-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor eines thermischen Durchflussmessgeräts mit mindestens einer Hülse, mit einem ersten offenen Ende, welches in einem Sensorhalter befestigt ist, und zumindest einem Widerstandsthermometer, welcher in die Hülse eingeführt ist, wobei Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers aus dem ersten offenen Ende der Hülse aus der Hülse herausgeführt sind.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Die
WO 2006/018366 A3 zeigt einen Sensor eines thermischen Durchflussmessgeräts mit einer Hülse und einem in der Hülse angeordneten Widerstandsthermometer. Zwischen der Innenwandung des Teilbereichs der Hülse, welcher dem Messmedium zugewandt ist, und dem Widerstandsthermometer ist beispielsweise ein Füllmaterial mit guter thermischer Leitfähigkeit angeordnet und ansonsten ist die Hülse mit einem Füllmaterial gefüllt, was eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweist. Bei den Füllmaterialen handelt es sich beispielsweise um Vergüsse. Auch bekannt sind geschlossenporige Vergüsse, beispielsweise Polyurethan mit eingebetteten Luftblasen. Da sich die bekannten Stoffe relativ stark mit zunehmender Temperatur ausdehnen wollen, können große Spannungen im Widerstandsthermometer oder anderen Bauteilen entstehen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät bereits zu stellen, welcher über einen großen Temperaturbereich prozesssicher messen kann.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät, mit mindestens einer, insbesondere rohrförmigen, Hülse, mit einem ersten offenen Ende, welches erste offene Ende in einem Sensorhalter befestigt ist, und mit zumindest einem Widerstandsthermometer, welcher in die Hülse eingeführt ist, welcher also im Innern der Hülse platziert ist, wobei Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers aus dem ersten offenen Ende der Hülse aus der Hülse herausgeführt sind, wobei die Hülse zumindest teilweise mit einem Verbundwerkstoff als Füllmaterial ausgefüllt ist.
-
Allgemein wird zwischen Teilchen-Verbundwerkstoffen, Faser-Verbundwerkstoffen, Schicht-Verbundwerkstoffen und Durchdringungs-Verbundwerkstoffen unterschieden. Werden die Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers beispielsweise in Epoxidharz vergossen, können diese durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Vergussmasse und Kabeln reißen, brechen oder anderen Schaden nehmen aufgrund induzierter mechanischer Spannungen.
-
Eine erste Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors sieht vor, dass die Matrix des Verbundwerkstoffs aus einem Epoxid besteht. Alternative Matrices bestehen z. B. aus Silikonen.
-
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind Keramik- oder Glas-Kugeln in die Matrix des Verbundwerkstoffs eingebettet oder es sind Keramik- oder Glas-Fasern in die Matrix des Verbundwerkstoffs eingebettet. Alternative Materialien für Kugeln oder Fasern sind z. B. PEEK oder PVX. Die Kugeln sind beispielsweise maschinell hergestellt und daher nicht immer kugelförmig. Auch nichtkugelförmige Partikel aus Glas oder Keramik sind damit umfasst.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die Fasern eine Vorzugsrichtung parallel zur Längsachse der Hülse auf.
-
Die Fasern werden in einem Herstellungsschritt ausgerichtet. Da im Herstellungsprozess beispielsweise auch Fasern brechen können, weisen diese dann nicht mehr unbedingt die Vorzugsrichtung auf. Das betrifft aber nur einen kleinen Teil der Fasern. Weitere Einflüsse können dazu führen, dass einige Fasern statistisch verteilt in der Matrix eingebettet sind. Im Allgemeinen sind die Fasern jedoch ausgerichtet – sie weisen eine Vorzugsrichtung auf.
-
Bei einem weiteren weitergebildeten erfindungsgemäßen Sensor sind die Kabel zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Hülse aus der Hülse herausgeführt und/oder sie sind in Hohlfasern geführt.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs kleiner 2 W/(mK), oder gar kleiner 0.2 W/(mK).
-
Insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit der Matrix kleiner 2 W/(mK), oder gar kleiner 0.2 W/(mK) und/oder die Wärmeleitfähigkeit der eingebetteten Kugeln oder Faser ist kleiner 30 W/(mK) oder gar kleiner 3 W/(mK). Die Wärmeleitfähigkeit der Hülse beträgt im Vergleich beispielsweise meist weniger als 1 W/(mK).
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs quer zur Längsachse der Hülse kleiner 10·10–6/K, oder gar kleiner 5·10–6/K.
-
Faserverbundwerkstoffe sind meist anisotrope Werkstoffe mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten längs und quer zu den Fasern. Daher wird hier nur der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs quer zur Längsachse der Hülse angegeben. Insbesondere ist der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der Matrix kleiner 150·10–6/K, oder gar kleiner 50·10–6/K und/oder der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient der eingebetteten Kugeln oder Faser ist kleiner 10·10–6/K oder gar kleiner 5·10–6/K. Im Allgemeinen wird zwischen der linearen Wärmeausdehnung, der Längenausdehnung, und der Volumen- bzw. Raumausdehnung unterschieden.
-
In einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors weisen die in der Matrix eingebetteten Kugeln oder Fasern einen maximalen Außendurchmesser von 0,5 mm auf. Insbesondere sind Kugeln oder Fasern mit einem Außendurchmesser von höchstens 0,25 mm in die Matrix eingebettet. Der Mindestaußendurchmesser beträgt z. B. 0,05 mm. Die Länge der Fasern ist natürlich abhängig von der Länge der Hülse, z. B. beträgt diese bis zu 50 mm, oder gar nur bis zu 25 mm.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung beträgt das von den Kugeln oder den Fasern in der Matrix eingenommene Raumvolumen höchstens 70% des Volumens des gesamten Füllmaterials. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt das von den Fasern oder Kugeln eingenommene Volumen mehr als 10% des Volumens des Füllmaterials.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr mit einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor, wobei der erste Sensor eine erste Hülse aufweist, welche in einem Sensorhalter befestigt ist, und ein erstes Widerstandsthermometer, und wobei der zweite Sensor eine zweite Hülse aufweist, welche im Sensorhalter befestigt ist, und ein zweites Widerstandsthermometer, wobei zumindest das erste Widerstandsthermometer beheizbar ausgestaltet ist, wobei zumindest einer der beiden Sensoren, z. B. der erste Sensor, ein erfindungsgemäßer Sensor ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Sensor ein erfindungsgemäßer Sensor. Auch beide Sensoren können erfindungsgemäße Sensoren sein.
-
In einem Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Sensors wird der Verbundwerkstoff als Füllmaterial in die Hülse nach dem Einbringen des Widerstandsthermometers in die Hülse eingebracht. Der Verbundwerkstoff besteht dabei aus einer fließfähigen Matrix und darin eingebetteten Kugeln, wobei der Verbundwerkstoff in die Hülse durch ihr erstes offenes Ende eingefüllt wird oder der Verbundwerkstoff besteht dabei aus einer fließfähigen Matrix und darin eingebetteten Fasern, wobei zuerst die Fasern in die Hülse durch ihr erstes offenes Ende unter einer Vorzugsrichtung eingestellt werden und anschließend die Matrix eingefüllt wird.
-
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.
-
1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit Glaskugeln in einer Matrix eingebettet,
-
2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Glasfaser als Stützhülse in einer Matrix eingebettet.
-
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät mit in einer Matrix 2 eingebetteten Glaskugeln 3 im Schnitt quer zur Längsachse der Hülse 1 dargestellt. Anstatt den Glaskugeln 3 können auch Fasern aus Glas oder Keramik in die Matrix 2 eingebettet sein. Diese würden in diesem skizzierten Querschnitt identisch aussehen, wenn diese parallel zur Längsachse der Hülse 1 in der Matrix eingebettet wären. Die Kabel 5 verlaufen in dieser Figur ebenfalls näherungsweise parallel zur Längsachse der Hülse 1. Sie werden aus dem hier nicht dargestellten ersten offenen Ende der Hülse 1 herausgeführt.
-
2 offenbart einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Hohlfaser 4 in einer Matrix 2 eingebettet, wobei die Kabel 5 zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandsthermometers in der Hohlfaser 4 geführt sind. Anstatt der einzelnen Hohlfaser 4 in diesem Ausführungsbeispiel, ist jeweils eine Hohlfaser 4 um jedes Kabel 5 denkbar. Dann sind die Hohlfasern ca. 20 mm lang und weisen jeweils einen Außendurchmesser von beispielsweise ca. 1,5 mm auf. Der Innendurchmesser beträgt dann z. B. jeweils ca. 0,9 mm. So sind die Kabel 5 durch die Hohlfasern 4 geschützt. Zwischen der oder den Hohlfasern 4 und der Hülse 1 können weitere Fasern oder Kugeln in der Matrix 2 erfindungsgemäß eingebettet sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hülse
- 2
- Matrix des Füllmaterials
- 3
- Kugeln oder Fasern
- 4
- Hohlfaser
- 5
- Kabel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 6971274 [0008]
- US 7197953 [0008]
- WO 2006/018366 A3 [0009]
