DE102019112688A1

DE102019112688A1 - Verfahren zur Herstellung einer Sonde eines thermischen Durchflussmessgeräts, Sonde eines thermischen Durchflussmessgeräts und thermisches Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102019112688A1
Application number: DE102019112688.6A
Authority: DE
Inventors: Hanno Schultheis; Alexander Grün; Mathieu Habert
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde (10) eines thermischen Durchflussmessgeräts (1) zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2),wobei ein Sondenkern (12) durch ein erstes offenes Ende einer Sondenhülse (11) in die Sondenhülse eingepresst wird,wobei der Sondenkern vor Einpressen einen Außendurchmesser aufweist, welcher größer ist als ein Innendurchmesser der Sondenhülse, wobei ein Übermaß kleiner ist als 0.05 Millimeter,wobei in einem Bereich eines zweiten offenen Endes der Hülse die Hülse ohne Sondenkern verbleibt,wobei nach Einpressen des Sondenkerns das zweite offene Ende mittels eines Sondenkopfs (15) beispielsweise durch Laserschweißen mediendicht verschlossen wird,wobei eine Außenseite (15.1) des Sondenkopfs insbesondere eine abgerundete Form wie beispielsweise eine Halbkugel- oder Halbellipsoidform aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr, eine solche Sonde und ein thermisches Durchflussmessgerät mit einer solchen Sonde.
Ein typisches thermisches Durchflussmessgerät weist Sonden auf, welche in ein Messrohr solcher Durchflussmessgeräte hineinragen und im Betrieb von einem Medium umströmt werden. Üblicherweise ist mindestens eine Sonde zum Erfassen einer Medientemperatur und mindestens eine Sonde zum Heizen des Mediums eingerichtet. Beispielsweise kann aus einem Heizstrom, welcher zur Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen Heizsonde und Temperaturerfassungssonde auf einen Massedurchfluss rückgeschlossen werden.
Um eine Temperaturänderung des Mediums oder eine Durchflussänderung schnell erfassen zu können, ist eine geringe thermische Masse der Sonde sowie ein guter thermischer Übergang zwischen Sonde und Medium wichtig.
Die DE102016121110A1 schlägt vor, eine Sonde mittels Aufschmelzen von Silber in einer Hülse herzustellen. Auf diese Art und Weise kann prinzipiell ein guter thermischer Übergang zwischen Sonde und Medium bereitgestellt werden, jedoch ist das Verfahren anfällig für die Ausbildung von Blasen in der Silberschmelze, so dass Sonden häufig nicht verwendbar sind. Dies führt zu einem unerwünschten Ausschuss, welcher mittels Tests der Sonden gefunden werden muss und verursacht hohe Kosten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein besseres Verfahren mit geringerem Ausschuss, durch ein besseres Verfahren hergestellte Sonden und ein thermisches Durchflussmessgerät mit solchen Sonden vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, durch eine Sonde gemäß dem unabhängigen Anspruch 8 und durch ein thermisches Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 12.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Sonde 10 eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr,

wird ein Sondenkern durch ein erstes offenes Ende einer Sondenhülse in die Sondenhülse eingepresst,
wobei der Sondenkern vor Einpressen einen Außendurchmesser aufweist, welcher größer ist als ein Innendurchmesser der Sondenhülse, wobei eine Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser kleiner ist als 0.05 Millimeter,
wobei in einem Bereich eines zweiten offenen Endes der Hülse die Hülse ohne Sondenkern verbleibt,
wobei nach Einpressen des Sondenkerns das zweite offene Ende mittels eines Sondenkopfs beispielsweise durch Laserschweißen mediendicht verschlossen wird,
wobei eine Außenseite des Sondenkopfs insbesondere eine abgerundete Form wie beispielsweise eine Halbkugel- oder Halbellipsoidform aufweist.

In einer Ausgestaltung ist die Sondenhülse aus einem ersten Material umfassend einen Edelstahl gefertigt, wobei der Sondenkern aus einem zweiten Material beispielsweise umfassend Silber oder Kupfer gefertigt ist,
wobei das zweite Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m*K), und insbesondere mindestens 200 W/(m*K) und bevorzugt mindestens 300 W/(m*K) aufweist.
In einer Ausgestaltung wird nach Einpressen eine zum zweiten Ende gerichtete Stirnfläche des Sondenkerns geebnet, wobei die Stirnfläche senkrecht zu einer Längsachse der Sondenhülse ist.
In einer Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt der Sondenkern auf einer dem ersten offenen Ende zugewandten Seite durch entsprechendes Entfernen einer Sondenhülsenwandung abschnittsweise zumindest teilweise freigelegt,

wobei am Sondenkern eine Kontaktfläche zum Anbringen eines Thermoelements an den Sondenkern herausgearbeitet wird,
wobei die Kontaktfläche insbesondere einen Innenwinkel zur Längsachse aufweist, welcher Innenwinkel kleiner als 30 Grad, und insbesondere kleiner als 20 Grad und bevorzugt kleiner als 10 Grad ist.

In einer Ausgestaltung wird in einem weiteren Verfahrensschritt nach Anbringen eines Thermoelements beispielsweise mittels Löten, Kleben oder Sintern eine Anschlusshülse an den Basiskörper angebracht, welche den zumindest teilweise freigelegten Bereich vollständig aufnimmt, wobei die Anschlusshülse mediendicht mit der Sondenhülse, insbesondere mit einer Laserrundnaht verbunden wird.
In einer Ausgestaltung weist die Sondenhülse in einem Kontaktbereich zur Verbindung mit der Anschlusshülse einen verjüngten Abschnitt auf, wobei die Anschlusshülse in einem weiteren Verfahrensschritt auf den verjüngten Abschnitt aufgeschoben wird.
In einer Ausgestaltung ist die Anschlusshülse aus dem ersten Material gefertigt.
Eine erfindungsgemäße Sonde eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche umfasst:

einen Sondenkern;
eine Sondenhülse, welche den Sondenkern zumindest abschnittsweise umgreift und mit diesem kraftschlüssig verbunden ist;
einen Sondenkopf, welcher an einem zweiten offenen Ende der Sondenhülse mit der Sondenhülse mediendicht verbunden ist und das erste Ende verschließt;
ein Thermoelement, welches an einer Kontaktfläche des Sondenkerns beispielsweise durch Löten, Kleben oder Sintern in einem zumindest teilweise freigelegten Bereich befestigt ist, wobei das Thermoelement insbesondere elektrische Anschlussleitungen aufweist, mittels welchen das Thermoelement betrieben werden kann;
eine Anschlusshülse, welche den zumindest teilweise freigelegten Bereich vollständig aufnimmt, wobei die Anschlusshülse mediendicht mit der Sondenhülse, insbesondere mit einer Laserrundnaht verbunden ist.

In einer Ausgestaltung weist der Sondenkern im zumindest teilweise freigelegten Bereich insbesondere einen Vorsprung auf, welcher aus einer Grundfläche hervorsteht,
wobei die Kontaktfläche am Vorsprung angeordnet ist und bezüglich der Längsachse einen Innenwinkel kleiner als 30 Grad, und insbesondere kleiner als 20 Grad und bevorzugt kleiner als 10 Grad aufweist.
In einer Ausgestaltung weist der Vorsprung eine mit der Sondenhülse kraftschlüssig verbundene Rückseite auf, wobei die Sondenhülse im Bereich der Rückseite dazu eingerichtet ist, den Vorsprung mechanisch zu stabilisieren.
In einer Ausgestaltung ist das Thermoelement dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Mediums zu bestimmen und/oder das Medium zu beheizen.
Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät umfasst:

Ein Messrohr zum Führen eines Mediums;
Mindestens eine erfindungsgemäße Sonde, wobei die Sonde im Messrohr angeordnet ist;
Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben der mindestens einen Sonde und zum Bereitstellen von Durchflussmesswerten,
Ein Gehäuse zum Behausen der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

1 a) bis d) skizzieren verschiedene beispielhafte Stadien der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sonde.
2 a) bis c) skizzieren verschiedene Ausgestaltungen von einem Sondenkern mit einer Kontaktfläche zum Anbringen eines Thermoelements.
3 skizziert eine schematische Frontansicht eines beispielhaften thermischen Durchflussmessgeräts.

1 a) skizziert einen Schnitt durch eine Sondenhülse 11 mit einer Längsachse 11.2, in welcher ein Sondenkern 12 eingepresst wird. Der Sondenkern weist in ursprünglichem Zustand vor Einpressen einen Außendurchmesser auf, welcher größer ist als ein Innendurchmesser der Sondenhülse, wobei ein Übermaß kleiner ist als 0.05 Millimeter. Auf diese Weise entsteht eine Stange mit einem in der Sondenhülse kraftschlüssig fixierten Sondenkern.
1 b) skizziert ein weiteres Stadium der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sonde, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt in einem Endbereich eines zweiten Endes 11.12 der Sondenhülse der Sondenkern entfernt wird, wobei ein Sondenkopf 15 in den Endbereich eingeführt und anschließend an der Sondenhülse insbesondere durch Laserschweißen befestigt wird. Auf diese Weise ist das erste Ende der Hülse mediendicht verschlossen. Eine Außenseite 15.1 des Sondenkopfs weist beispielsweise wie hier dargestellt eine abgerundete Form wie beispielsweise eine Halbkugel- oder Halbellipsoidform auf, was vorteilhaft für einen Strömungswiderstand der Sonde ist. Alternativ kann der Sondenkern auch nicht vollständig in die Sondenhülse eingepresst werden, so dass ein Teil der Sondenhülse ohne Sondenkern verbleibt.
In beiden Fällen empfiehlt es sich, eine zum zweiten Ende 11.12 gerichtete Stirnfläche 12.4 des Sondenkerns zu ebnen, wobei die Stirnfläche senkrecht zu einer Längsachse 11.2 der Sondenhülse ist. Auf diese Weise sind bzgl. der Längsachse drehsymmetrische Wärmeübergangseigenschaften der Sonde sichergestellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der Sondenkern an einem ersten Ende der Sondenhülse freigelegt und eine Kontaktfläche zum Anbringen eines Thermoelements 16 am Sondenkern herausgearbeitet. Die Kontaktfläche kann wie hier dargestellt parallel zur Längsachse der Sondenhülse verlaufen. Weitere beispielhafte Darstellungen zur Kontaktfläche finden sich in 2. Das Anbringen eines Thermoelements 16 wird beispielsweise mittels Löten, Kleben oder Sintern bewerkstelligt.
Das Thermoelement 16 weist dabei elektrische Anschlussleitungen 16.1 auf, mittels welchen das Thermoelement an eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 3, siehe 3, anschließbar ist.
Die Sondenhülse 11 kann in einem Kontaktbereich 11.1 zum Anbringen einer Anschlusshülse 17, siehe 1 d), wie hier dargestellt eine Verjüngung aufweisen, so dass ein Anschlag für die Anschlusshülse ausgebildet wird.
Die Reihenfolge der hier beschriebenen Verfahrensschritte kann auch geändert werden.
Alternativ kann der Sondenkern auch nicht vollständig in die Sondenhülse eingerpesst werden, so dass auf der ersten Seite der Sondenhülse Sondenkernmaterial außerhalb der Sondenhülse verbleibt. In diesem Fall kann auf ein teilweises Freilegen des Sondenkerns verzichtet werden.
1 c) skizziert ein Endstadium der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sonde, wobei nach Anbringen des Thermoelements 12 an den Sondenkern 12 eine Anschlusshülse 17 über den freigelegten Bereich des Basiskörpers geschoben, so dass der freigelegte Bereich vollständig angenommen ist. Nach Befestigen der Anschlusshülse beispielsweise mittels einer Laserrundnaht ist die Anschlusshülse mediendicht mit der Sondenhülse verbunden.
Die in 1 a) bis c) gezeigte Sondenhülse 11 ist aus einem ersten Material umfassend einen Edelstahl gefertigt, wobei der Sondenkern 12 aus einem zweiten Material beispielsweise umfassend Silber oder Kupfer gefertigt ist, wobei das zweite Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m*K), und insbesondere mindestens 200 W/(m*K) und bevorzugt mindestens 300 W/(m*K) aufweist. Die Anschlusshülse 17 ist insbesondere aus dem ersten Material gefertigt.
Da Edelstahl eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Material aufweist, führt eine Temperaturänderung der Sondenhülse, welche beispielsweise durch eine Änderung der Medientemperatur verursacht wurde, zu einer gleichmäßigen, bzw. fast konstanten Temperaturverteilung im Sensorkern und somit beim Thermoelement.
2 a) bis c) skizzieren Querschnitte durch beispielhafte erfindungsgemäße bearbeitete Sondenkerne 12 und Sondenhülsen 11. Bei 2 a) und b) sind in einem freigelegten Bereich jeweils ein Vorsprung 12.3 mit einer Kontaktfläche aus dem Sondenkern herausgearbeitet, an welcher Kontaktfläche ein Thermoelement 16 angebracht ist. Bei 2 c) ist ein Durchmesser des Sondenkerns groß genug um ein Thermoelement senkrecht zur Längsachse 11.2 der Sondenhülse anzuordnen. Die in Figs, 2 a) und b) gezeigten Ausführungsbeispiele erlauben es Sonden mit geringem Durchmesser zu fertigen. Auf diese Art und Weise kann eine thermische Masse der Sonde und somit ein Ansprechverhalten optimiert werden.
3 zeigt eine schematische Frontansicht auf ein beispielhaftes thermisches Durchflussmessgerät 1 mit einem Messrohr 2, zwei erfindungsgemäße Sonden 10, welche im Lumen des Messrohrs 2 angeordnet sind, und einem Gehäuse 4, welches eine elektronische Betriebsschaltung 3 aufweist. Die elektronische Betriebsschaltung ist dazu eingerichtet, die Sonden 10 zu betreiben und Durchflussmesswerte bereitzustellen.
Um den Massedurchfluss eines Mediums durch das Messrohr 2 zu messen, wird beispielsweise eine erste Sonde im durch das Messrohr strömenden Medium derart beheizt, dass eine Temperaturdifferenz gegenüber der Medientemperatur konstant bleibt. Eine zweite Sonde kann dabei zur Temperaturmessung des Mediums verwendet werden. Unter Voraussetzung gleichbleibender Medieneigenschaften wie Dichte oder Zusammensetzung lässt sich über den zum Halten der Temperatur notwendigen Heizstrom auf den Massedurchfluss des Mediums schließen. Das hier skizzierte thermische Durchflussmessgerät ist beispielhaft und hat rein darstellerischen Charakter. Der Fachmann wird sich eine Anzahl von Sonden gemäß seinen Anforderungen zusammenstellen und diese im Messrohr in einer gewünschten Weise anordnen. Verfahren zum Betreiben solcher Sonden sind Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

1: thermisches Durchflussmessgerät
2: Messrohr
3: elektronische Mess-/Betriebsschaltung
4: Gehäuse
10: Sonde
11: Sondenhülse
11.11: erstes offenes Ende der Sondenhülse
11.12: zweites offenes Ende der Sondenhülse
11.2: Längsachse
11.3: Kontaktbereich
12: Sondenkern
12.1: Kontaktfläche
12.2: Durchmesser Sondenkern
12.3: Vorsprung
12.4: Stirnfläche
15: Sondenkopf
15.1: Außenseite des Sondenkopfs
16: Thermoelement
16.1: elektrische Anschlussleitungen
17: Anschlusshülse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016121110 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Sonde (10) eines thermischen Durchflussmessgeräts (1) zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2) umfassend: Einpressen eines Sondenkern (12) durch ein erstes offenes Ende (11.11) einer Sondenhülse (11) in die Sondenhülse, wobei der Sondenkern vor Einpressen einen Außendurchmesser aufweist, welcher größer ist als ein Innendurchmesser der Sondenhülse, wobei eine Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser kleiner ist als 0.05 Millimeter, wobei in einem Bereich eines zweiten offenen Endes (11.12) der Sondenhülse die Sondenhülse ohne Sondenkern verbleibt; und mediendichtes Verschließen des zweiten offenen Endes mittels eines Sondenkopfs (15) nach Einpressen des Sondenkerns beispielsweise durch Laserschweißen, wobei eine Außenseite (15.1) des Sondenkopfs insbesondere eine abgerundete Form wie beispielsweise eine Halbkugel- oder Halbellipsoidform aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sondenhülse (11) aus einem ersten Material umfassend einen Edelstahl gefertigt ist, und wobei der Sondenkern (12) aus einem zweiten Material beispielsweise umfassend Silber oder Kupfer gefertigt ist, wobei das zweite Material eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/(m*K), und insbesondere mindestens 200 W/(m*K) und bevorzugt mindestens 300 W/(m*K) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend Ebnen einer zum zweiten Ende (11.12) gerichtete Stirnfläche (12.4) des Sondenkerns nach Einpressen, wobei die Stirnfläche senkrecht zu einer Längsachse (11.2) der Sondenhülse ist.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, weiterhin umfassend abschnittsweises zumindest teilweises Freilegen der Sondenkerns (12) auf einer dem ersten offenen Ende (11.11) zugewandten Seite durch entsprechendes Entfernen einer Sondenhülsenwandung, wobei am Sondenkern eine Kontaktfläche (12.1) zum Anbringen eines Thermoelements an den Sondenkern herausgearbeitet wird, wobei die Kontaktfläche insbesondere einen Innenwinkel zur Längsachse aufweist, welcher Innenwinkel kleiner als 30 Grad, und insbesondere kleiner als 20 Grad und bevorzugt kleiner als 10 Grad ist.
Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin umfassend Anbringen einer Anschlusshülse (17) an den Basiskörper nach Anbringen eines Thermoelements (16) beispielsweise mittels Löten, Kleben oder Sintern, welche Anschlusshülse (17) den zumindest teilweise freigelegten Bereich vollständig aufnimmt, wobei die Anschlusshülse mediendicht mit der Sondenhülse, insbesondere mit einer Laserrundnaht verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Sondenhülse in einem Kontaktbereich (11.1) zur Verbindung mit der Anschlusshülse einen verjüngten Abschnitt aufweist, wobei die Anschlusshülse in einem weiteren Verfahrensschritt auf den verjüngten Abschnitt aufgeschoben wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei die Anschlusshülse (17) aus dem ersten Material gefertigt ist.
Sonde (10) eines thermischen Durchflussmessgeräts (1) zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr (2) hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche umfassend: einen Sondenkern (12); eine Sondenhülse (11), welche den Sondenkern zumindest abschnittsweise umgreift und mit diesem kraftschlüssig verbunden ist; einen Sondenkopf (15), welcher an einem zweiten offenen Ende der Sondenhülse mit der Sondenhülse mediendicht verbunden ist und das erste Ende verschließt; ein Thermoelement (16), welches an einer Kontaktfläche des Sondenkerns beispielsweise durch Löten, Kleben oder Sintern in einem zumindest teilweise freigelegten Bereich befestigt ist, wobei das Thermoelement insbesondere elektrische Anschlussleitungen (16.1) aufweist, mittels welchen das Thermoelement betrieben werden kann; eine Anschlusshülse (17), welche den zumindest teilweise freigelegten Bereich vollständig aufnimmt, wobei die Anschlusshülse mediendicht mit der Sondenhülse, insbesondere mit einer Laserrundnaht verbunden ist.
Sonde nach Anspruch 8, wobei der Sondenkern im zumindest teilweise freigelegten Bereich insbesondere einen Vorsprung (12.3) aufweist welcher aus einer Grundfläche hervorsteht, wobei die Kontaktfläche am Vorsprung angeordnet ist und bezüglich der Längsachse einen Innenwinkel kleiner als 30 Grad, und insbesondere kleiner als 20 Grad und bevorzugt kleiner als 10 Grad aufweist.
Sonde nach Anspruch 9, wobei der Vorsprung eine mit der Sondenhülse kraftschlüssig verbundene Rückseite aufweist, wobei die Sondenhülse im Bereich der Rückseite dazu eingerichtet ist, den Vorsprung mechanisch zu stabilisieren.
Sonde nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Thermoelement dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Mediums zu bestimmen und/oder das Medium zu beheizen.
Thermisches Durchflussmessgerät (1) umfassend: Ein Messrohr (2) zum Führen eines Mediums; Mindestens eine Sonde (10) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Sonde im Messrohr angeordnet ist; Eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung (3) zum Betreiben der mindestens einen Sonde und zum Bereitstellen von Durchflussmesswerten, Ein Gehäuse (4) zum Behausen der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung.