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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sondenelements, ein derartiges Sondenelement und ein thermisches Durchflussmessgerät mit einem derartigen Sondenelement.
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Ein thermisches Durchflussmessgerät weist typischerweise Sondenelemente auf, welche in ein Messrohr derartiger Durchflussmessgeräte hineinragen und im Betrieb von einem Medium, insb. einem Fluid, umströmt werden. Üblicherweise ist mindestens ein Sondenelement zum Erfassen einer Medientemperatur (Temperaturerfassung-Sondenelement) und mindestens eine Sondenelement zum Heizen des Mediums eingerichtet (Heiz-Sondenelement). Beispielsweise kann aus einem Heizstrom, welcher zur Aufrechterhaltung einer Temperaturdifferenz zwischen Heiz-Sondenelement und Temperaturerfassung-Sondenelement benötigt wird, auf einen Massedurchfluss rückgeschlossen werden.
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Um eine Temperaturänderung des Mediums oder eine Durchflussänderung schnell erfassen zu können, ist eine geringe thermische Masse des Sondenelements sowie ein guter thermischer Übergang zwischen Sondenelement und Medium wichtig.
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Die
DE 10 2016 121 110 A1 schlägt vor, ein Sondenelement mittels Aufschmelzen von Silber als Sondenkern in einer Sondenhülse herzustellen. Auf diese Art und Weise kann prinzipiell ein guter thermischer Übergang zwischen Sondenelement und Medium hergestellt werden, jedoch ist das Verfahren anfällig für die Ausbildung von Blasen, so dass eine Lunkerbildung schwierig zu kontrollieren ist. Daraus resultiert ein hoher Ausschussanteil bei der Fertigung der Sondenelemente.
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Die
DE 10 2019 110 312 A1 schlägt zur Lösung dieses Problems vor, eine Stange für ein Sondenelement bereitzustellen. Es wird eine separate Sondenhülse und ein Sondenkern bereitgestellt. Über ein Explosionsschweißen wird die Sondenhülse bezüglich der Längsachse vollumfänglich radial in Richtung des Sondenkerns verformt, wodurch erst eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Sondenhülse und Sondenkern entsteht und somit die Stange gefertigt wird. Diese Lösung reduziert gegenüber der
DE 10 2016 121 110 A1 die Lunkerbildung. Nachteilig bei dem Explosionsschweißen ist jedoch zum einen, dass man bezüglich der Form des Sondenkörpers an extrudierte Profile gebunden ist. Zudem wird anschließend an der Stange noch ein rundlicher Sondenkopf angebracht, so dass der Sondenkern erst im Nachhinein durch einen Stopfen abgeschlossen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Sondenelements und ein verbessertes Sondenelement anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sondenelements sowie durch ein Sondenelement.
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Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung eines Sondenelements wird die Aufgabe gelöst durch ein
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Verfahren zur Herstellung eines in ein Medium einbringbaren Sondenelements, insb. ein Sondenelement für einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Mediums oder ein Sondenelement für ein thermisches Durchflussmessgerät zur Messung des Massedurchflusses des Mediums in einem Messrohr, das Verfahren umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines länglichen Sondenkörpers mit einer Längsachse,
- wobei der Sondenkörper durch ein generatives, insb. additives, Fertigungsverfahren hergestellt wird, mittels 3D-Druckverfahren unter Verwendung zumindest zweier voneinander verschiedener Materialien,
- wobei der Sondenkörper eine außenliegende Sondenhülse und einen in der Sondenhülse angeordneten, innenliegenden Sondenkern aufweist,
- wobei insb. die Sondenhülse den Sondenkern zumindest teilweise räumlich umgibt,
- und wobei die Sondenkern und die Sondenhülse in dem generativen Fertigungsverfahren stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
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Insb. wird also im Rahmen der Erfindung der Sondenkörper also in einem Urformen durch generative Fertigung (klassifiziert in der Gruppe 1.10 nach DIN 8580 der Urfom-Fertigungsverfahren) hergestellt.
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Bei dem generativen Fertigungsverfahren (auch 3D-Druckverfahren, wobei unter den Begriff 3-D Druckverfahren alle bekannten generativen Herstellungsverfahren zu subsumieren sind) wird vorteilhaft direkt die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem innenliegenden Sondenkern und der außenliegenden Sondenhülse hergestellt. Dadurch liegt ein verbesserter thermischer Übergang zwischen dem Sondenkern und der Sondenhülse vor. Ferner liegen in dem generativen Fertigungsverfahren im Wesentlichen keine Einschränkungen an die Form des länglichen Sondenkörpers vor.
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Insbesondere werden der Sondenkern und die Sondenhülse in dem generativen Fertigungsverfahren in einem gemeinsamen Druckvorgang gefertigt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Sondenkörper, insb. in dem generativen Fertigungsverfahren, derart gefertigt, dass der Sondenkörper einem dem Medium zuzuwendenden Abschluss aufweist, an welchem Abschluss der Sondenkörper mediendicht abgeschlossen ist.
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Der Abschluss ist also insb. bereits Teil des in dem generativen Fertigungsverfahren gefertigten Sondenkörpers und wird direkt als mediendicht gefertigt. Ein zusätzlicher Sondenkopf bzw. Stopfen zum medienseitigen Verschließen des Sondenkörpers ist nicht vonnöten. Der mediendichte Abschluss wird insb. durch die außenliegende Sondenhülse bereitgestellt, sprich, wird durch die Sondenhülse direkt gebildet. Die Form des Abschlusses ist optimiert, bspw. strömungsoptimiert. Insb. weist der Abschluss eine rundliche Form auf.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Mechanisches Bearbeiten, insb. Spanendes Bearbeiten, einer Oberfläche des Sondenelements, insb. der Sondenhülse, derart, dass die Oberfläche eine mittlere Rauheit (Ra) kleiner als 3,2 µm (Mikrometer), insb. kleiner als 0,8 µm (Mikrometer), aufweist, anschließend zu dem Bereitstellen des Sondenkörpers durch das generative Fertigungsverfahren.
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Insb. ist die mittlere Rauheit für einen erfindungsgemäßen Sondenkörper kleiner 0,3 µm (Mikrometer).
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Insb. ist die bearbeitete Oberfläche diejenige Oberfläche des Sondenkörpers, insb. der Sondenhülse, welche mit dem Medium in Kontakt bringbar ist.
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Insb. wird der Sondenkörper vollumfänglich spanend bearbeitet. Für den Fall eines im Wesentlichen zylinderförmigen Sondenkörpers wird dieser bspw. durch Drehen spanend bearbeitet. Dies bevorzugt vollumfänglich auf der zylinderförmigen Manteloberfläche.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Mechanisches Bearbeiten, insb. Spanendes Bearbeiten, einer Anschlussfläche in einem Anschlussbereich des Sondenkörpers, welcher Anschlussbereich insb. dem Abschluss gegenüberliegend angeordnet ist, in Bezug auf die Längsachse des Sondenkörpers
- - Anordnen zumindest eines Sensorelements auf der Anschlussfläche, derart, dass das zumindest eine Sensorelement an den Sondenkern thermisch gekoppelt ist;
- - Aufstecken einer Anschlusshülse auf den Sondenkörper seitens der Anschlussfläche derart, dass das zumindest eine Sensorelement von der Anschlusshülse abgedeckt wird.
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Bevorzugt wird das Sensorelement an den Sondenkern thermisch dadurch gekoppelt, dass an der Anschlussfläche der innenliegende Sondenkern, insb. zumindest bereichsweise, freigelegt ist oder wird und das auf der Anschlussfläche angeordnete Sondenelement auf denjenigen Bereich der Anschlussfläche aufgebracht ist, an dem der Sondenkern freigelegt ist. Dadurch liegt ein unmittelbarer Kontakt zwischen Sondenkern und Sensorelement vor, wodurch die thermische Koppelung des Sensorelement an den Sondenkern hergestellt ist. Das Freilegen des Sondenkerns an der Anschlussfläche erfolgt bspw. anschließend zu dem Schritt des Bereitstellen des Sondenkörpers, nämlich erst durch das Spanende Bearbeiten. Es ist alternativ im Rahmen der Erfindung auch möglich, den an der Anschlussfläche zumindest bereichsweise freigelegten Sondenkern direkt bei dem Herstellen des Sondenkörpers in dem generativen Druckverfahren als freigelegt auszugestalten.
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An der Anschlussfläche ist die mittlere Rauheit insb. kleiner als 3,2 µm (Mikrometer).
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Ggf. weist die Anschlussfläche einen Winkel zu der Längsachse auf, siehe hierzu bspw. die nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das zumindest eine Sensorelement mit der bearbeiteten Anschlussfläche mechanisch verbunden, wobei das zumindest eine Sensorelement auf die Anschlussfläche gelötet, geklebt und/oder gesintert wird.
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Bevorzugt wird das Sensorelement auf die bearbeitete Anschlussfläche gesintert.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird nach dem Aufstecken der Anschlusshülse auf den Sondenkörper eine mediendichte Verbindung zwischen der Anschlusshülse und dem Sondenkörper hergestellt.
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Dies insb., indem die Anschlusshülse mit dem Sondenkörper verschweißt wird.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Sondenhülse aus einem ersten Material gefertigt, wobei der Sondenkern aus einem zweiten Material gefertigt wird, und wobei das erste Material eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Material aufweist.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden der Sondenkern und die Sondenhülse schichtweise während des generativen Fertigungsverfahren aufgebaut, wobei während des generativen Fertigungsverfahren Schichten mit einer Schichtdicke gebildet werden, welche Schichtdicke 10-500 µm (Mikrometer) beträgt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist das generative Fertigungsverfahren ein additives Fertigungsverfahren, bei welchem eines der folgenden additiven Fertigungsverfahren verwendet wird: Selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Selektives Lasersintern.
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Bezüglich des Sondenelements wird die Aufgabe gelöst durch ein
Sondenelement, insb. für einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Mediums oder für ein thermisches Durchflussmessgerät zur Messung des Massedurchflusses des Mediums in einem Messrohr, insb. erhältlich durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das Sondenelement umfassend:
- - einen durch ein generatives Fertigungsverfahren unter Verwendung zumindest zweier voneinander verschiedener Materialien hergestellten, länglichen Sondenkörper mit einer Längsachse, wobei der Sondenkörper eine außenliegende Sondenhülse und einen in der Sondenhülse angeordneten, innenliegenden Sondenkern aufweist,
- wobei insb. die Sondenhülse den Sondenkern zumindest teilweise räumlich umgibt,
- und wobei der Sondenkern und die Sondenhülse, insb. mittels des generativen Fertigungsverfahrens, stoffschlüssig miteinander verbunden sind;
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist dieses auf:
- - zumindest ein Sensorelement, welches auf einer Anschlussfläche in einem Anschlussbereich des Sondenkörpers angeordnet ist, welcher Anschlussbereich insb. dem Abschluss gegenüberliegend angeordnet ist, in Bezug auf die Längsachse des Sondenkörpers
- und wobei das zumindest eine Sensorelement mit dem Sondenkern thermisch gekoppelt ist; und
- - eine Anschlusshülse, die derart seitens der Anschlussfläche auf den Sondenkörper gesteckt ist, dass die Anschlusshülse das zumindest eine Sensorelement abdeckt, wobei die Anschlusshülse und der Sondenkörper mediendicht miteinander verbunden sind.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements handelt es sich bei dem zumindest einem Sensorelement um eines der folgenden:
- - ein Temperatursensorelement;
- - ein Heizelement;
- - ein Sensorelement, das sowohl zum Messen der Temperatur als auch zum Heizen ausgestaltet ist.
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Bspw. handelt es sich bei dem Sensorelement um einen widerstandsbasiertes, Sensorelement, bspw. ein kaltleitendes Widerstandselement, insb. ein Pt100. Im letzten Fall ist das Sensorelement als ein kombiniertes Heiz-/Temperaturmesselement ausgebildet das - je nach Betrieb- sowohl zum Messen der Temperatur als auch zum Heizen ausgestaltet ist.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist die Sondenhülse ein erstes Material und der Sondenkern ein zweites Material auf,
wobei das erste Material eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Material aufweist.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist das zweite Material eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest 100 W/(m*K), insbesondere zumindest 300 W/(m*K) auf.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements handelt es sich bei dem ersten Material um Edelstahl und/oder Nickelstahl,
und/oder das zweite Material ist ausgewählt aus einem der folgenden: Silber, Kupfer, oder eine Legierung umfassend Silber und/oder Kupfer, insb. umfassend Silber und/oder Kupfer mit einem Anteil von zumindest 60 Gewichtsprozent.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist der Sondenkörper eine im Wesentlichen zylinderförmige Form auf, bei welcher der Sondenkörper senkrecht zu der Längsachse eine runde oder elliptische Querschnittsfläche aufweist.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist der Sondenkörper senkrecht zu der Längsachse eine stromlinienförmige und/oder eckige Querschnittsfläche auf.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist der Sondenkörper senkrecht zu der Längsachse eine Querschnittsfläche auf, die sich entlang der Längsachse ändert, und insb. sich ausgehend von dem Anschlussbereich zu dem Abschluss des Sondenkörpers hin verjüngt.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements weist der Sondenkern einen minimalen Durchmesser von zumindest 1,5 mm auf und/oder wobei die Sondenhülse einen maximalen Durchmesser von höchstens 5 mm aufweist.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements bildet die Sondenhülse eine Wandung für den Sondenkörper, mit einer Wanddicke kleiner als 0,5 mm, insb. kleiner als 0,1 mm.
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In einer Ausgestaltung des Sondenelements beträgt in jeder Querschnittsfläche des Sondenkörpers senkrecht zu der Längsachse der Anteil des Sondenkerns an der Querschnittsfläche mindestens 80%, insb. mindestens 90%, auf einem Sondenkern-Abschnitt, welcher Sondenkern-Abschnitt sich von der Anschlussfläche ausgehend in Richtung der Längsachse bis zu dem Ende des Sondenkerns angrenzend zu dem Abschluss erstreckt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Thermisches Durchflussmessgerät, umfassend:
- ein Messrohr zum Führen eines strömungsfähigen Mediums;
- mindestens ein erfindungsgemäßes Sondenelement, wobei das Sondenelement in dem Messrohr angeordnet ist;
- eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Betreiben des mindestens einen Sondenelements und zum Bereitstellen von Durchflussmesswerten; und
- ein Gehäuse zum Behausen der elektronischen Mess-/Betriebsschaltung.
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In einer Ausgestaltung des thermischen Durchflussmessgeräts umfasst dieses:
- ein erstes Sondenelement mit zumindest einem zum Heizen ausgestalten Sensorelement;
- und ein zweites Sondenelement mit zumindest einem zum Messen der Temperatur ausgestalteten Sensorelement;
- wobei die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, das erste Sondenelement zu beheizen und die Temperatur des Mediums mittels des zweiten Sondenelements zu ermitteln.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, nicht maßstabsgetreuen Figuren näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen. Wenn es die Übersichtlichkeit erfordert oder es anderweitig sinnvoll erscheint, wird auf bereits erwähnte Bezugszeichen in nachfolgenden Figuren verzichtet.
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Es zeigen:
- 1a: Eine Schnittansicht einer Ausgestaltung eines Sondenkörpers 14 eines erfindungsgemäßen Sondenelements 10;
- 1b, c: Querschnittsflächen entlang einer Richtung A senkrecht zur Längsachse 11.2, in unterschiedlichen Ausgestaltungen eines Sondenkörpers 14 eines erfindungsgemäßen Sondenelements 10;
- 1d: Eine Schnittansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Sondenkörpers 14 eines erfindungsgemäßen Sondenelements 10;
- 2 a-d: Schnittansichten eines Details eines Anschlussbereichs 14.4 eines erfindungsgemäßen Sondenkörpers 14 mit einem Sensorelement 16 auf der Anschlussfläche 12.1 in dem Anschlussbereich 14.4, in einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sondenelements 10;
- 3: Eine Schnittansicht einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sondenelements 10; und
- 4: Eine Ausgestaltung eines thermischen Durchflussmessgeräts mit zwei erfindungsgemäßen Sondenelementen 10a,10b.
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1a) zeigt einen Querschnitt des länglichen Sondenkörpers 14 entlang seiner Längsachse 11.2, wie er mittels des generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird. Dabei wird additiv, bspw. mittels Selektives Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen, Selektives Lasersintern der Sondenkörper 14 schichtweise aufgebaut, mit einem innenliegenden Sondenkern 12, der von der außenliegenden Sondenhülse 11 umgeben ist. Bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Sondenkörpers 14 der Sondenkern 12 und die Sondenhülse 11 gleichzeitig schichtweise aufgebaut und die stoffschlüssige Verbindung direkt bei dem generativen Herstellungsverfahren erzeugt.
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Dadurch ist der vorstehend erwähnte Wärmeübergang optimiert. Das generative Herstellungsverfahren zum Herstellen des Sondenelements ist dabei bspw. an den Schichten des Sondenkörpers 14 erkennbar.
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Der Sondenkörper 14 weist beispielsweise wie hier dargestellt an einem dem Medium zuzuwendenden Abschluss 14.3 eine abgerundete Form auf, wie beispielsweise eine Halbkugel- oder Halbellipsoidform, was vorteilhaft für einen Strömungswiderstand des Sondenkörpers 14 ist. Die genaue Form des Abschlusses 14.3 kann dabei im Rahmen des generativen Fertigungsverfahren bevorzugt frei gestaltet und auf die jeweilige Anwendung hin von der fachkundigen Person optimiert werden.
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Anschließend zur Herstellung des Sondenkörpers 14 in dem generativen Fertigungsverfahren wird eine Oberfläche desselben, insb. der außenliegenden Sondenhülse 11, bearbeitet. Bspw. wird vollumfänglich die Manteloberfläche der Sondenhülse 11 spanend bearbeitet, um eine ausreichend kleine mittlere Rauheit Ra zu erreichen. Die mittlere Rauheit Ra ist kleiner als 3,2 µm, insb. kleiner als 0,8 µm. Bevorzugt ist eine mittlere Rauheit Ra ist kleiner als 0,3 µm, wobei die fachkundige Person den Sondenkörper 14 bzw. die mittlere Rauheit Ra seiner Oberfläche für die jeweilige Anwendung (strömungs-)optimiert.
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Die „Querschnittsfläche senkrecht zu der Längsachse 11.2“ bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung eine Querschnittsfläche mit einer Flächennormalen, wobei die Flächennormale parallel zu der Längsachse 11.2 ist.
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Im einfachsten Fall ist der Sondenkörper 14 zylinderförmig, insb. mit einer runden oder elliptischen Querschnittsfläche des Sondenkörpers 14 entlang einer Richtung senkrecht zu der Längsachse 11.2, bei der die in 1a gezeigte Hilfspfeil A in der Querschnittsfläche liegt.
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1b) und 1c) zeigen mögliche Alternativen für Querschnittsflächen, bei denen die gestalterische Freiheit des generativen Fertigungsverfahrens ausgenutzt wird. Hier in einer Aufsicht auf die Querschnittsfläche des Sondenkörpers, so dass der gezeigte Hilfspfeil A um 90° gedreht ist, im Vergleich zu der Ansicht aus 1a).
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1b) zeigt eine zumindest teilweise eckige und zumindest teilweise runde Querschnittsfläche. Mit einer zumindest teilweisen eckigen Querschnittsfläche werden Abrisskanten bereitgestellt. 1c) zeigt eine weitere Form der Querschnittsfläche, bei der eine stromlinienförmige Form (auch: tropfenförmige Form) gewählt ist. Je nach Anströmrichtung und/oder Anwendung kann die Ausgestaltung der Form der Querschnittsfläche gemäß 1b) oder 1c) bevorzugt sein.
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1d) zeigt eine weitere Möglichkeit zur Gestaltung der Form des Sondenkörpers 14, bei der sich die Querschnittsfläche von dem Anschlussbereich 14.4 ausgehend bis zu dem Abschluss 14.3 hin verkleinert.
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Der Sondenkörper 14 weist typischerweise, unabhängig von der hier gezeigten Ausgestaltung, eine Länge in Richtung der Längsachse 11.2 von 1 bis 3 cm auf.
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Wie bereits vorstehend erwähnt ist die Sondenhülse 11 dünn im Vergleich zu dem Sondenkern 12 und bildet damit eine Wandung für den Sondenkörper 14. Dies, da z.B. die Sondenhülse 11 eine Wanddicke kleiner als 0,5 mm, insb. kleiner als 0,1 mm, und der Sondenkern 12 zumindest eine Wanddicke von 1,5 mm aufweist.
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Unabhängig von der jeweiligen Ausgestaltung nimmt der Sondenkern 12 einen Großteil der Querschnittsfläche auf einem Sondenkern-Abschnitt ein. Letztere erstreckt sich von der Anschlussfläche 12.1 - siehe 2a) -d) - in dem Anschlussbereich 14.4 ausgehend in Richtung der Längsachse 11.2 bis zu dem Ende des Sondenkerns 12 angrenzend zu dem Abschluss 14. Der Anteil des Sondenkerns 12 an der Querschnittsfläche beträgt mindestens 60%, bspw. 2/3, bevorzugt mindestens 80%, auf diesem vorstehend erwähnten Sondenkern-Abschnitt.
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Die Sondenhülse 11 bildet mit ihrer Wandung eine mediendichte Dichtfläche für den Sondenkörper 14. Die Sondenhülse 11 umgibt den Sondenkern 12 fast vollständig, bis auf eine (freigelegte) Anschlussfläche 12.1 (siehe 2a-d) des Sondenkerns 12 in einem Anschlussbereich 14.4.
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Dabei ist an der Anschlussfläche 12.1 bspw. der Sondenkern 12 in dem generativen Fertigungsverfahren direkt als freigelegt hergestellt. Alternativ wird der Sondenkern 12 erst mittels einem mechanischen Bearbeitens, insb. Spanendem Bearbeiten, der Anschlussfläche 12.1, nämlich anschließend zu dem generativen Fertigungsverfahren, freigelegt.
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In jedem Fall liegt an der Anschlussfläche 12.1 der Sondenkern 12 derart zumindest bereichsweise als freigelegt vor, dass an der Anschlussfläche 12.1 ein anschließend darauf aufgebrachtes Sensorelement 16 an den Sondenkern 12 thermisch ankoppelbar ist. Dies ist in den nachstehend erläuterten 2a) - d) näher dargestellt.
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2a) zeigt ein Detail des Anschlussbereichs 14.4 des Sondenkörpers 14. Auf die Anschlussfläche 12.1 ist ein Sensorelement 16 flach angeordnet. Das Sensorelement 16 wird beispielsweise mittels Löten, Kleben oder Sintern auf der Anschlussfläche 12.1 befestigt. Die Anschlussfläche 12.1 ist in dieser Ausgestaltung senkrecht zu der Längsachse 11.2, weitere Anordnungen sind in Fig. b) -d) gezeigt. Die Anschlussfläche 12.1 ist durch eine Stirnfläche des Sondenkerns 12 gebildet, so dass das Sensorelement 16 unmittelbar mit dem Sondenkern 12 thermisch gekoppelt ist. Das Sensorelement 16 weist dabei mehrere elektrische Anschlussleitungen 16.1 auf, mittels welchen das Sensorelement 16 an eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 3 (siehe 4), anschließbar ist, bspw. zum Betrieb des Sensorelements 16 in einer Zwei-, Drei-, Vier-Leiter etc. Schaltung durch die elektronische Mess-/Betriebsschaltung 3.
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Die Sondenhülse 11 weist angrenzend zu der Anschlussfläche 12.1, zur Verbindung der Sondenhülse 11 mit der Anschlusshülse 17 einen verjüngten Abschnitt 11.1 auf. Die Anschlusshülse wird auf den verjüngten Abschnitt 11.1 aufgeschoben, vgl. die nachstehend gezeigte 3. Der verjüngte Abschnitt 11.1 der Sondenhülse 11 wird direkt in dem generativen Verfahren erhalten und/oder durch ein anschließendes Bearbeiten, bspw. Spanendes Bearbeiten, erzeugt.
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2 b) bis d) skizzieren Querschnitte durch beispielhafte erfindungsgemäße Sondenkörper 14 mit Sondenkern 12 und Sondenhülse 11. Bei 2b) und c) ist in einem freigelegten Bereich in dem Anschlussbereich 14.4 jeweils ein Vorsprung 12.3 mit einer Anschlussfläche 12.1 aus dem Sondenkern 12 gezeigt. Dieser wird, ähnlich wie der verjüngte Abschnitt 11.1 der Sondenhülse 11 durch Bearbeiten herausgearbeitet, und/oder im Rahmen des generativen Fertigungsverfahrens direkt erzeugt. Auf der Anschlussfläche 12.1 ist das Sensorelement 16 angebracht. Bei 2 d) ist ein Durchmesser des Sondenkörpers groß genug, um das Sensorelement 16 flach auf einer Anschlussfläche 12.1 anzuordnen, welche senkrecht zur Längsachse 11.2 des Sondenkörpers 14 liegt. Die in 2 b) und c) gezeigten Ausführungsbeispiele erlauben es Sondenelemente 10 mit geringem Durchmesser zu fertigen. Für eine derartige, in 2b) und c) Anordnung ist in einer Ausgestaltung des Sondenelements 10 der Winkel der Anschlussfläche 12.1 zur Längsachse 11.2 kleiner als 30 Grad, und insbesondere kleiner als 20 Grad, bevorzugt kleiner als 10 Grad. Auf diese Art und Weise kann eine thermische Masse der Sondenelemente 10 und somit ein Ansprechverhalten optimiert werden.
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3 skizziert ein Endstadium der Herstellung eines erfindungsgemäßen Sondenelements 10, wobei nach Anbringen des Sensorelements 16 auf der Anschlussfläche 12.1 eine Anschlusshülse 17 über den Sondenkörper 14 in dem Anschlussbereich 14.4 geschoben wird, insb. über die in den Detailansichten in 2a-d gezeigte 11.1 Verjüngung. Die Anschlusshülse 17 wird insbesondere derart über den Sondenkörper 14 geschoben, dass ein freigelegter Bereich des Sondenkerns 12 vollständig im Inneren der Anschlusshülse 17 aufgenommen ist. Nach Befestigen der Anschlusshülse 17, beispielsweise mittels Schweißen, insb. mittels einer Laserrundnaht, ist die Anschlusshülse 17 mediendicht mit der Sondenhülse 11 verbunden und der Sondenkern 12 und das Sensorelement 16 liegen vollständig im Inneren der Sondenhülse 11 und der Anschlusshülse 17.
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Die in 1a) bis d), 2a) bis d) und 3 gezeigte Sondenhülse 11 ist aus einem ersten Material umfassend einen Edelstahl und/oder Nickelstahl 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 auch aus dem ersten Material gefertigt.
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Da Edelstahl bzw. Nickelstahl eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das zweite Material aufweist, führt eine Temperaturänderung der Sondenhülse 11, welche beispielsweise durch eine Änderung der Medientemperatur verursacht wurde, zu einer gleichmäßigen, bzw. fast konstanten Temperaturverteilung im Sondenkern 12, und somit bei dem erfindungsgemäßen Sondenelement 10.
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4 zeigt eine schematische Frontansicht auf ein beispielhaftes thermisches Durchflussmessgerät 1 mit einem Messrohr 2 und zwei erfindungsgemäßen Sondenelementen 10a, 10b, welche im Lumen des Messrohrs 2 angeordnet sind, und einem Gehäuse 4, welches Gehäuse 4 eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung 3 aufweist. Die elektronische Mess-/Betriebsschaltung 3 ist dazu eingerichtet, die Sondenelemente 10a, 10b zu betreiben und Durchflussmesswerte bereitzustellen. Um den Massedurchfluss eines strömungsfähigen Mediums durch das Messrohr 2 zu messen, wird beispielsweise eine erstes Sondenelement 10a im durch das Messrohr 40 strömenden Medium derart beheizt, dass eine Temperaturdifferenz gegenüber der Medientemperatur konstant bleibt. Ein zweites Sondenelement 10b kann dabei zur Messung der Temperatur des Mediums verwendet werden. Unter Voraussetzung gleichbleibender Medieneigenschaften bspw. Dichte oder Zusammensetzung, lässt sich über den zum Halten der Temperatur notwendigen Heizstrom auf den Massedurchfluss des Mediums schließen. Das hier skizzierte thermische Durchflussmessgerät 1 ist beispielhaft, die fachkundige Person wird sich eine Anzahl von Sondenelementen 10;10a;10b gemäß ihren Anforderungen zusammenstellen und diese im Messrohr 2 in einer gewünschten Weise anordnen. Verfahren zum Betreiben solcher Sondenelement 10,10a,10b sind Stand der Technik.
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Bezugszeichen und Symbole
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- 1
- thermisches Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- elektronische Mess-/Betriebsschaltung
- 4
- Gehäuse
- 10,10a,10b
- Sondenelemente
- 11
- Sondenhülse
- 11.1
- Verjüngung
- 11.2
- Längsachse
- 12
- Sondenkern
- 12.1
- Anschlussfläche
- 12.3
- Vorsprung
- 14
- Sondenkörper
- 14.3
- Abschluss des Sondenkörpers
- 14.4
- Anschlussbereich
- 16, 16a, 16b
- Sensorelemente
- 16.1
- Anschluss
- 17
- Anschlusshülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016121110 A1 [0004, 0005]
- DE 102019110312 A1 [0005]
