DE102020127192A1

DE102020127192A1 - Flow sensor device and arranged in a pipe section flow meter with such a flow sensor device

Info

Publication number: DE102020127192A1
Application number: DE102020127192.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stahnke
Original assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Current assignee: SIKA Dr Siebert and Kuehn GmbH and Co KG
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Strömungssensoreinrichtung (1) umfassend ein Piezo-Element (3) sowie eine Leiterplatte (9), die mit dem Piezo-Element (3) in elektrisch leitender Verbindung steht, wobei zur elektrisch leitenden Verbindung mindestens zwei Kontaktstifte (5, 7) vorgesehen sind, die durch elektrisch leitende Steckerbuchsen (17) mit der Leiterplatte (9) in Verbindung stehen.The subject matter of the invention is a flow sensor device (1) comprising a piezo element (3) and a printed circuit board (9) which is electrically conductively connected to the piezo element (3), with at least two contact pins (5, 7) are provided, which are connected to the printed circuit board (9) by electrically conductive sockets (17).

Description

Die Erfindung betrifft einerseits eine Strömungssensoreinrichtung umfassend ein Piezo-Element sowie eine Leiterplatte, die mit dem Piezo-Element in elektrisch leitender Verbindung steht, sowie ein in einem Rohrabschnitt angeordnetes Durchflussmessgerät umfassend einen Störkörper und einer in Strömungsrichtung gesehen dem Störkörper nachgeordneten Strömungssensoreinrichtung der zuvor beschriebenen Art. The invention relates on the one hand to a flow sensor device comprising a piezo element and a printed circuit board, which is in an electrically conductive connection with the piezo element, and a flow meter arranged in a pipe section, comprising a bluff body and a flow sensor device of the type described above arranged downstream of the bluff body, viewed in the direction of flow .

Durchflussmessgeräte, umfassend einen Störkörper und einer in Strömungsrichtung gesehen dem Störkörper nachgeordneten Strömungssensoreinrichtung sind auch unter dem Begriff Wirbeldurchflussmessgerät, kurz Vortex, bekannt und dienen der Messung von Durchflussmengen in Rohrleitungen. Ein solches Durchflussmessgerät zeichnet sich im Einzelnen durch einen Störkörper aus, welcher sich in einer Strömung in beispielsweise einem Rohrstück befindet, und an dem sich Wirbel ablösen, deren Frequenz proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ist. Diese Wirbel verursachen schlussendlich Druckschwankungen, die von einem Piezo-Element in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Störkörper aufgenommen werden.Flowmeters comprising a bluff body and a flow sensor device arranged downstream of the bluff body, seen in the direction of flow, are also known by the term vortex flowmeter, or vortex for short, and are used to measure flow rates in pipelines. Such a flow meter is characterized in detail by a bluff body, which is located in a flow in a piece of pipe, for example, and on which vortices are released, the frequency of which is proportional to the flow velocity. These vortices ultimately cause pressure fluctuations, which are picked up by a piezo element behind the bluff body, viewed in the direction of flow.

Ein Durchflussmessgerät der zuvor beschriebenen Art ist aus der EP 16 86 353 A1 bekannt. Hierbei ragt ein piezoelektrisches Sensorelement zungenartig in einen Durchflusskanal hinein und ist im quer zur Längsrichtung des Durchflusskanals ausgerichteten Endbereich mittels eines Klebmittels in einer Hülse verklebt. Im gegenüberliegenden Endbereich ist das Sensorelement ebenfalls mittels eines Klebmittels in einer sogenannten Innenhülse eingeklebt. In diesem festen Endbereich dient das Verkleben neben der festen Lagerung des Sensorelementes auch dem mechanischen Schutz elektrischer Anschlussdrähte, die ein durch eine Biegung des Sensorelementes hervorgerufenes elektrisches Signal zu einer Leiterplatte mit einer Auswerteelektronik weiterleiten.A flow meter of the type described above is from EP 16 86 353 A1 famous. In this case, a piezoelectric sensor element protrudes like a tongue into a flow channel and is bonded by means of an adhesive in a sleeve in the end region oriented transversely to the longitudinal direction of the flow channel. In the opposite end area, the sensor element is also glued into a so-called inner sleeve by means of an adhesive. In this fixed end area, the gluing is used not only for the fixed mounting of the sensor element but also for the mechanical protection of electrical connection wires, which forward an electrical signal caused by a bending of the sensor element to a printed circuit board with evaluation electronics.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist insbesondere, dass das Piezo-Element mittels Anschlussdrähten mit der Leiterplatte, die die Auswerteelektronik aufweist, verbunden ist. Diese Drähte sind, da sie mit einer Leiterplatte verbunden werden müssen, äußerst dünn. Dies hat zur Folge, dass die Drähte nur manuell durch entsprechende Öffnungen der Leiterplatte auf deren Oberseite geführt werden können, wobei die Drähte auf der Oberseite mit den Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden werden. A particular disadvantage of this prior art is that the piezo element is connected to the printed circuit board, which has the evaluation electronics, by means of connecting wires. Because they must be connected to a circuit board, these wires are extremely thin. The consequence of this is that the wires can only be guided manually through corresponding openings in the circuit board on the top side, with the wires on the top being connected to the conductor tracks on the circuit board.

Die zuvor beschriebenen Tätigkeiten sind im Wesentlichen nur manuell auszuführen und erfordern auch ein nicht unerhebliches Maß an Fingerspitzengefühl, um eben die Drähte durch die entsprechenden Öffnungen in der Leiterplatte zu führen, ohne dass die Drähte von dem Piezo-Element abreißen. Darüber hinaus ist, wenn die Drähte einmal mit der Leiterplatte verbunden sind, eine nachträgliche Kompensation von Fertigungs- und Lagetoleranzen zwischen Sensorelement einerseits und Leiterplatte andererseits nicht möglich. Auch besteht keine Möglichkeit thermische Einflüsse auf Form und Lage zu kompensieren. Als nachteilig hat sich ebenfalls herausgestellt, dass das Sensorelement nur zusammen mit der Leiterplatte zur Vermeidung von Elektrokorrosion durch Flussmittelrückstände gereinigt werden kann. Auch hierbei besteht dann wiederum die Gefahr, dass die Drähte von den entsprechenden Verbindungspunkten auf der Leiterplatte abreißen.The activities described above are essentially only to be carried out manually and also require a not inconsiderable degree of tact in order to guide the wires through the corresponding openings in the printed circuit board without the wires tearing off the piezo element. In addition, once the wires have been connected to the printed circuit board, subsequent compensation for manufacturing and positional tolerances between the sensor element on the one hand and the printed circuit board on the other hand is not possible. There is also no possibility of compensating for thermal influences on shape and position. It has also been found to be disadvantageous that the sensor element can only be cleaned together with the printed circuit board to avoid electro-corrosion caused by flux residues. In this case, too, there is a risk that the wires will tear off the corresponding connection points on the printed circuit board.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demzufolge darin, hier Abhilfe zu schaffen, und insbesondere die zuvor genannten Nachteile durch die erfindungsgemäße Konstruktion einer Sensoreinrichtung zu vermeiden.The object on which the invention is based is therefore to remedy this situation and, in particular, to avoid the aforementioned disadvantages by constructing a sensor device according to the invention.

Zur Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäß der eingangs genannten Strömungssensoreinrichtung.The features of the characterizing part of claim 1 in conjunction with the features of the preamble according to the flow sensor device mentioned at the outset serve to solve the task.

Gegenstand der Erfindung ist, dass zur elektrisch leitenden Verbindung mindestens zwei Kontaktstifte vorgesehen sind, die durch elektrisch leitende Steckerbuchsen mit der Leiterplatte in Verbindung stehen. Die erfindungsgemäßen Kontaktstifte besitzen aufgrund ihres Querschnitts und auch des Materials zum Beispiel eine erhebliche Steifigkeit, die es ermöglicht, diese Kontaktstifte durch die entsprechenden Öffnungen in der Leiterplatte zu schieben, bis diese in Eingriff mit den elektrisch leitenden Steckerbuchsen gelangen, die auf der Leiterplatte an der entsprechenden Leiterbahn angeordnet sind. Zusammenfassend bedeutet dies, dass durch die erfindungsgemäße Bauweise des Piezo-Elements mit den entsprechenden Kontaktstiften, und der Anordnung von Steckerbuchsen auf einer Leiterplatte eine einfache und auch maschinelle Fertigung von kompletten Strömungssensoreinrichtungen ermöglicht wird. Dies bedingt zweifelsfrei Kosteneinsparungen bei der Fertigung, insbesondere weil auch auf besonders einfache Art und Weise die elektrische Kontaktierung zwischen Piezo-Element und Leiterplatte vorgeschlagen wird.The object of the invention is that at least two contact pins are provided for the electrically conductive connection, which are connected to the printed circuit board by electrically conductive plug sockets. Due to their cross section and also the material, the contact pins according to the invention have, for example, a considerable rigidity, which makes it possible to push these contact pins through the corresponding openings in the circuit board until they engage with the electrically conductive sockets on the circuit board at the corresponding conductor track are arranged. In summary, this means that the construction of the piezo element according to the invention with the corresponding contact pins and the arrangement of sockets on a printed circuit board make it possible to manufacture complete flow sensor devices easily and also by machine. Without a doubt, this results in cost savings in production, in particular because the electrical contacting between the piezo element and the printed circuit board is also proposed in a particularly simple manner.

Vorteilhafte Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous features and refinements of the invention result from the dependent claims.

So ist insbesondere vorgesehen, dass die Kontaktstifte des Piezo-Elementes seitlich überlappend an dem Piezo-Element elektrisch leitend angeordnet sind. Die elektrisch leitende Verbindung kann hierbei durch Löten, Schweißen oder auch Kleben mit elektrisch leitfähigen Werkstoffen erfolgen. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, besteht darin, dass zur Vermeidung von Elektrokorrosion durch Flussmittelrückstände sowohl der Piezo-Element mit den daran zum Beispiel angelöteten Kontaktstiften gereinigt werden kann, wie auch gesondert davon die Leiterplatte, wenn z. B. die Steckerbuchsen mit der entsprechenden Leiterbahn auf der Leiterplatte insbesondere verlötet sind. Beim Stand der Technik wird es hingegen so sein, dass aufgrund der Lötverbindung der Metalldrähte zum einen mit dem Piezo-Element und zum anderen mit der Leiterplatte nur die gesamte Einheit zur Vermeidung von Elektrokorrosion durch Flussmittelrückstände gereinigt werden kann, was die Gefahr in sich birgt, dass sich die Drähte unbeabsichtigt vom Piezo-Element oder der Leiterplatte lösen.In particular, it is provided that the contact pins of the piezo element overlap laterally and are electrically conductive on the piezo element are arranged. The electrically conductive connection can be made by soldering, welding or gluing with electrically conductive materials. The advantage of this is that, in order to avoid electro-corrosion due to flux residues, both the piezo element with the contact pins soldered to it, for example, can be cleaned, and the printed circuit board separately, if e.g. B. the sockets are in particular soldered to the corresponding conductor track on the printed circuit board. With the prior art, however, it will be the case that due to the soldered connection of the metal wires on the one hand with the piezo element and on the other hand with the printed circuit board, only the entire unit can be cleaned to avoid electrical corrosion from flux residues, which entails the risk that the wires unintentionally detach from the piezo element or the circuit board.

Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass im Überlappungsbereich der Kontaktstifte an dem Piezo-Element ein sogenanntes Festlager entsteht, um das herum das Piezo-Element in eingebautem Zustand in der Strömung verschwenken kann.It has been found to be advantageous that a so-called fixed bearing is formed in the overlapping area of the contact pins on the piezo element, around which the piezo element can pivot in the installed state in the flow.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass oberhalb des stirnseitigen Endes des Piezo-Elementes die Kontaktstifte, die rund oder rechteckig sein können, durch einen Isolierkörper miteinander verbunden sind, wobei der Isolierkörper mindestens zwei Öffnungen für die Durchführung der mindestens zwei Kontaktstifte aufweist. Dieser Isolierkörper dient nicht nur der parallelen Ausrichtung der Stifte relativ zueinander und der Definition eines vorgegebenen Abstandes zwischen den Kontaktstiften, sondern dient zugleich als Hilfe für das Anlöten der Kontaktstifte an dem Piezo-Element, sodass der Überlappungsbereich bei der Fertigung immer gleich gehalten werden kann.According to a further feature of the invention, the contact pins, which can be round or rectangular, are connected to one another above the front end of the piezo element by an insulating body, the insulating body having at least two openings for the at least two contact pins to pass through. This insulating body not only serves to align the pins parallel to each other and to define a specified distance between the contact pins, but also serves as an aid for soldering the contact pins to the piezo element, so that the overlapping area can always be kept the same during production.

Die Steckerbuchsen sind elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden. Vorteilhaft sind aber um die Verbindung zwischen Steckerbuchse einerseits und Kontaktstift andererseits zu schützen, die Steckerbuchsen in einem Steckverbinder angeordnet. Der Steckverbinder befindet sich auf der Leiterplatte. Die in dem Steckverbinder angeordneten Steckerbuchsen stehen demnach in Verbindung mit den entsprechenden Leiterbahnen der Leiterplatte.The sockets are electrically connected to the printed circuit board. However, in order to protect the connection between the plug socket on the one hand and the contact pin on the other hand, the plug sockets are advantageously arranged in a plug connector. The connector is on the circuit board. The plug sockets arranged in the plug connector are therefore connected to the corresponding conductor tracks on the printed circuit board.

Nach einem weiteren besonders vorteilhaften Merkmal sind die Steckerbuchsen als Federkontakte ausgebildet. Das bedeutet, dass vorzugsweise zwei Federkontakte einander gegenüberliegend aufeinander zu gewölbt ausgebildet sind, sodass die runden Kontaktstifte des Piezo-Elements zwischen den beiden Federkontakten, die eine Steckerbuchse bilden, kraftschlüssig gehalten sind. Somit drücken die Kontaktstifte die Federkontakte etwas auseinander. Das heißt, dass während der Montage Lage und Sitz des Sensors optimal gestaltet werden können. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die beiden bogenförmig ausgebildeten Federkontakte nicht nur um eine Querachse oder horizontale Achse gewölbt, sondern auch um eine Hochachse gewölbt, sodass ein Federkontakt mit einem entsprechend teilkreisförmigen Querschnitt den Kontaktstift zumindest partiell formschlüssig erfasst.According to a further particularly advantageous feature, the sockets are designed as spring contacts. This means that preferably two spring contacts are arched opposite one another, so that the round contact pins of the piezo element are held in a non-positive manner between the two spring contacts, which form a socket. Thus, the contact pins push the spring contacts slightly apart. This means that the position and fit of the sensor can be optimally designed during assembly. According to a further feature of the invention, the two arc-shaped spring contacts are not only curved about a transverse axis or horizontal axis, but also about a vertical axis, so that a spring contact with a corresponding part-circular cross section grips the contact pin at least partially in a form-fitting manner.

Somit können die Federkontakte die Kontaktstifte derart aufnehmen, dass die Kontaktstifte bei geringfügiger Auslenkung in X-, Y- und Z-Richtung in Kontakt mit den Federkontakten der Steckerbuchsen bleiben, sodass ein Verkippen der Kontaktstifte zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und Lageänderungen durch thermische Einflüsse kompensiert werden können. Hierbei können die Kontaktstifte über die Steckerbuchsen überstehen.The spring contacts can thus accommodate the contact pins in such a way that the contact pins remain in contact with the spring contacts of the sockets in the event of slight deflection in the X, Y and Z directions, so that tilting of the contact pins to compensate for manufacturing tolerances and changes in position due to thermal influences can be compensated be able. The contact pins can protrude over the sockets.

Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein in einem Rohrabschnitt angeordnetes Durchflussmessgerät, umfassend einen Störkörper und einer in Strömungsrichtung gesehen dem Störkörper nachgeordneten Strömungssensoreinrichtung gekennzeichnet durch einen oder mehrere der Ansprüche 1 bis 11 sowie der vorausgehenden Beschreibung.The invention also relates to a flow meter arranged in a pipe section, comprising a bluff body and a flow sensor device arranged downstream of the bluff body, seen in the direction of flow, characterized by one or more of claims 1 to 11 and the preceding description.

In Bezug auf das in dem Rohrabschnitt angeordnete Durchflussmessgerät ist insbesondere vorgesehen, dass das Piezo-Element in einem flexiblen Kunststoffkörper gelagert ist, der in den Rohrabschnitt ragt, in dem die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums gemessen werden soll. Insbesondere dann, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Kunststoffkörper an seinem in den Rohrabschnitt ragenden Ende einen flexiblen Hüllkörper aufweist, wobei das Piezo-Element in dem Hüllkörper zumindest partiell von einer flexiblen und/oder weichen Vergussmasse, zum Beispiel einem Silikongel umgeben ist, wird erreicht, dass insbesondere im unteren Durchflussmengenbereich es zu einer Erhöhung der Signalamplitude kommt und einer damit verbundenen Erhöhung der Dynamik des Messbereiches. Im Zusammenhang mit einer Erhöhung der Signalamplitude beziehungsweise auch, wie bereits zuvor erläutert, einer damit verbundenen Erhöhung der Dynamik des Messbereiches, ist des Weiteren vorgesehen, dass das Piezo-Element unterhalb der Fixierung der Kontaktstifte an dem Piezo-Element in der flexiblen Vergussmasse des Hüllkörpers eingebettet ist. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn hierbei der Kunststoffkörper im Bereich der Rohrwandung einen Kopf aufweist, wobei der Kopf eine konische Aussparung aufweist, wobei sich in der konischen Aussparung der Bereich des Piezo-Elements befindet, an dem die Kontaktstifte befestigt sind. In diesem Bereich, also in dem Bereich des Übergangs vom Kopf zum Hüllkörper, befindet sich der Biegebereich des Piezo-Elements, das heißt, dass sich der Biegebereich unterhalb der Anbindung der Kontaktstifte am Piezo-Element befindet. Der Bereich des Übergangs vom Piezo-Element zu der Anbindung der Kontaktstifte bildet hierbei eine Art von Festlager, um das das Piezo-Element mit dem Kunststoffkörper sich in Strömungsrichtung auslenkt oder verschwenkt.With regard to the flow meter arranged in the pipe section, provision is made in particular for the piezo element to be mounted in a flexible plastic body which protrudes into the pipe section in which the flow rate of the medium is to be measured. In particular when, according to a further feature of the invention, the plastic body has a flexible enveloping body at its end protruding into the pipe section, with the piezo element in the enveloping body being at least partially surrounded by a flexible and/or soft casting compound, for example a silicone gel, it is achieved that, particularly in the lower flow rate range, there is an increase in the signal amplitude and an associated increase in the dynamics of the measuring range. In connection with an increase in the signal amplitude or, as already explained above, an associated increase in the dynamics of the measuring range, it is also provided that the piezo element is located below the fixing of the contact pins on the piezo element in the flexible casting compound of the enveloping body is embedded. It is particularly advantageous if the plastic body has a head in the area of the tube wall, the head having a conical recess, the area of the piezo element to which the contact pins are attached being located in the conical recess. In this area, ie in the area of the transition from the head to the enveloping body, is the bending area of the piezo element, which means that the Bending area is below the connection of the contact pins on the piezo element. The area of the transition from the piezo element to the connection of the contact pins forms a type of fixed bearing around which the piezo element with the plastic body deflects or pivots in the direction of flow.

Hierzuweisen bleibt noch auf Folgendes: Die Lagerung des Piezo-Elements in der weichen Vergussmasse ermöglicht die Ausdehnung unter Einwirkung von Wärme. Dadurch, dass das Piezo-Element, wie bereits an anderer Stelle erläutert, mit seinen Kontaktstiften axial und auch in geringem Umfang schwenkbeweglich durch die Steckerbuchsen mit den Federkontakten aufgenommen ist, besteht nicht die Gefahr von Verspannungen, die eine Beschädigung der Strömungssensoreneinrichtung zur Folge haben könnten. Insofern ist auch vorgesehen, dass die Bohrungen in der Leiterplatte zum Durchlass der Kontaktstifte größer sind als die Querschnittsfläche der runden oder eckigen Kontaktstifte. Der Hüllkörper und der Kopf des Hüllkörpers können hierbei einteilig aus dem gleichen Material hergestellt sein. Es wurde an anderer Stelle darauf hingewiesen, dass die Kontaktstifte etwas über die Steckerbuchsen überstehen. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, dass das Piezo-Element in der Länge in Bezug auf seine Eintauchtiefe im Kunststoffkörper nachjustiert werden kann. Ziel ist hierbei eine maximale Eintauchtiefe im Kunststoffkörper zwecks Erzielung einer optimalen Signalamplitude zu verwirklichen.The following remains to be mentioned here: The storage of the piezo element in the soft casting compound allows it to expand under the influence of heat. Because the piezo element, as already explained elsewhere, is accommodated with its contact pins axially and also pivotably to a small extent by the sockets with the spring contacts, there is no risk of tension that could result in damage to the flow sensor device . In this respect, it is also provided that the bores in the printed circuit board for the passage of the contact pins are larger than the cross-sectional area of the round or square contact pins. The enveloping body and the head of the enveloping body can be made in one piece from the same material. It was pointed out elsewhere that the contact pins protrude slightly beyond the sockets. This opens up the possibility that the length of the piezo element can be readjusted in relation to its immersion depth in the plastic body. The aim here is to achieve a maximum immersion depth in the plastic body in order to achieve an optimal signal amplitude.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.

1 zeigt das Durchflussmessgerät in seiner Gesamtheit in einer Seitenansicht;
1a zeigt einen Schnitt der Linie la-la der 1;
2 zeigt die Verbindung der Kontaktstifte mit der Leiterplatte;
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht auf einen Kontaktstift mit den beiden Federkontakten einer Steckerbuchse;
4 zeigt eine Darstellung gemäß 3 in einer Draufsicht;
4a zeigt eine Auslenkung der Federkontakte unter Beibehalt der Kontaktierung der Steckerbuchsen.

The invention is explained in more detail by way of example on the basis of the drawings.

1 shows the flow meter in its entirety in a side view;
1a shows an intersection of the line la-la der 1 ;
2 shows the connection of the contact pins to the circuit board;
3 shows a schematic side view of a contact pin with the two spring contacts of a socket;
4 shows a representation according to 3 in a plan view;
4a shows a deflection of the spring contacts while maintaining contact with the sockets.

Das insgesamt in den 1, 1a mit 30 bezeichnete Durchflussmessgerät umfasst einen Rohrabschnitt 32, sowie einen Störkörper 33, dem eine Strömungssensoreinrichtung 1 in Strömungsrichtung gesehen (Pfeil 50) nachgeordnet ist. Gegenstand der Erfindung ist nun die Ausbildung der Strömungssensoreinrichtung und deren Anordnung in dem Rohrabschnitt 32.The total in the 1 , 1a The flow meter designated 30 comprises a pipe section 32 and a bluff body 33, which is followed by a flow sensor device 1 seen in the direction of flow (arrow 50). The subject matter of the invention is now the design of the flow sensor device and its arrangement in the pipe section 32.

Die Strömungssensoreinrichtung 1 gemäß den 1, 1a und 2 zeigt ein Piezo-Element 3, das durch zwei Kontaktstifte 5, 7 durch einen Steckverbinder 11 elektrisch leitend mit der Leiterplatte 9 verbunden ist. Die Anbindung der Kontaktstifte 5, 7 an dem Piezo-Element ist derart, dass die Kontaktstifte das Piezo-Element seitlich überlappend erfassen, und endseitig beispielsweise mittels einer Lötverbindung 5a, 7a mit Piezo-Element 3 stoffschlüssig verbunden sind. Im Bereich der Lötverbindung ergibt sich eine Art Festlager für den überstehenden Teil des Piezo-Elements 3, um das herum der überstehende Teil des Piezo-Elements verschwenken kann.The flow sensor device 1 according to 1 , 1a and 2 1 shows a piezo element 3 which is electrically conductively connected to the printed circuit board 9 by two contact pins 5, 7 and a plug connector 11. FIG. The connection of the contact pins 5, 7 to the piezo element is such that the contact pins grasp the piezo element laterally overlapping and are materially connected to the piezo element 3 at the end, for example by means of a soldered connection 5a, 7a. In the area of the soldered connection, there is a kind of fixed bearing for the protruding part of the piezo element 3, around which the protruding part of the piezo element can pivot.

Das Piezo-Element 3 ist durch einen flexiblen Kunststoffkörper 35 aufgenommen, der bevorzugt Bestandteil des Rohrabschnittes 32 des Durchflussmessgerätes 30 ist, wobei der flexible Kunststoffkörper einen Hüllkörper 37 aufweist, wobei der Hüllkörper 37 der Aufnahme der flexiblen Vergussmasse 39 dient, die das Piezo-Element 3 umgibt. Der flexible Kunststoffkörper 35 weist einen Kopf 41 auf, wobei im Bereich des Kopfes 41 der flexible Kunststoffkörper eine konische Aussparung 43 aufweist. Im Bereich der konischen Aussparung 43 befindet sich die überlappende Befestigung der Kontaktstifte 5, 7 am Piezo-Element 3 mittels der jeweiligen Lötverbindung 5a, 7a. Der flexible Kunststoffkörper 35 ragt mit einem Teil des Piezo-Elementes 3 in den Rohrabschnitt 32 hinein. Zur Detektion von durch den Störkörper 33 erzeugten Wirbeln verschwenkt der flexible Kunststoffkörper mit dem darin aufgenommenen Piezo-Element 3. Der Schwenkbereich für die Auslenkung des flexiblen Kunststoffkörpers mit dem darin angeordneten Piezo-Element 3 ist durch den Bereich der konischen Aussparung 43 vorgegeben, und hier insbesondere durch den Bereich der Verbindung der Kontaktstifte 5, 7 mittels der Lötverbindungen 5a, 7a am Piezo-Element 3.The piezo element 3 is accommodated by a flexible plastic body 35, which is preferably part of the pipe section 32 of the flow meter 30, the flexible plastic body having an enveloping body 37, the enveloping body 37 serving to accommodate the flexible casting compound 39, which the piezo element 3 surrounds. The flexible plastic body 35 has a head 41 , the flexible plastic body having a conical recess 43 in the region of the head 41 . In the area of the conical recess 43 is the overlapping attachment of the contact pins 5, 7 on the piezo element 3 by means of the respective soldered connection 5a, 7a. The flexible plastic body 35 protrudes into the tube section 32 with part of the piezo element 3 . To detect vortices generated by the bluff body 33, the flexible plastic body pivots with the piezo element 3 accommodated therein in particular through the area of the connection of the contact pins 5, 7 by means of the soldered connections 5a, 7a on the piezo element 3.

Der flexible Kunststoffkörper 35, in dem das Piezo-Element 3 mittels einer flexiblen Vergussmasse, zum Beispiel einem Silikongel in dem Hüllkörper 37 eingebettet gelagert ist, hat den Vorteil, dass im unteren Durchflussbereich demnach eine relativ große Signalamplitude verwirklicht werden kann, was unmittelbar auch eine Erhöhung der Dynamik des Messbereiches bewirkt. Maßgeblich ist hierfür auch die Ausbildung der Anbindung der Kontaktstifte 5, 7 am Piezo-Element unter Bildung des Festlagers.The flexible plastic body 35, in which the piezo element 3 is embedded in the enveloping body 37 by means of a flexible casting compound, for example a silicone gel, has the advantage that a relatively large signal amplitude can be realized in the lower flow range, which also immediately Increasing the dynamics of the measuring range causes. The design of the connection of the contact pins 5, 7 on the piezo element with the formation of the fixed bearing is also decisive for this.

Die beiden Kontaktstifte 5, 7 sind am oberen stirnseitigen Ende des Piezo-Elementes durch einen Isolierkörper 16 verbunden, der die Aufgabe hat, die beiden Kontaktstifte 5, 7 zum einen möglichst parallel auszurichten, und darüber hinaus auch als Anschlag für das Anlöten des Piezo-Elementes 3 an die Kontaktstifte genutzt werden kann. Des Weiteren kann er als Maß für die Eintauchtiefe des Piezo-Elements 3 in dem Kunststoffkörper dienen.The two contact pins 5, 7 are connected at the upper front end of the piezoelectric element by an insulator 16, which has the task of keeping the two contact pins 5, 7 as parallel as possible align, and can also be used as a stop for soldering the piezoelectric element 3 to the contact pins. Furthermore, it can serve as a measure for the immersion depth of the piezo element 3 in the plastic body.

Die Kontaktstifte 5, 7 sind an ihrem oberen Ende mit der Leiterplatte 9 elektrisch leitend verbunden. Zur Verbindung dient ein Steckverbinder 11. Die Ausbildung des Steckverbinders ist derart, dass der Steckverbinder zwei Steckerbuchsen 17 für jeweils einen Kontaktstift 5, 7 aufweist, wobei eine jede Steckerbuchse 17 zwei Federkontakte 18 besitzt. Die beiden Federkontakte 18' sind um die Querachse gewölbt ausgebildet, und werden bei Einführen des jeweiligen Kontaktstiftes 5, 7 gegen die Federkraft der Federkontakte gespreizt. Dies ergibt sich im Einzelnen aus 2, aber auch im Detail aus 3 sowie 4 und 4a. 4, 4a lassen erkennen, dass die Federkontakte 18 nicht nur um die Querachse gewölbt ausgebildet sind, wie dies sich insbesondere aus 3 ergibt, sondern auch um ihre Hochachse, sodass der runde Kontaktstift durch die Federkontakte 18 über einen Teil seines Umfangs erfasst wird (4). 4a zeigt in diesem Zusammenhang die Auslenkung der Kontaktstifte 5, 7 in X- und Y-Richtung; hierbei werden die Kontaktstifte auch in ausgelenktem Zustand von den Federkontakten 18 erfasst. Somit ist ein Verkippen oder Verdrehen der Kontaktstifte in gewissen Grenzen möglich, um Fertigungstoleranzen, sowie Maß- und Lageänderungen, z. B. durch thermische Einflüsse zu kompensieren.The contact pins 5, 7 are electrically conductively connected to the printed circuit board 9 at their upper end. A connector 11 is used for the connection. The connector is designed in such a way that the connector has two sockets 17 for one contact pin 5, 7 each, with each socket 17 having two spring contacts 18. The two spring contacts 18' are curved around the transverse axis and are spread out against the spring force of the spring contacts when the respective contact pin 5, 7 is inserted. This emerges in detail from 2 , but also in detail 3 such as 4 and 4a . 4 , 4a show that the spring contacts 18 are not only curved around the transverse axis, as is particularly evident from FIG 3 results, but also around its vertical axis, so that the round contact pin is gripped by the spring contacts 18 over part of its circumference ( 4 ). 4a shows in this context the deflection of the contact pins 5, 7 in the X and Y directions; in this case, the contact pins are gripped by the spring contacts 18 even in the deflected state. Thus, a tilting or twisting of the contact pins is possible within certain limits to manufacturing tolerances, as well as dimensional and positional changes, z. B. to compensate for thermal influences.

Die Leiterplatte 9 weist, um die Kontaktstifte 5, 7 durch die Leiterplatte 9 hindurchstecken zu können, Bohrungen 13, 14 auf, wobei die Bohrungen 13, 14 jeweils etwas größer als die Querschnittsfläche der Kontaktstifte 5, 7 ist. Das heißt, dass die Kontaktstifte 5, 7 innerhalb der Bohrungen 13, 14 beweglich sind, um eben Maß- und Lageänderungen, wie zuvor beschrieben, zu ermöglichen.In order to be able to insert the contact pins 5, 7 through the circuit board 9, the circuit board 9 has bores 13, 14, the bores 13, 14 being slightly larger than the cross-sectional area of the contact pins 5, 7 in each case. This means that the contact pins 5, 7 can be moved within the bores 13, 14 in order to allow dimensional and positional changes, as previously described.

Gleichfalls wurde darauf hingewiesen, dass das Piezo-Element 3 in dem Hüllkörper 37 in einer flexiblen Vergussmasse 39 gelagert ist. Medien, deren Strömungsgeschwindigkeit in einem Rohrabschnitt 32 ermittelt werden soll, können unterschiedliche Temperaturen aufweisen. In Abhängigkeit von den jeweiligen Temperaturen beziehungsweise auch Temperaturdifferenzen wird das Piezo-Element 3 sich gegebenenfalls längen oder zusammenziehen, was eben dadurch ermöglicht wird, dass das Piezo-Element 3 in der flexiblen Vergussmasse eingebettet ist. Dadurch, dass auch die Kontaktstifte 5, 7 sich in gewissen Umfang frei relativ zur Leiterplatte 9 und dem Steckverbinder 11 mit den Steckerbuchsen 17 bewegen können, besteht insofern nicht die Gefahr, dass die Strömungssensoreinrichtung 1 in irgendeiner Weise Schaden nimmt. Denn schlussendlich kann sie sich in X, Y und Z-Richtung in geringem Umfang bewegen, was allerdings ausreichend ist, um z. B. Temperaturdifferenzen kompensieren zu können. Auch wird durch die gefundene Konstruktion der Strömungssensoreinrichtung 1 die Montage erleichtert, und zwar insofern, als eine optische Lagekontrolle des Piezo-Elements in dem flexiblen Kunststoffkörper 35 nach der Montage ermöglicht wird, denn der Überstand der Kontaktstifte über die Steckerbuchsen bildet auch ein Maß für die Eintauchtiefe des Piezo-Elements in dem Kunststoffkörper 35.It was also pointed out that the piezo element 3 is mounted in a flexible casting compound 39 in the enveloping body 37 . Media whose flow rate is to be determined in a pipe section 32 can have different temperatures. Depending on the respective temperatures or temperature differences, the piezo element 3 will lengthen or contract, which is made possible by the fact that the piezo element 3 is embedded in the flexible casting compound. Because the contact pins 5, 7 can also move freely to a certain extent relative to the printed circuit board 9 and the connector 11 with the sockets 17, there is no risk of the flow sensor device 1 being damaged in any way. After all, it can move to a small extent in the X, Y and Z directions, which is sufficient, however, to z. B. to be able to compensate for temperature differences. The found construction of the flow sensor device 1 also makes assembly easier, to the extent that an optical position control of the piezo element in the flexible plastic body 35 is made possible after assembly, because the projection of the contact pins over the sockets also forms a measure for the Immersion depth of the piezo element in the plastic body 35.

BezugszeichenlisteReference List

11: Strömungssensoreinrichtungflow sensor device
33: Piezo-Elementpiezo element
55: Kontaktstiftcontact pin
5a5a: Lötverbindungsolder connection
77: Kontaktstiftcontact pin
7a7a: Lötverbindungsolder connection
99: Leiterplattecircuit board
1111: Steckverbinderconnector
1313: Bohrung in LeiterplatteHole in circuit board
1414: Bohrung in LeiterplatteHole in circuit board
1616: Isolierkörper der Kontaktstifte 5, 7Insulators of contact pins 5, 7
1717: Steckerbuchse für KontaktstiftSocket for contact pin
1818: Federkontakte der SteckerbuchseSpring contacts of the socket
3030: Durchflussmessgerätflow meter
3232: Rohrabschnitt des DurchflussmessgerätsFlow meter pipe section
3333: Störkörper im RohrabschnittDisturbing bodies in the pipe section
3535: Kunststoffkörperplastic body
3737: Hüllkörper der Kunststoffkörperenveloping body of the plastic body
3939: flexible Vergussmasseflexible potting compound
4141: Kopf des Kunststoffkörpershead of the plastic body
4343: konische Aussparungconical recess
5050: PfeilArrow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 1686353 A1 [0003]

Claims

Flow sensor device (1) comprising a piezo element (3) and a printed circuit board (9) which is electrically conductively connected to the piezo element (3), characterized in that at least two contact pins (5, 7) are used for the electrically conductive connection are provided, which are connected to the printed circuit board (9) by electrically conductive sockets (17).

Flow sensor device (1) after claim 1 , characterized in that the contact pins (5, 7) of the piezo element (3) are arranged so that they overlap laterally on the piezo element (3) in an electrically conductive manner.

Flow sensor device (1) after claim 2 , characterized in that to form the fixed bearing in the overlapping area of the contact pins (5, 7) on the piezo element (3) there is a stiffening of the piezo element, so that the piezo element (3) can be pivoted with the free end.

Flow sensor device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that above the front end of the piezo element (3) the contact pins (5, 7) are connected to one another by an insulating body (16), the insulating body (16) having at least two Has openings for the implementation of at least two contact pins (5, 7).

Flow sensor device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sockets (17) are part of a plug connector (11).

Flow sensor device (1) after claim 5 , characterized in that the plug connector (11) is electrically conductively connected to the circuit board (9).

Flow sensor device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sockets (17) are designed as spring contacts (18).

Flow sensor device (1) after claim 7 , characterized in that the spring contacts (18) receive the contact pins (5, 7) in such a way that the contact pins (5, 7) remain in contact with the spring contacts (18) when deflected in the X and Y directions.

Flow sensor device (1) after claim 7 or 8th , characterized in that the length of the contact pins (5, 7) protrudes beyond the spring contacts (18) in the Z-direction.

Flow sensor device (1) according to one of the preceding ones Claims 7 until 9 , characterized in that the spring contacts (18) are arcuate about the transverse axis.

Flow sensor device (1) according to one of the preceding ones Claims 7 until 10 , characterized in that the spring contacts (18) are arc-shaped around the vertical axis.

Flow meter (30) arranged in a pipe section (32), comprising a bluff body (33) and a flow sensor device (1) arranged downstream of the bluff body (33) as seen in the direction of flow, according to one or more of the above Claims 1 until 11 .

Flow meter (30) after claim 12 , characterized in that the piezo element (3) is mounted in a flexible plastic body (35) which protrudes into the tube section (32).

Flow meter (30) after Claim 13 , characterized in that the plastic body (35) has a flexible enveloping body (37) at its end protruding into the tube section (32), the piezoelectric element (3) in the enveloping body (37) being at least partially surrounded by a flexible casting compound .

Flow meter (30) according to one or more of Claims 12 until 14 , characterized in that the piezo element (3) is embedded below the fixing of the contact pin (5) on the piezo element (3) in the flexible potting compound of the enveloping body (37).

Flow meter (30) according to one of Claims 14 or 15 , characterized in that the plastic body (35) has a head (41) in the region of the tube wall, the head (41) having a conical recess (43), the region of the piezo element being located in the conical recess (43). is located on which the contact pins (5, 7) are fixed.