätzlich noch ein Deckel zwischen Messmedium und Stopfen als Abschluss des zweiten Endes der Hülse anzubringen oder das blanke Kupfer ist mit einer Nickelschicht zu bedampfen. In einer anderen Variante besteht der Stopfen aus einem Edelstahl, insbesondere aus dem gleichen Werkstoff wie die Hülse. Damit bildet er den Abschluss des zweiten Endes der Hülse.
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Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers mit einer Regel-/Auswerteeinheit verbunden werden und dass der Sensorhalter mit einem Messrohr verbunden wird. Durch das Messrohr fließt das Messmedium, dessen Durchfluss bestimmt werden soll. Auch der Sensorhalter kann mit der Regel-/Auswerteeinheit verbunden sein, bzw. er kann sogar mit dieser identisch sein, d. h. Sensorhalter und Regel-/Auswerteeinheit bilden eine integrale Einheit.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Widerstandsthermometer ein Dünnfilm-Widerstandsthermometer (TFRTD). So weist z. B. das Distanzstück zumindest eine ebene Fläche auf, auf welcher das Widerstandsthermometer angelötet wird. Das Dünnfilm-Widerstandsthermometer wird also einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß auf eine ebene Fläche eines Distanzstücks gelötet, bevor dieses in die Hülse eingeführt wird. Das Distanzstück wird zumindest teilweise zwischen Widerstandsthermometer und Hülse in die Hülse eingebracht und/oder es wird zumindest teilweise zwischen Widerstandsthermometer und zweitem Ende der Hülse in die Hülse eingebracht, d. h. es gewährleistet eine gewisse Distanz zwischen Widerstandsthermometer und Hülse bzw. zweitem Ende der Hülse. Diese Distanz beträgt z. B. mindestens 0,5 mm zum zweiten Ende der Hülse oder z. B. mindestens 2 mm. Das zweite Ende der Hülse wird einer weiteren Weiterbildung gemäß, mit einem Stopfen dicht verschlossen. Dieser wird beispielsweise stoffschlüssig mittels eines Laserschweißverfahrens angeschweißt. Dabei ist der Stopfen nicht unbedingt in die Hülse einzuführen. Er kann auch auf dem zweiten Ende der Hülse aufliegen und dort mit ihr verschweißt werden. Der Stopfen kann dabei auch Teil des Distanzstücks sein. Die Distanz zwischen Widerstandsthermometer und zweitem Ende der Hülse kann also auch durchaus durch den Stopfen hergestellt werden. So ist in einem Beispiel der Stopfen 5 mm dick bzw. lang und wird vollständig in die Hülse eingeschoben. Der technische Zweck des Abstands des Widerstandsthermometers vom zweiten Ende der Hülse besteht darin, dass die Lotverbindung zwischen Distanzstück und Widerstandsthermometer durch den Wärmeeintrag, hervorgerufen durch die Befestigung des Stopfens an der Hülse, keinen Schaden nehmen darf. Daher wird in einem Ausführungsbeispiel die Temperatur der Lotverbindung nicht höher als 150°C bei dem Schweißen des Stopfens an die Hülse, in einem anderen Ausführungsbeispiel beträgt sie gar nur höchstens 100°C. Erreicht wird dies einerseits durch den Abstand, die Distanz zwischen Schweißnaht und Widerstandsthermometer und/oder andererseits durch den Einsatz von bestimmten Schweißverfahren wie z. B. Wolfram Inertgas schweißen (WIG/TIG). Weitere Alternativen zu dem Laserschweißverfahren stellen beispielsweise Mikroschweißverfahren, Laserlöten oder Löten mit Hartlot/Weichlot dar. Zusätzlich kann auch ein Bleilot mit höherer Löttemperatur, wie z. B. 300°C oder höher, zum Löten des Widerstandsthermometers auf die ebene Fläche des Distanzstücks verwendet werden.
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Die ebene Fläche des Distanzstücks ist dabei spanend hergestellt, z. B. wird ein Loch auf einer CNC-Stangendrehmaschine gestoßen oder eine Nut wird mit einem Scheibenfräser gefräst. Ein alternatives Fertigungsverfahren ist ein Elektroerosionsverfahren. Insbesondere ist die ebene Fläche eine Fläche einer Bohrung oder einer Nut.
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Erreicht werden kann diese Genauigkeit z. B. mit einem spanenden Herstellungs- bzw. Bearbeitungsverfahren. Mit solchen Verfahren ist auch eine Maßtoleranz von höchstens 1/100 mm ohne großen Aufwand möglich.
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In einer Zeichnung wird üblicherweise das Nennmaß angegeben. Das Istmaß wird am Werkstück messtechnisch erfasst. Dieses sollte zwischen den Grenzmaßen, dem Höchstmaß und dem Mindestmaß liegen. Die Maßtoleranz ist dabei die Differenz zwischen dem zulässigen Höchstmaß und dem zulässigen Mindestmaß. Maßtoleranzen begrenzen somit die zulässige Abweichung der Bauteilabmessungen. Maßtoleranzen können symmetrisch, z. B. 40 ± 0,1, oder asymmetrisch, z. B. 40 + 0,2/–0,1, oder, wie im obigen Beispiel absolut und ohne zugehöriges Nennmaß, z. B. max. 5/100 mm, angegeben werden.
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In einer Ausgestaltung weist also das Distanzstück eine Ausnehmung, z. B. eine Bohrung mit rechteckigem Querschnitt, mit zumindest einer ersten ebenen Fläche auf, auf welcher ersten ebenen Fläche das Widerstandsthermometer angebracht wird, wobei die Bohrung mit einer Maßtoleranz von höchstens 5/100 mm gefertigt wird. In einer anderen Ausgestaltung hingegen weist das Distanzstück eine Nut mit zumindest einer ebenen Nutgrundfläche auf, auf welcher ebenen Nutgrundfläche das Widerstandsthermometer angebracht wird, wobei die Nut mit einer Maßtoleranz von höchstens 5/100 mm gefertigt wird.
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Das Distanzstück selbst weist im Querschnitt die Form auf, welche auch die Hülse in ihrem Querschnitt aufweist. Ist die Hülse rohrförmig, so ist das Distanzstück z. B. im Wesentlichen zylindrisch, abgesehen z. B. von eventuellen Fasen oder Nuten. Die Längsachse des Distanzstücks liegt in einer Ausführungsform parallel zur Längsachse der Hülse und parallel zur Längsachse der ebenen Fläche, also z. B. des Nutgrunds. Distanzstück und Hülse bilden eine Press- oder Übergangspassung.
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Eine weitere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart, dass vorgeformte Lotteilchen, sogenanntes Preform-Lot, auf den Widerstandsthermometer und/oder auf die ebene Fläche des Distanzstücks vor dem Auflegen des Widerstandsthermometers auf das Distanzstück aufgebracht werden. Insbesondere sind Lotteilchen, welche auf der ebenen Fläche des Distanzstücks platziert werden, in Größe und Form an die ebene Fläche des Distanzstücks angepasst.
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Die ebene Fläche des Distanzstücks, sei es nun die erste ebene Fläche einer Bohrung oder die Nutgrundfläche einer Nut, wird gereinigt, so wird z. B. verhindert, dass sich eine Oxidationsschicht bildet oder eine solche entfernt, wenn das Distanzstück aus Kupfer gefertigt ist, dann wird ein Flussmittel aufgebracht und schließlich das Lot, insbesondere das Preform-Lot. Die Preform-Lotteilchen können auch zusammen mit dem Widerstandsthermometer angebracht werden. Prinzipiell wird erfindungsgemäß versucht, die Lotschicht sehr dünn zu halten, z. B. kleiner 0.2 mm, da so die thermische Anbindung des Widerstandsthermometers an das Distanzstück sehr gut ist.
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Dabei kann das Distanzstück mit dem Widerstandsthermometer und dem Lot in die Hülse eingebracht werden, ohne diese vorher gelötet zu haben. Wird der Stopfen angeschweißt, kann der Lotvorgang vorher erfolgen. Wird der Stopfen an die Hülse ebenfalls angelötet, können beide Arbeitsschritte gleichzeitig erfolgen.
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Wird der Stopfen mit einem ersten Ende des Stopfens in die Hülse eingeführt, wie in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung offenbart, so weist der Stopfen an seinem ersten Ende eine Fase aufweist. Der Stopfen ragt z. B. ca. 2 mm in die Hülse hinein, d. h. ca. 2 mm über das zweite Ende der Hülse in die Hülse hinein. Er weist im Regelfall eine Presspassung mit der Hülse auf. Um nun eingeschoben werden zu können ist der Stopfen an seinem ersten Ende angefast. Das Distanzstück, welches beispielsweise ebenfalls mit der Hülse eine Presspassung eingeht, wird dann zusammen mit Stopfen eingeschoben. Wie bereits erwähnt wird durch das Laserschweißen und/oder den konstruktiven Aufbau des Stopfens und/oder des Distanzstücks ein erhöhter Wärmeeintrag in die Hülse hinein und somit eine Beeinträchtigung, z. B. ein teilweises Lösen, einer Lotverbindung zwischen Distanzstück und Widerstandsthermometer vermieden.
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In weiteren Verfahrensschritten weitergebildeter erfindungsgemäßer Verfahren wird die Hülse mit einem Zugumformverfahren oder einem Druckumformverfahren, wie z. B. Fließpressen, oder einem Zugdruckumformverfahren, beispielsweise mittels Tiefziehen oder Durchziehen, hergestellt. Gedrehte oder geschweißte Hülsen weisen im Normalfall nicht die notwendigen Maßtoleranzen auf. Aber auch diese Fertigungsverfahren sind hiermit nicht ausgeschlossen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Befüllen einer gebogenen Hülse problemlos durchführbar, daher wird in einer Ausführungsform die Hülse gebogen, und zwar vor dem Befüllen, d. h. unter anderem vor dem Einführen des Widerstandsthermometers durch das zweite offene Ende.
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Ein weitergebildeter erfindungsgemäßer Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät, mit mindestens einer Hülse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende in einem Sensorhalter befestigt ist, wobei zumindest ein Widerstandsthermometer in die Hülse durch das zweite Ende der Hülse eingeführt ist und das zweite offene Ende der Hülse verschlossen ist, wobei Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers aus dem ersten offenen Ende der Hülse aus der Hülse herausgeführt sind, ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse einen kreisrunden Querschnitt aufweist und das Verhältnis von Innendurchmesser der Hülse zu Breite des Widerstandsthermometers mindestens 1.5 beträgt.
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Bei einem weiteren Weitergebildeten erfindungsgemäßen Sensor weist das Distanzstück einen kreisrunden Querschnitt auf, wobei das Nennmaß des Innendurchmessers der Hülse gleich ist dem Nennmaß des Außendurchmessers des Distanzstücks. Das Distanzstück und die Hülse gehen also eine Presspassung ein. Das Nennmaß des Innendurchmessers der Hülse und damit auch das Nennmaß des Außendurchmessers des Distanzstücks betragen in einem Ausprägungsbeispiel 1,6 mm. Um das Distanzstück in die Hülse einzuschieben und dabei keinen Span vom Distanzstück, welches beispielsweise aus relativ weichem Kupfer besteht, abzulösen, weist das Distanzstück weiterhin eine Fase auf seiner dem ersten offenen Ende der Hülse zugewandten Seite auf. Die Fase dient auch zum zentrieren des Distanzstücks vor dem Einschieben.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Sensor ist die Hülse gebogen.
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Eine typische Verwendung für ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Sensor ist das Messen eines Massedurchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt perspektivisch zwei unterschiedlich ausgestaltete Sensoren eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts,
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2 zeigt perspektivisch ein Distanzstück eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflussmessgeräts.
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In 1 ist die perspektivische Darstellung eines ersten Sensors 2 eins thermischen Durchflussmessgeräts 1 mit einer stiftförmig ausgebildeten ersten Hülse 18 mit einem zweiten Ende 34, welches im Betriebszustand das Messmedium berührt, gezeigt. Das erste Ende 33 der stiftförmigen Hülse 18, welches in einem Gehäuse bzw. einem Sensorhalter befestigt ist, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Der erste Stopfen 37 ist an der Stirnseite der Hülse 18, also an ihrem zweiten Ende 33, mit ihr verschweißt. Stopfen 37 und erstes Distanzstück 4 bilden hier ein einteiliges, monolithisches Bauteil. Das Distanzstück 4 steht in engem Kontakt zur Innenseite 39 der ersten Hülse 5. Ein erstes Widerstandsthermometer 6 ist auf das erste Distanzstück 4 gelötet. Die erste Oberfläche 14 des Widerstandsthermometers 6 steht somit in engem Kontakt mit dem Distanzstück 4. Dadurch ist eine gute Wärmeleitung vom Messmedium bis zum Widerstandsthermometers 6 gewährleistet. Die zweite Oberfläche 15 des Widerstandsthermometers 6 steht frei im Raum, welcher durch die Hülse 18 begrenzt wird.
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Der zweite Sensor zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts. In eine zweite Hülse 19 wurde durch ihr offenes zweites Ende 36 ein Distanzstück 5 eingeführt. Dieses bildet mit der Hülse 19 eine Presspassung. Das Distanzstück 5 wurde bei der Montage mittels eines Stopfens 38 in Richtung des nicht dargestellten ersten Endes der Hülse 19 vorgeschoben. Der Stopfen 38 selbst bildet mit der Hülse 19 eine Lospassung und ist an ihrem zweiten Ende 36 mit ihr mittels eines Laserschweißverfahrens verschweißt. Das Distanzstück 5 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material. Es hat die Form eines Zylinders mit einer über die gesamte Zylinderhöhe, in der Längsachse 26 verlaufenden Nut 10 mit rechteckigem Querschnitt. Am „Boden” der Nut 10, also auf der Oberfläche der Nut 10, welcher keine weitere Oberfläche der Nut 10 gegenüberliegt, ist ein Widerstandsthermometer 7 angelötet. Die zweite Oberfläche 17 des Widerstandsthermometers 7 ist frei.
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Der freie Raum in den Hülsen 18, 19 wird bevorzugt mit einem geeigneten, eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Füllmaterial gefüllt bzw. vergossen. Dadurch wären die zweiten Oberflächen 15, 17 der Widerstandsthermometer 6, 7 mit Füllmaterial bedeckt. Das Füllmaterial, wie auch eine Kontaktierung der Widerstandsthermometer 6, 7 mit Kabeln, insbesondere über eine Zugentlastung 48, sind hier ebenfalls nicht dargestellt.
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Das Füllmaterial, oder auch Vergussmasse genannt, besteht z. B. aus einem Pulver aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder einer wärmeisolierenden Paste. Üblicherweise wird eine Silikonfüllung mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,2 W/(mK) verwendet.
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Dies hat sowohl beim unbeheizten Sensor, als auch beim beheizten Sensor Vorteile. Die erste Oberfläche 14, 16 des Widerstandsthermometers 6, 7 steht mit dem Messmedium über das Distanzstück 4, 5, eine so genannte Wärmebrücke, mit sehr guten Wärmeleitungseigenschaften in Kontakt, die gegenüberliegende zweite Oberfläche 15, 17 des Widerstandsthermometers 6, 7 jedoch ist gegen das Messmedium wärmeisoliert. Die Fläche, auf die eine Wärmeübertragung stattfindet bzw. von der eine Wärmeübertragung stattfindet ist genau definiert. Daraus ergibt sich eine Richtungsabhängigkeit des Temperatursensors. Er ist gegenüber der Anströmrichtung des Messmediums empfindlich. Zusätzlich dazu fallen beim beheizten Sensor, im Vergleich zum Stand der Technik, die Wärmeverluste in Richtung Sensorgehäuse deutlich niedriger aus.
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Die Darstellung in 1 zeigt zwei verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung. Der beheizbare Widerstandsthermometer ist nicht auf die gezeigte Variante beschränkt. Beide Widerstandsthermometer sind vertauschbar.
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Die Distanzstücke 4, 5 weisen ebenfalls mindestens zwei ebene Oberflächen 12, 13 auf. Die erste Oberfläche 12, 13 des Distanzstücks 4, 5, auf welcher die erste Oberfläche 14, 16 des Widerstandsthermometers 6, 7 angebracht wird, ist kongruent zu dieser ausgebildet. Erste Oberfläche 14, 16 des Widerstandsthermometers 6, 7 und erste Oberfläche 12, 13 des Distanzstücks 4, 5, auf welcher die erste Oberfläche 14, 16 des Widerstandsthermometers 6, 7 angebracht wird, bilden somit näherungsweise ein Positiv und ein Negativ. Gleichermaßen ist die Außenseite des jeweiligen Distanzstücks 4, 5 zur Innenseite 39, 40 der Hülse 18, 19 ein Negativ. Ist also die Innenseite 39, 40 der Hülse 18, 19 rohrförmig, ist die Außenseite des Distanzstücks 4, 5 entsprechend gekrümmt. Sowohl die erste Oberfläche 14, 16 des Widerstandsthermometers 6, 7 und die erste ebene Fläche 12, 13 des Distanzstücks 4, 5 stehen in engem Kontakt, als auch die Außenseite des Distanzstücks 4, 5 und die Innenseite 39, 40 der Hülse 18, 19 stehen in engem Kontakt.
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Durch die Montage der Widerstandsthermometer 6, 7 durch das jeweilige zweite Ende 34, 36 der Hülse 18, 19 ist die Lage der Widerstandsthermometer 6, 7 in der Hülse 18, 19 zum Messmedium hin reproduzierbar. Das Distanzstück 4, 5 gewährleistet einen vorgegebenen Abstand zwischen dem Widerstandsthermometer 6, 7 und dem zweiten Ende 34, 36 der Hülse 18, 19 und/oder zur Innenfläche 39, 40 der Hülse 18, 19. Die Hülsen 18, 19 sind hier stiftförmig skizziert, eine Hülse, welche eine Biegung aufweist, ist hier nicht veranschaulicht.
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Der Stopfen 37 weist an seinem ersten Ende eine Fase 46 auf, um in die Hülse 19 eingeschoben werden zu können.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Distanzstück 4 dreidimensional. Das Distanzstück 4 ist hier im Wesentlichen zylinderförmig mit einer nicht dargestellten Längsachse und einem kreisförmigen Schnitt quer zur Längsachse. Eine erste Ausnehmung 8 im Distanzstück 4 verläuft parallel zur Längsachse des Distanzstücks 4 und weist einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die erste Ausnehmung 8 ist hier durchgehend durch die gesamte Längsausdehnung des Distanzstücks 4. Insgesamt weist das Distanzstück 4, aufgrund des rechteckigen Querschnitts der Ausnehmung 8, vier ebene Flächen auf, welche der Ausnehmung 8 zugewandt sind.
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In der ersten Ausnehmung 8 ist ein Dünnfilm-Widerstandsthermometer 6 eingeführt. Der Dünnfilm-Widerstandsthermometer 6 weist eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche 15 auf. Er ist mit seiner ersten Oberfläche auf der ersten ebenen Fläche 12 des Distanzstücks 4 angelötet, welche somit mit dem Widerstandsthermometer 6 in thermischem Kontakt steht.
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Zu dieser ersten ebenen Fläche 12 steht eine zweite Ausnehmung 9 des Distanzstücks senkrecht, d. h. eine zweite Bohrung 9 im Distanzstück 4 hat eine Bohrungslängsachse senkrecht zur ersten ebenen Fläche 12 des Distanzstücks 4. Durch diese zweite Ausnehmung 9 wird bei der Montage ein hier stiftförmiger Niederhalter geführt, welcher das Dünnfilm-Widerstandsthermometer 6 auf dessen zweiter Oberfläche 15 berührt und der dieses mit einer Kraft in Richtung der ersten ebenen Fläche 12 auf die erste ebene Fläche 12 drückt, da zum Anlöten des Dünnfilm-Widerstandsthermometers (TFRTD) ein gewisser Druck auf diesen in Richtung der Innenwand des Distanzstücks nötig ist. Dabei ist zwischen erster ebenen Fläche 12 des Distanzstücks 4 und erster Oberfläche des Dünnfilm-Widerstandsthermometers 6 eine Lotschicht angebracht, mittels derer der Dünnfilm-Widerstandsthermometers 6 am Distanzstück 4 befestigt wird. Nach der Montage kann der Niederhalter wieder entfernt werden und die zweite Ausnehmung 9 wird mit einem hier stiftförmigen Vollkörper gefüllt, der beispielsweise aus dem gleichen Material hergestellt ist, wie das Distanzstück 4 selbst, oder die zweite Ausnehmung 9 wird, wie der Freiraum zwischen der zweiten Oberfläche 15 des Dünnfilm-Widerstandsthermometers 6 und des Distanzstücks 4, welcher mit Füllmaterial aufgefüllt werden kann, ebenfalls mit diesem Füllmaterial gefüllt. Auf die Darstellung des Füllmaterials, wie auch auf die Darstellung der Kabel, welche die Widerstandsthermometer 6 und 7 elektrisch, insbesondere über eine Zugentlastung, kontaktieren, wurde hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Hier besteht das Füllmaterial aus einem thermisch sehr leitfähigen Werkstoff.
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Wird das Distanzstück 4 in eine Hülse eingeschoben, wobei das Distanzstück 4 und die Hülse eine Presspassung eingehen, ist das Distanzstück 4 angefast. Das Distanzstück 4 weist eine erste Fase 29 auf der Seite auf, die zum ersten Ende der Hülse zeigt, wenn es durch ein zweites offenes Ende der Hülse in die Hülse eingeführt wird. Eine weitere Fase 30 erleichtert das Einführen des Dünnfilm-Widerstandsthermometers 6 in die erste Ausnehmung 8.
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3 zeigt zwei verschiedene Sensoren 2, 3 für ein thermisches Durchflussmessgerät. Diese unterscheiden sich durch die unterschiedlichen Distanzstücke 4 und 5, welche in den Sensoren 2 und 3 verbaut sind. Zusätzlich sind die Kabel 41 zur Kontaktierung der Widerstandsthermometer 6, 7 zu sehen, wie diese aus den ersten offenen Enden 33 und 35 der Hülsen 18, 19 herausgeführt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Thermisches Durchflussmessgerät
- 2
- Erster Sensor
- 3
- Zweiter Sensor
- 4
- Erstes Distanzstück
- 5
- Zweites Distanzstück
- 6
- Erster Widerstandsthermometer
- 7
- Zweiter Widerstandsthermometer
- 8
- Erste Ausnehmung des ersten Distanzstücks
- 9
- Zweite Ausnehmung des ersten Distanzstücks
- 10
- Erste Ausnehmung des zweiten Distanzstücks
- 11
- Zweite Ausnehmung des zweiten Distanzstücks
- 12
- Erste ebene Fläche des ersten Distanzstücks
- 13
- Erste ebene Fläche des zweiten Distanzstücks
- 14
- Erste Oberfläche des ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometers
- 15
- Zweite Oberfläche des ersten Dünnfilm-Widerstandsthermometers
- 16
- Erste Oberfläche des zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometers
- 17
- Zweite Oberfläche des zweiten Dünnfilm-Widerstandsthermometers
- 18
- Erste Hülse
- 19
- Zweite Hülse
- 20
- Sensorhalter
- 21
- Niederhalter
- 22
- Füllmaterial
- 23
- Längsachse des ersten Distanzstücks
- 24
- Längsachse des zweiten Distanzstücks
- 25
- Längsachse der ersten Ausnehmung des ersten Distanzstücks
- 26
- Längsachse der ersten Ausnehmung des zweiten Distanzstücks
- 27
- Längsachse der zweiten Ausnehmung des ersten Distanzstücks
- 28
- Längsachse der zweiten Ausnehmung des zweiten Distanzstücks
- 29
- Erste Fase des ersten Distanzstücks
- 30
- Zweite Fase des ersten Distanzstücks
- 31
- Erste Fase des zweiten Distanzstücks
- 32
- Zweite Fase des zweiten Distanzstücks
- 33
- Erstes offenes Ende der ersten Hülse
- 34
- Zweites offenes Ende der ersten Hülse
- 35
- Erstes offenes Ende der zweiten Hülse
- 36
- Zweites offenes Ende der zweiten Hülse
- 37
- Erster Stopfen
- 38
- Zweiter Stopfen
- 39
- Innenseite der ersten Hülse
- 40
- Innenseite der zweiten Hülse
- 41
- Kabel
- 42
- Erstes Ende der ersten Stopfens
- 43
- Erstes Ende der zweiten Stopfens
- 44
- Zweites Ende der ersten Stopfens
- 45
- Zweites Ende der zweiten Stopfens
- 46
- Erste Fase des ersten Stopfens
- 47
- Erste Fase des zweiten Stopfens
- 48
- Zugentlastung
- 49
- Längsachse der ersten stiftförmigen Hülse
- 50
- Längsachse der zweiten stiftförmigen Hülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6971274 [0008]
- US 7197953 [0008]
- EP 2009/052942 [0009]
