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Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die konstruktive Ausgestaltung von thermischen Durchflussmessgeräten ist an sich bekannt. Ausgehend von einem meist zylindrischen Hohlkörper mit einer Grundfläche erstrecken sich zumindest zwei zylindrische Stifthülsen in Richtung des Innenraumes eines Rohres. Diese Stifthülsen sind jedoch zumeist durch Schweißnähte mit dem zylindrischen Hohlkörper verbunden. Ein typisches Beispiel ist in der
DE 10 2010 061 731 A1 dargestellt und beschrieben.
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In der Praxis können Rohrleitungen von Prozessanlagen, in oder an welchen das thermische Durchflussmessgerät eingesetzt wird, betriebsbedingt schwingen bzw. vibrieren. Die Vibrationen des Rohres werden sodann auf das Sensorgehäuse übertragen, welches bei geringer Eigenfrequenz durch Eigenschwingungen einen Messfehler erzeugt. Dies tritt insbesondere bei Sensorgehäusen mit sehr langen Stifthülsen mit geringen Durchmessern auf.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung den schwingungsbedingten Messfehler des thermischen Durchflussmessgerätes zumindest zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein thermisches Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät umfasst einen Sensor mit einem metallischen Sensorgehäuse.
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Das metallische Sensorgehäuse weist einen Hohlkörper zum Anschluss an eine Einsteckvorrichtung und/oder eine Rohrwandung auf. Eine Einsteckvorrichtung kann z.B. ein Gestänge sein, an dessen Ende das vorgenannte Sensorgehäuse angeordnet ist. Dieses Gestänge wird sodann durch eine Öffnung, die zumeist im Schwerefeld am obersten Punkt eines Rohres angeordnet ist, in das Rohr eingeführt. Die zur Umwelt begrenzende Wandung des Sensorgehäuses ist somit teilweise oder vollständig einer im Rohr befindlichen Strömung eines Messmediums ausgesetzt. Alternativ zur Einsteckvorrichtung kann das metallische Sensorgehäuse auch direkt oder mittels einer Rohrverlängerung fest an einer Rohrwandung fixiert sein. Die Art der Festlegung des Sensorgehäuses bzw. des Hohlkörpers ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nur von nachrangiger Bedeutung.
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Der vorgenannte Hohlkörper weist eine Grundfläche auf. Diese Grundfläche kann beispielsweise eben oder gewölbt ausgebildet sein.
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Das Sensorgehäuse weist zumindest zwei Stifthülsen auf, welche ausgehend von der Grundfläche hervorstehen und im eingebauten Zustand vorzugsweise in den Innenbereich eines Rohres hineinragen. Die Stifthülsen können z.B. zylindrisch oder prismatisch ausgebildet sein.
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Eine jede der Stifthülsen weist einen ersten Abschnitt auf mit einer Stirnfläche und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand zur Längsachse d1 aufweist. Dieser maximale Abstand entspricht im Fall einer zylindrischen Stifthülse dem Radius. Im Fall einer prismatischen, z.B. 6- oder 8-eckigen Stifthülse entspricht der maximale Abstand dem Abstand eines Eckpunktes zur Längsachse in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse der Stifthülse.
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Die jeweilige Stifthülse weist einen weiteren Abschnitt auf, welcher vorzugsweise in die Grundfläche übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand zur Längsachse d2 aufweist. Bei einer kegelstumpfförmigen bzw. konischen Mantelfläche entspricht der maximale Abstand dem größten Radius der Mantelfläche, welcher üblicherweise zugleich die fiktive Grundfläche des Kegelstumpfes bildet. Diese Grundfläche ist selbstverständlich nicht existent, da die Hülse des Sensorgehäuses als durchgehend hohl zu verstehen ist, so dass ein Temperatursensor bei der Montage des thermischen Durchflussmessgerätes über den Hohlkörper und eine endständige Öffnung der Stifthülse in diese Stifthülse einführbar und bis in den ersten Abschnitt durchführbar ist bzw. eingefädelt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist dabei der maximale Abstand d2 der Mantelfläche des weiteren Abschnitts zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand d1 der Mantelfläche des ersten Abschnitts zur Längsachse der Stifthülse hin.
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Dies ist von Vorteil, da ein Temperatursensor und ein Heizer des thermischen Durchflussmessgerätes bei der Herstellung besser in die langen dünnen Stifthülsen einfädelbar sind.
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Ein wichtiger Aspekt ist zudem, dass durch die vorbeschriebenen gestufte Anordnung zumindest zweier oder mehrerer Abschnitte die Eigenfrequenz der Stifthülsen und des Sensorgehäuses insgesamt erhöht wird. Dadurch werden Messfehler verringert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
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Der erste Abschnitt kann vorteilhaft als eine zylindrische Mantelfläche aufweisen. Dadurch kann, verglichen zu einer kegelförmigen bzw. konischen Mantelfläche, eine besonders gute Anbindung eines Heizers und eines Temperatur an die Innenwandung der Stifthülse erfolgen. Die Anbindung kann bevorzugt durch eine Kupferbrücke erfolgen, wie dies beispielsweise
DE 10 2008 015 359 A1 beschrieben wird.
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Damit die einzelnen Sensorelemente besonders gut thermisch entkoppelt sind und auch nur geringe Strömungsverwirbelungen erzeugen, ist es von Vorteil, wenn der maximale Innendurchmesser des ersten Abschnitts kleiner oder gleich 4 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, ist. Gerade bei diesen geringen Durchmessern treten bei nicht-gestuften Stifthülsen jedoch tiefere Eigenfrequenzen auf. Diesen Eigenfrequenzen werden durch die gestufte Form der erfindungsgemäßen Stiftröhrchen vorteilhaftheraufgesetzt.
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Jede der Stifthülsen weist vorteilhaft jeweils einen endständigen Abschnitt mit einer mediumsberührenden Stirnfläche auf. In der ersten Stifthülse, insbesondere in dem endständigen Abschnitt dieser Stifthülse, ist ein Heizer angeordnet und in der zweiten Stifthülse, insbesondere in dem endständigen Abschnitt dieser Stifthülse, ist ein Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet. Freilich können auch ein weiterer Heizer und/oder ein weiterer Temperatursensoren einer jeweiligen Stifthülse angeordnet sein. Der Heizer und der Temperatursensor dienen typischerweise der Durchflussmessung.
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Es ist von Vorteil, wenn der weitere Abschnitt der Stifthülse eine kegelstumpfförmige Mantelfläche aufweist. Durch die kegelförmige Ausgestaltung des zum Hohlkörper hin angeordneten Abschnitts wird zusätzlich die Eigenfrequenz der Stifthülse erhöht.
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Es ist von Vorteil, wenn jede der Stifthülsen zumindest in dem endständigen Abschnitt eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1–0,4 mm, aufweist. Die geringe Wandstärke ermöglicht eine sehr direkte und schnelle Wärmeübertragung an das Messmedium. Dadurch werden schnelle Ansprechzeiten des Sensors bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums ermöglicht, allerdings sinkt bei dünnen Stifthülsen auch zusätzlich die Eigenfrequenz der Stifthülse. Dies wird durch die gestufte Form der erfindungsgemäßen Stifthülse jedoch kompensiert.
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Die Wandstärke variiert vorteilhaft zumindest im Bereich des endständigen Abschnitts um weniger als 20%, vorzugsweise um weniger als 10%. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung entlang der Stifthülse erreicht.
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Für eine Druckstabilität und chemische Stabilität ist es von Vorteil, wenn das Sensorgehäuse aus Stahl und/oder Titan besteht.
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Das metallische Sensorgehäuse kann einstückig ausgebildet sein und die Stifthülsen und der Hohlkörper können nahtfrei, insbesondere schweißnahtfrei, miteinander verbunden sein, wobei das Sensorgehäuse besonders bevorzugt als ein monolithisches Bauteil ausgebildet ist. Nahtfrei bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung, dass weder eine Schweißnaht noch eine Klebe- oder Lötnaht als Verbindung zwischen den Stifthülsen und dem Hohlkörper vorhanden ist. Bei verschweißten Stifthülsen ändern sich die Wärmeübergänge mit der Temperatur, was bei einem größeren Temperaturwechsel zu einem Messfehler führen kann, dies wird bei dieser Ausführungsvariante jedoch vorteilhaft vermieden.
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Es ist insbesondere von Vorteil, wenn das metallische Sensorgehäuse als ein monolithisches Bauteil ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Sensorgehäuse aus komplett einem Material gefertigt ist. Zwar sind durch generative Fertigungsverfahren auch Kombinationen aus mehreren Metallen oder Metalllegierungen, z.B. Stahl und Titan, realisierbar, diese sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst, jedoch gegenüber einer monolithischen Ausführung nicht bevorzugt.
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Es ist von Vorteil, wenn zumindest der endständige Abschnitt der Stifthülse eine zylindrische Mantelfläche aufweist mit einem Durchmesser und dass sich der endständige Abschnitt über eine Länge erstreckt, wobei das Verhältnis größer oder gleich fünf, vorzugsweise größer oder gleich sieben, ist.
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Um das thermische Durchflussmessgerät um weitere Funktionalitäten, z.B. Sensordrifterkennung und/oder Richtungserkennung, zu ergänzen, weist das Sensorgehäuse vorteilhaft zumindest eine dritte Stifthülse und/oder ein Strömungshindernis auf, welche vorzugsweise parallel zur ersten und/oder zweiten Stifthülse verlaufen.
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Zur Erhöhung der Eigenfrequenz ist es von Vorteil, wenn die dritte Stifthülse eine Längsachse und eine endständige Stirnfläche aufweist,
wobei die dritte Stifthülse einen ersten Abschnitt aufweist mit der Stirnfläche und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand zur Längsachse d1 aufweist,
und dass die Stirnfläche einen weiteren Abschnitt aufweist, welcher in die Grundfläche übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand zur Längsachse d2 aufweist,
wobei der maximale Abstand d2 der Mantelfläche des weiteren Abschnitts zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand d1 der Mantelfläche des ersten Abschnitts zur Längsachse der Stifthülse hin.
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Die Länge des endständigen Abschnitts kann vorteilhaft zumindest 2 mm, vorzugsweise 3–10 mm, und die Gesamtlänge einer Stifthülse zumindest 10 mm betragen.
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Das Sensorgehäuse des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes kann mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, vorzugsweise mittels eines Strahlschmelzverfahrens hergestellt werden. Zwar sind entsprechende Sensorgehäuse auch über andere Fertigungsverfahren, so z.B. durch Urformverfahren, insbesondere durch das Metal Injection Molding realisierbar, allerdings hat sich gezeigt, dass besonders gute Fertigungstoleranzen und besonders dünnwandige Bauteile mit den vorgenannten bevorzugten Fertigungsverfahren erreichbar sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese Beschreibung und die Figuren sind exemplarisch zu verstehen und in keinster Weise einschränkend für den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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1 Perspektivdarstellung eines Sensorgehäuses eines erfindungsgemäßen thermischen Durchflusssensors; und
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2 Schnittansicht des Sensorgehäuses der 1; und
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2a geschnittene Draufsicht des Sensorgehäuses der 1.
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Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete beheizbare Widerstandsthermometer, die in, meist stiftförmigen Metallhülsen, sog. Stingers oder in zylindrischen Metallhülsen 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 Widerstandsthermometer üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Widerstandsthermometer können aber auch direkt in der Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Widerstandsthermometer ist ein sogenanntes aktives Sensorelement, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Widerstandsthermometer 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. Im Bereich der thermischen Durchflussmessung wird das aktive Sensorelement auch oft Heizer genannt. Bei dem zweiten Widerstandsthermometer handelt es sich um ein sog. passives Sensorelement: Es misst die Temperatur des Mediums.
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Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät ein beheizbares Widerstandsthermometer so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometer 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 Widerstandsthermometers wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als das beheizte Widerstandsthermometer, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Widerstandsthermometer abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Widerstandsthermometer erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung. Die Heizleistung kann durch einen sogenannten Leistungskoeffizienten PC beschrieben werden.
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Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern. 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 Widerstandsthermometers 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-switch', 't-trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
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In 1, 2 und 2a ist eine besondere Variante eines thermischen Durchflussmessgerätes näher dargestellt. Dabei erkennt man insbesondere das Gehäuse eines Messaufnehmers eines thermischen Durchflussmessgerätes, welches nachfolgend als Sensorgehäuse 1 bezeichnet wird. Dieses Gehäuse ist aus Metall und kann als Einstecksensor ausgebildet sein oder fest, ggf. mit einem Zwischenstück, an der Innenwandung eines Messrohres festgelegt sein.
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Zusätzlich zum Messaufnehmer weist das thermische Durchflussmessgerät selbstverständlich auch eine Auswerteeinheit auf, welche jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist.
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Das nachfolgend beschriebene Sensorgehäuse 1 eines Messaufnehmers stellt lediglich eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung dar und ist keineswegs beschränkend für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verstehen.
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Das Sensorgehäuse 1 weist einen Hohlkörper 2 auf, welcher direkt oder durch ein Zwischenstück an einer Halterung einer Einsteckvorrichtung, z.B. einer Einsteckstange, oder an einem Messrohr festgelegt werden kann.
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Der Hohlkörper 2 weist eine plattenförmige Grundfläche 11 auf, ausgehend von welcher zumindest zwei, eine erste und eine zweite, Stifthülsen 3a und 3b in das Lumen, also das Innere eines Rohres, beispielsweise des Messrohres, hineinragen.
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Der Hohlkörper 2 ist in der Ausführungsvariante der 1 und 2 kegelstumpfförmig dargestellt. Er kann allerdings auch eine andere Form, z.B. zylindrisch oder pyramidenstumpfförmig, aufweisen.
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In 1, 2 und 2a sind insgesamt vier Stifthülsen dargestellt. Diese Variante ist bevorzugt, da mit dieser Gehäuseform mehrere Funktionalitäten, z.B. Drifterkennung und Richtungserkennung, in einem thermischen Durchflussmessgerät vorteilhaft konstruktiv vereinigt werden können.
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Zugleich zeigt die Ausführungsvariante der 1 und 2, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch kompliziertere Sensorgehäusevarianten realisierbar sind.
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Die vorliegende Erfindung kann in einer vereinfachten Ausführungsvariante auch lediglich die zwei Stifthülsen 3a und 3b aufweisen. Die Stifthülsen sind mit dem Hohlkörper einstückig und verbindungsnahtfrei, insbesondere im Verbindungsbereich 12, verbunden. Als Verbindungsnaht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißnaht, Klebenaht, Lötnaht und dergleichen zu verstehen. Besonders bevorzugt sind ist das Gehäuse, also die Gesamtheit aus Stifthülsen und Hohlkörper, monolithisch ausgebildet.
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Die erste und zweite Stifthülse 3a, 3b weisen jeweils eine mediumsberührende Stirnfläche 13 auf. Diese ist in 1 und 2 gewölbt, kann allerdings auch eben ausgebildet sein.
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Die Stifthülsen 3a und 3b können jeweils gestuft ausgebildet sein, wodurch ein besseres Einführen und Positionieren eines Heizelements und/oder eines Temperatursensors in der Stifthülse durch die endständige Öffnung auf der mediumsabgewandten Seite der Stifthülse erfolgen kann.
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Die geometrische Ausgestaltung einer jeweiligen Stifthülse 3a oder 3b ist dergestalt, dass ausgehend von der Stirnfläche 13 zunächst ein erster Abschnitt 8a mit zylindrischer Stifthülsenwandung und einem ersten kontinuierlichen Zylindermanteldurchmesser d1 folgt. Sodann folgt ein zweiter Abschnitt 8b mit einer zylindrischen Stifthülsenwandung und einem zweiten kontinuierlichen Zylindermanteldurchmesser d2.
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Alternativ kann auch der erste und/oder zweite Abschnitt eine konische Form aufweisen. In diesem Fall entspricht der Durchmesser d1 und/oder d2 einem gemittelten Wert.
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Der Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 8a und 8b ist nicht abrupt, sondern weist ein kontinuierliches Anwachsen des Durchmessers vom ersten Durchmesser d1 auf einen zweiten Durchmesser d2 auf. Es handelt sich bei einer entsprechenden Stufung 9 daher nicht um einen abrupten sondern einen allmählichen Wechsel des Durchmessers. Sodann geht die Stifthülse in einem Übergangsbereich 10 in einen dritten Abschnitt 8c über, welcher kegelstumpfförmig ausgebildet ist und bei welchem der Durchmesser d allmählich im Verlauf des Kegelstumpfs bis zu einem Übergangsbereich 7 zum Hohlkörper 2 allmählich anwächst. Die Stifthülsen 3a und 3b weisen eine Länge l1 von zumindest 10 mm aufweisen.
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Dem Abschnitt
8a ist gemäß der Definition der vorliegenden Erfindung die Stirnfläche
13 zugeordnet. In diesem Abschnitt
8a eines ersten der beiden Stifthülsen
3a und
3b ist ein nicht näher dargestelltes Heizelement bzw. ein Heizer angeordnet. Dies kann z.B. auch ein beheizbares Widerstandsthermometer sein. Das Heizelement muss nicht zwingend an der Stirnfläche oder Zylindermantelfläche der Stifthülse anliegen sondern kann vorzugsweise über eine Kupferbrücke mit der Wandung der Stifthülse thermisch gekoppelt sein. Gleiches gilt auch für die weiteren optionalen Stifthülsen. Eine entsprechende Anordnung und deren Vorteile sind in der
DE 10 2008 015 359 A1 im Detail beschrieben.
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Im Abschnitt 8a eines zweiten der beiden Stifthülsen 3a und 3b ist Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet. Dieser kann ebenfalls als beheizbares Widerstandsthermometer ausgebildet sein, wobei im Betrieb des thermischen Durchflussmessgerätes vorzugsweise jeweils eines der Widerstandsthermometer aktiv beheizt und eines der Widerstandsthermometer unbeheizt betrieben werden kann.
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Die Wandstärke der Stifthülsen 3a und 3b beträgt zumindest im Abschnitt 8a weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger oder gleich als 0,4 mm, insbesondere 0,1 bis 0,4 mm. Aufgrund der dünnen Wandstärke kann ein besonders günstiger Wärmeübergang erreicht werden.
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Die Länge l2 dieses Abschnitts 8a kann zumindest 2 mm, vorzugsweise jedoch 3–10 mm betragen.
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Das Verhältnis der Länge l2 zum Durchmesser d1 ist für den ersten Abschnitt 8a vorzugsweise größer als 5, besonders bevorzugt gleich oder größer als 7.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung beträgt das durchschnittliche Verhältnis l1/dMittelwert für die gesamte Stifthülse vorzugsweise größer als 4, wobei sich der Durchmesser immer auf die jeweilige Länge des Abschnitts der Stifthülse bezieht, in welchem der Durchmesser tatsächlich vorhanden ist. Im Falle eines Kegelstumpfes, wie in Abschnitt 8c, kann eine Mittelwertbildung der Durchmesser erfolgen.
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Das Gehäuse 2 ist aus Metall gefertigt. Als besonders bevorzugtes Metall kann Stahl genutzt werden. Alternativ kann, z.B. für stark-korrosive Medien, auch Titan oder Hastalloy als Wandungsmaterial genutzt werden.
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Zusätzlich kann das Gehäuse sodann noch mit einer metallischen Außenbeschichtung versehen werden, um ggf. die Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Medien zu erhöhen. Diese Außenbeschichtung zählt gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch nicht zum Gehäuse 2 sondern als zusätzlich auf das Gehäuse aufgebrachte Materiallage.
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Abweichend von der vorbeschriebenen Grundform für ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät weist die in 1 und 2 dargestellte Ausführungsvariante eine optionale Strömungsstörung 5 auf, welche als Stifthülse oder als Massivelement ausgebildet sein kann, sowie eine ebenfalls optionale dritte Stifthülse 4.
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Die Strömungsstörung 5 weist gegenüber den ersten beiden Stifthülsen 3a und 3b zumindest in einem Endbereich mit einer Stirnfläche eine andere geometrische Querschnittsform auf. Insbesondere ist der Endbereich mit der Stirnfläche prismatisch bzw. prismenförmig ausgebildet. In der Ausführungsvariante der 1 und 2 ist die Querschnittsform als ein Dreieck ausgebildet. Die Strömungsstörung 5 ist in der dargestellten ersten Strömungsrichtung D vor der dritten Stifthülse 5 angeordnet.
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Die erste und die zweite Sensorhülse bilden eine gemeinsame Verbindungsachse aus. Die erste Strömungsrichtung D ist derart definiert, dass sie in einem Winkel von 80–100° zu der Verbindungsachse, auf einer Ebene die senkrecht zu den Längsachsen der beiden vorgenannten Sensorhülsen verläuft und auf der die Verbindungsachse liegt, angeordnet ist. Das Messmedium in der ersten Strömungsrichtung trifft zunächst auf das Strömungshindernis 4. Das dritte Sensorelement 5 liegt teilweise oder vollständig im Strömungsschatten dieses Strömungshindernisses 4.
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Je nach Positionierung des Sensors in der Mediumsströmung kann es anstatt der ersten Strömungsrichtung D auch eine zweite in den Figuren nicht dargestellte Strömungsrichtung geben, welche zur ersten Strömungsrichtung D entgegengesetzt ist. In dieser Strömungsrichtung wird die dritte Stifthülse direkt angeströmt.
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Die derart angeordnete dritte Stifthülse 5, welche ebenfalls einen Heizer aufweist, kann zur Richtungserkennung genutzt werden.
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Das allgemeine Verfahren zur Strömungsrichtungserkennung ist in den Druckschriften
DE 10 2009 045 956 A1 und
DE 10 2010 040 285 A1 beschrieben, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen wird.
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Es erfolgt dabei die Ermittlung eines Entscheidungskoeffizienten DC auf Grundlage zweier Leistungskoeffizienten bzw. Powerkoeffizienten PC1 und PC2. Im vorliegenden Fall bezieht sich ein Leistungskoeffizient PC1 auf den Heizer in einer der Stifthülsen 3a oder 3b und ein zweiter Leistungskoeffizient auf den Heizer in der dritten Stifthülse 4. Der Entscheidungskoeffizient ermittelt sich wie folgt DC = (PC2 – PC1)/PC2. Durch Abgleich des Entscheidungskoeffizienten mit einem Grenzwert kann sodann entschieden werden, von welcher Richtung die Strömung D durch ein Rohr bzw. Messrohr fließt. Es ist klar, dass der Leistungskoeffizient des Heizers der dritten Stifthülse sich ändern wird, je nachdem ob sich die Stifthülse im Strömungsschatten des Strömungshindernisses 5 aufhält oder ob sie direkt angeströmt wird.
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Wie man aus 1 und 2 erkennt, weist die dritte Stifthülse 4 eine geringere Gesamtlänge l3 gegenüber der Gesamtlänge der ersten und zweiten Hülsen 3a und 3b auf. Die Hülse weist, analog zu den Stifthülse 3a, 3b eine Stirnfläche 13 auf, welche einem ersten zylindrischen Abschnitt 8a der Stifthülse 4 zugeordnet ist. An diesen ersten Abschnitt schließt sich ein dritter Abschnitt 8c an, welcher analog zu den Hülsen 3a und 3b kegelförmig ausgebildet ist. Ein zweiter zylinderischer Abschnitt 8b fehlt bei dieser Stifthülse. In dieser kürzeren vierten Stifthülse 4 ist ebenfalls ein Heizer, z.B. ein beheizbares Widerstandsthermometer, angeordnet. Zudem weist das Strömungshindernis 5 auch eine geringere Gesamtlänge l3 auf als die Gesamtlänge l1 der ersten und der zweiten Stifthülse 3a und 3b. Durch die unterschiedlichen Ebenen senkrecht zu den Längsachsen der Stifthülsen auf welchem die Heizer angeordnet sind, wird die Durchflussmessung durch die Richtungserkennung nicht beeinflusst.
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Es ist verständlich, dass die kürzere dritte Stifthülse 4 auch einen anderen Anschmutzungsgrad aufweist. Daher kann auch durch Verhältnisbildung z.B. der Leistungskoeffizienten des Heizers in der ersten oder zweiten Stifthülse 3a, 3b mit dem Heizer in der dritten Stifthülse 4 eine Einschätzung des Sensordrifts über die Betriebszeit des thermischen Durchflussmessgerätes getroffen werden. Ggf. kann eine Quantifizierung des Sensordrifts erfolgen und besonders bevorzugt Kompensation des Sensordrifts bei der Durchflussmessung erfolgen.
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Sofern das Strömungshindernis 5 als Sensorhülse genutzt wird, so kann auch in dieser Sensorhülse ein Heizer bzw. ein Heizelement, vorzugsweise ein beheizbares Widerstandsthermometer, eingesetzt werden. Bereits aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Form ist ein anderes Anschmutzungsverhalten dieser Stifthülse zu erwarten und damit ein anderer Sensordrift im Verlauf der Betriebsdauer des thermischen Durchflussmessgeräts. Beispielsweise durch Differenzbildung der Leistungskoeffizienten der verschiedenen Heizelemente kann verglichen werden, um wieviel Prozent die Differenzen während des Messbetriebes ändern, so dass ein Sensordrift noch zuverlässiger detektierbar und kompensierbar ist.
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Optional kann das Gehäuse 1 einen Bügel 6 aufweisen, welcher die Anordnung der ersten und der zweiten Stifthülse 3a, 3b, der optionalen vierten Stifthülse 4 und des stiftförmige Element 5 bogenförmig überspannt und mit dem Hohlkörper 2 vorzugsweise ebenfalls monolithisch und nahtfrei verbunden ist. Dieser Bügel dient vorzugsweise als strömungsführendes Element.
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Ein monolithisches Sensorgehäuse mit zumindest zwei entsprechend langen dünnwandigen Stifthülsen ist zudem eine fertigungstechnische Herausforderung. Mittels Feinguss sind entsprechende Strukturen in kosten- und zeitintensiver Weise fertigbar. Die verwendeten Metallmaterialien müssen zudem auch für den Guss geeigneten sein. Für einen gelungenen Feinguss müssen u.a. viele Aspekte wie die Abkühlungsgeschwindigkeit und ggf. Nachbearbeitungsschritte zur Oberflächenbearbeitung beachtet werden. Ähnliche Nachteile treten auch bei Urformverfahren, z.B. dem sogenannten Metal Injection Molding (MIM) auf, welches grundsätzlich auch im Rahmen der Erfindung zur Herstellung des Sensorgehäuses genutzt werden kann. Der besondere Vorteil des MIM-Verfahrens ist eine vergleichsweise hohe Fertigungsgeschwindigkeit.
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Besonders bevorzugt sind generative Fertigungsverfahren, wie Strahlschmelzverfahren. wie z.B. das selektives Laserschmelzen, welches auch als SLM-Verfahren bekannt ist, um einen derartigen Gegenstand mit entsprechend-dünner Wandstärke und entsprechender Länge der Stifthülsen zu fertigen.
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Beim SLM-Verfahren kann ein Metallpulver in einer dünnen Schicht auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Das Metallpulver wird sodann durch Laserstrahlung lokal vollständig geschmolzen und erstarrt zu einer festen Materialschicht in einer Schichtdicke von typischerweise 15–150 µm. Sodann wird die Oberfläche um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und eine neue Materialschicht aufgetragen. Auf diese Weise bildet sich allmählich das Gehäuse 1 des Messaufnehmers heraus. Materialspannungen und korrosionsanfällige Nahtstellen sind dabei nicht vorhanden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorgehäuse
- 2
- Hohlkörper
- 3a, 3b
- erste und zweite Stifthülse
- 4
- dritte Stifthülse
- 5
- Strömungsstörung
- 6
- Bügel
- 7
- Übergangsbereich
- 8a, 8b, 8c
- erster, zweiter und dritter Abschnitt
- 9
- Stufung
- 10
- Übergangsbereich
- 11
- Grundfläche
- 12
- Übergangsbereich
- 13
- Stirnfläche
- d1
- erster Durchmesser
- d2
- zweiter Durchmesser
- l1
- Gesamtlänge der ersten oder zweiten Stifthülse
- l2
- Länge des endständigen Abschnitts
- l3
- Länge der dritten Stifthülse
- D
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010061731 A1 [0002]
- DE 102008015359 A1 [0016, 0053]
- DE 102009045956 A1 [0066]
- DE 102010040285 A1 [0066]
