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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Distanzstück für ein thermisches Durchflussmessgerät mit einer Auflagefläche für ein Dünnfilm-Widerstandsthermometer und zwei, eine erste Breite dieser Auflagefläche begrenzende Wände.
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Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete Temperatursensoren, die in, meist stiftförmigen, Metallhülsen, so genannten 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 so genannter 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 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-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
DE 10 2009 028 848 A1 zeigt nun die Distanzbuchse mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Dünnfilm-Widerstandsthermometers, welche Ausnehmung jedoch so bemessen ist, dass das Dünnfilm-Widerstandsthermometer an einer ersten Oberfläche der Distanzbuchse anlötbar ist, wobei es zu einer zweiten Oberfläche, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt, einen Abstand aufweist, welcher groß genug ist, um Füllmaterial zwischen Dünnfilm-Widerstandsthermometer und zweiter Oberfläche in die Distanzbuchse einzubringen. Die Distanzbuchse weist dabei ein Loch in der Wand der zweiten Oberfläche auf, um das Dünnfilm-Widerstandsthermometer durch das Loch mittels eines Niederhalters auf die erste Oberfläche der Distanzbuchse während des Lötverfahrensschritts anzudrücken.
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Die
WO 2009/115452 A2 zeigt ein Distanzstück, welches statt einer Ausnehmung in Form einer Bohrung eine Ausnehmung in Form einer Nut aufweist, wobei das Dünnfilm-Widerstandsthermometer am Nutgrund anlötbar ist. Da auch dieses Distanzstück in eine Stifthülse eingepresst wird, können auch zu eng stehende Nutflanken zu Spannungen im Dünnfilm-Widerstandsthermometer führen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Distanzstück für ein thermisches Durchflussmessgerät zur kostengünstigen Herstellung des thermischen Durchflussmessgeräts vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 11. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche wider.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen hier kurz anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert werden. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Distanzstück in einer ersten Ausgestaltung,
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Distanzstück in einer zweiten Ausgestaltung,
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Distanzstück in einer dritten Ausgestaltung,
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4 zeigt ein Distanzstück mit einer geneigten Auflagefläche.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Distanzstück 1 für ein thermisches Durchflussmessgerät in Vorderansicht, Draufsicht und perspektivisch dargestellt. Das Distanzstück 1 weist eine Nut längs seiner Längsachse 6 auf. Der Nutgrund bildet eine Auflagefläche 2 für ein Dünnfilm-Widerstandsthermometer. Die Nutflanken sind durch die Wände 3 des Distanzstücks 1 gebildet. Die Wände 3 weisen zwei unterschiedliche Abstände zueinander auf. In einem ersten Bereich weisen die Wände 3 einen ersten Abstand zueinander auf und in einem zweiten Bereich weisen sie einen zweiten Abstand zueinander auf. Da die Wände 3 die Auflagefläche 2 in diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge des Distanzstücks 1 in ihrer Breite begrenzen, weist somit die Auflagefläche 2 im ersten Bereich eine erste Breite 4 auf und im zweiten Bereich eine zweite 5, wobei erfindungsgemäß die erste Breite 4 der Auflagefläche 2 kleiner ist als eine zweite Breite 5 der Auflagefläche 2.
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Die erste Breite 4 der Auflagefläche 2 ist dabei gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zumindest 15%, insbesondere mindestens 20% kleiner ist als eine zweite Breite 5 der Auflagefläche 2. Da hier die Abstände der Wände der Breite der Auflagefläche 2 entsprechen, weisen die Wände 3 im Bereich der zweiten Breite 4 einen, hier um mindestens 15%, insbesondere um mindestens 20%, größeren Abstand zueinander auf, als im Bereich der ersten Breite 5.
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Ein thermisches Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Distanzstück 1 weist ein, hier nicht dargestelltes, auf der Auflagefläche 2 des Distanzstücks 1 angeordnetes Dünnfilm-Widerstandsthermometer auf. Das Dünnfilm-Widerstandsthermometer teilt sich dabei in zwei Bereiche auf. Einen Messbereich und einen Anschlussbereich. Im Messbereich ist ein meist mäanderförmiger Platindraht angeordnet, im Anschlussbereich sind meist zwei Anschlusspads zum elektrischen Verbinden des Dünnfilm-Widerstandsthermometers mit einer Spannungsmessgerät und/oder einer Strom- oder Spannungsquelle zum Heizen.
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Erfindungsgemäß ist das Dünnfilm-Widerstandsthermometer so auf der Auflagefläche 2 angeordnet, dass im Bereich der Anschlusskabel am Dünnfilm-Widerstandsthermometer, also im Anschlussbereich, die Auflagefläche die zweite Breite 5 aufweist. Wobei der Messbereich im ersten Bereich des Distanzstücks 1 mit der ersten Breite 4 angeordnet ist.
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Das Distanzstück 2 ist zum Dünnfilm-Widerstandsthermometer so ausgestaltet, dass die zweite Breite 5 der Auflagefläche 2 zumindest 40% größer ist, insbesondere zumindest 60% größer, als eine Breite des Dünnfilm-Widerstandsthermometers an derselben Stelle, also insbesondere im Anschlussbereich der Kabel des Dünnfilm-Widerstandsthermometers. Hier ist also der Abstand der Wände 3 entsprechend größer als die Breite des Dünnfilm-Widerstandsthermometers.
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Dies bedingt den technischen Effekt, dass Lot zwischen Auflagefläche und Dünnfilm-Widerstandsthermometer, nicht während des Lötens zwischen dem Dünnfilm-Widerstandsthermometer und den Wänden 3 hervortreten und sich auf das Dünnfilm-Widerstandsthermometer, insbesondere im Anschlussbereich, niederlegen kann, wo es zu Kurzschlüssen führen kann. Die Wände im ersten Bereich halten das Dünnfilm-Widerstandsthermometer jedoch in vorgegebener Position. Ein Aufschwimmen des Dünnfilm-Widerstandsthermometers ist somit unkritisch.
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Darüber hinaus werden beim Einpressvorgang des Distanzstücks in eine Stifthülse mechanische Spannungen in dem Distanzstück hervorgerufen, welche sich bei einem erfindungsgemäßen Distanzstück in vorgegebenen Grenzen halten und somit nicht zur Beschädigung des Dünnfilm-Widerstandsthermometers führen.
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Durch eine wesentlich verringerte Ausfallrate, bedingt durch die mechanischen Spannungen und Lot im Anschlussbereich der Kabel, ist das thermische Durchflussmessgerät kostengünstig herzustellen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die erste Breite der Auflagefläche, also insbesondere der Abstand der Wände 3 im ersten Bereich, höchstens 115%, insbesondere höchstens 105% der Breite des Dünnfilm-Widerstandsthermometers an derselben Stelle, hier entsprechend des Messbereichs des Dünnfilm-Widerstandsthermometers.
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Hergestellt wird ein thermisches Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Distanzstück beispielsweise, indem Lot zwischen Dünnfilm-Widerstandsthermometer und Auflagefläche des Distanzstücks aufgebracht wird, und das Dünnfilm-Widerstandsthermometer so auf der Auflagefläche des Distanzstücks ausgerichtet wird, dass ein beidseitiger Abstand des Dünnfilm-Widerstandsthermometers im Bereich der Anschlusskabel an dem Dünnfilm-Widerstandsthermometer zu den Grenzen der Auflagefläche des Distanzstücks mindestens 20% der Breite des Dünnfilm-Widerstandsthermometers an derselben Stelle beträgt.
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Anschließend wird das Dünnfilm-Widerstandsthermometer auf die Auflagefläche des Distanzstücks gelötet. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Distanzstück mit dem angelöteten Dünnfilm-Widerstandsthermometer in eine Hülse, insbesondere eine Stifthülse, eingeführt, insbesondere mit dieser verpresst.
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Der Übergang von erster Breite 4 zu zweiter Breite 5 erfolgt hier über einen Radius. Es sind jedoch weitere Varianten einem Fachmann nahe liegend. Nachfolgend soll in 2 nur eine davon vorgestellt werden.
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Gemäß 2 weist das Distanzstück 1 zwischen der ersten Breite 4 und der zweiten Breite 5 ein keilförmiges Zwischenstück auf.
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3 zeigt eine technische Zeichnung des Distanzstücks 1 in einer weiteren Ausgestaltung. Das Distanzstück 1 weist im zweiten Bereich keine Wände auf, welche die Auflagefläche 2 begrenzen. Auch hier entspricht der Abstand der Wände der ersten Breite 4 der Auflagefläche 2. Das Dünnfilm-Widerstandsthermometer würde entsprechend so auf der Auflagefläche angeordnet werden, dass das Distanzstück 1 im Bereich der Anschlusskabel an dem Dünnfilm-Widerstandsthermometer keine die zweite Breite 5 der Auflagefläche 2 begrenzende Wände aufweist.
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Alternativ zu den hier veranschaulichten Nuten, können die Wände auch eine Bohrung, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt, im Distanzstück begrenzen.
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4 zeigt ein Distanzstück 1 mit einer ebenen Auflagefläche 2 und einer ansonsten kreiszylindrischen Mantelfläche. Die Auflagefläche 2 ist zur Längsachse 6 des Distanzstücks geneigt. Die Längsachse 6 liegt dabei in einer gedachten Ebene, welche die Auflagefläche 2 senkrecht schneidet. Die Längsachse 6 des Distanzstücks 1 fällt darüber hinaus mit einer Längsachse eines Kreiszylinders mit einer Mantelfläche, welche mit der kreiszylindrischen Mantelfläche des Distanzstücks 2 zusammenfällt, zusammen.
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Als Vorteilhaft hat sich ein Neigungswinkel, welche von der Auflagefläche 2 und der Längsachse 6 des Distanzstücks 1 eingeschlossen wird, zwischen 5° und 30°, insbesondere zwischen 10° und 20° herausgestellt. Ein Vorteil ist, dass überschüssiges Lot in eine vorgegebene Richtung abfließen kann. Bei der Verwendung einer geneigten Auflagefläche ohne begrenzende Wände, würde das Dünnfilm-Widerstandsthermometer nicht durch die Wände in seiner Position gehalten. Um dieses Problem zu umgehen, ist natürlich eine Kombination aus Nut oder Bohrung und geneigter Auflagefläche vorteilhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Distanzstück eines thermischen Durchflussmessgeräts
- 2
- Auflagefläche des Distanzstücks für ein Dünnfilm-Widerstandsthermometer
- 3
- Wände des Distanzstücks
- 4
- Erste Breite der Auflagefläche
- 5
- Zweite Breite der Auflagefläche
- 5
- Längsachse des Distanzstücks
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6971274 [0008]
- US 7197953 [0008]
- DE 102009028848 A1 [0009]
- WO 2009/115452 A2 [0010]
