DE19640773C2 - Sensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler, zur Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit flüssiger, pasteuser oder gasförmiger Medien. Er besitzt einen vorzugsweise metal lischen in eine Wandung einschraubbaren Gehäuseteil und weist einen die elektrischen Meßelemente aufnehmenden Sensorteil auf. Mindestens eines der Meßelemente ist durch einen elek trischen Strom beheizt. Sie sind elektrisch isoliert aber wärme leitend mit der Innenwandung des Sensorteils verbunden.The invention relates to a sensor, to measure the flow velocity of liquid, paste users or gaseous media. It preferably has a metal and screw into a wall a sensor part receiving the electrical measuring elements on. At least one of the measuring elements is by an elec heated electricity. They are electrically insulated but warm conductively connected to the inner wall of the sensor part.
Der eingangs beschriebene Meßfühler wird in Verbindung mit den in seinem Inneren untergebrachten elektrischen Kompo nenten dazu benutzt, die Strömungsgeschwindigkeit flüssiger, pasteuser oder gasförmiger Medien zu erfassen. Zu diesem Zweck wird der Meßfühler in der Weise mit dem Medium in Kontakt gebracht, daß sein Gehäuseteil in eine Wandung ein geschraubt wird, die das Meßmedium vom Außenraum trennt und der Sensorteil in dieses Medium, das Meßmedium, eintaucht. Diese Technik ist z. B. in der DE 42 33 284 A1 aufgezeigt.The sensor described at the beginning is used in conjunction with the electrical compo housed inside used to make the flow velocity more fluid, to detect pasteuser or gaseous media. To this The purpose of the sensor is in such a way with the medium in Contact brought that his housing part into a wall is screwed, which separates the medium from the outside and the sensor part is immersed in this medium, the measuring medium. This technique is e.g. B. shown in DE 42 33 284 A1.
Es gibt unterschiedliche bekannte Techniken, bei denen die elektrischen Meßelemente im Innenraum eines Meßfühlers stirnseitig eingebracht sind. In der DE 37 13 981 A1 oder der DE 39 43 437 C2 sind die elektrischen Meßelemente elek trisch isoliert aber wärmeleitend mit dem stirnseitigen Teil dieses geschlossenen Zylinders verbunden. In der DE 39 33 689 A1 ist ein Meßfühler beschrieben, dessen Sensor teil, der in das Meßmedium eintaucht, flach ausgebildet ist. Der Durchmesser des Sensorteils entspricht etwa demjenigen des Gehäuseteils. There are different known techniques in which the electrical measuring elements in the interior of a sensor are introduced at the front. In DE 37 13 981 A1 or DE 39 43 437 C2 are the electrical measuring elements elek trisch insulated but thermally conductive with the front Part of this closed cylinder connected. In the DE 39 33 689 A1 describes a sensor whose sensor part that is immersed in the measuring medium, is flat. The diameter of the sensor part corresponds approximately to that of the housing part.
In der DE 42 33 284 A1 ist ein Meßfühler beschrieben, dessen Sensorteil kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei das die Strömung erfassenden Sensorelement im flachen Teil des Kegelstumpfes innerhalb des Meßgehäuses angeordnet ist. Bei dieser Lösung sind keine Maßnahmen getroffen, Druckänderungen des Mediums aufzufangen, oder einen kontinuierlichen Strö mungsfluß zu erzeugen.DE 42 33 284 A1 describes a sensor whose Sensor part is frustoconical, the the flow sensing sensor element in the flat part of the Truncated cone is arranged within the measuring housing. At No measures have been taken in this solution, pressure changes of the medium, or a continuous flow generating flow.
Allen diesen bekannten Techniken ist gemeinsam, daß die die Strömung erfassenden Meßelemente in demjenigen Sensorteil angeordnet sind, der flach ausgebildet ist. Die Folge dieser Geometrie ist ein diskontinuierlicher Strömungsverlauf, der je nach Viskosität und Strömungsgeschwindigkeit eine Wirbel bildung veranlaßt und damit zu einer Verfälschung des Meß ergebnisses führt. Ein besonderer Nachteil der Ausbildung der Sensorteile ist aber, daß bei Druckbelastung solcher Meßfühler mechanische Spannungen auf das Meßelement, das im Innenreich des Meßfühlers auf die Wandung aufgebracht ist, übertragen werden. Besteht dieses Meßelement z. B, aus einer Keramikscheibe, die durch eine Lötverbindung mit der Wandung des Sensorteils fest verbunden ist, so treten mechanische Spannungen zwischen dieser Lötverbindung und der Keramikscheibe auf, die zu einem Bruch oder einer Ablösung dieser Scheibe führen können. Ist das Meßelement nicht angelötet, sondern nur gegen die Flachwandung gepreßt, besteht bei periodischer Wechselbelastung die Gefahr, daß der Wärmekontakt zur Wandung des Sensorteils verloren geht.All these known techniques have in common that the Flow-sensing elements in that sensor part are arranged, which is flat. The consequence of this Geometry is a discontinuous flow that a vortex depending on viscosity and flow rate education and thus falsify the measurement results. A particular disadvantage of training the sensor parts is that such under pressure Sensor mechanical stresses on the measuring element is applied to the wall in the interior of the sensor, be transmitted. Is this measuring element z. B, from one Ceramic disc through a solder connection to the wall of the sensor part is firmly connected, mechanical occur Tensions between this solder joint and the ceramic disc on, leading to breakage or detachment of this disk being able to lead. If the measuring element is not soldered, but only pressed against the flat wall, exists with periodic Alternating load the risk that the thermal contact to the wall of the sensor part is lost.
In der DE 37 29 073 A1 sind die die Strömung erfassenden Meß elemente in einem Sensorteil angeordnet, der kugelförmig ausgebildet ist. Auch bei dieser Technik sind keine Maßnahmen getroffen, auf das Sensorsystem einwirkenden Druckspitzen aufzufangen. In DE 37 29 073 A1 are the measuring the flow elements arranged in a sensor part that is spherical is trained. Also with this technique there are no measures hit, pressure peaks acting on the sensor system to catch up.
In der DE 33 02 080 A1 ist ein Sensorteil beschrieben, der eine nach innen gewölbte Oberfläche des Sensorteils auf weist, wobei das sensorische Element von einem Lot um mantelt, jedoch nicht in ein selbsttragendes Gehäuse ein gebracht ist, und wo sich die Oberfläche beim Schrumpfen des Lotes ausbildet, was zu einer nicht genau vorgebbaren Oberflächenformgebung führt.DE 33 02 080 A1 describes a sensor part which an inwardly curved surface of the sensor part has, wherein the sensory element of a solder sheaths, but not in a self-supporting housing and where the surface is when shrinking of the solder forms what is not an exactly definable Surface shaping leads.
In der DE 40 17 877 A1 ist eine selbsttragende kelchförmige Sensorteiloberfläche beschrieben, die sich an eine zylin drische Meßfläche anschließt, die aber keine Lösung für eine stirnseitig plane Meßfläche aufzeigt.DE 40 17 877 A1 describes a self-supporting cup-shaped Sensor part surface described, which is a cylin drische measuring surface connects, but no solution for shows a flat measuring surface on the face.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Meßfühler anzugeben, der bei unterschiedlichen Medien und Strömungsgeschwindig keiten ein gleichmäßiges Strömungsprofil des Mediums an seiner Oberfläche aufweist, dessen von der Strömungsge schwindigkeit abgeleitetes elektrisches Signal in seinem Erfassungsbereich streng monoton ist, der insbesondere einen verbesserten Wärmeübergang seines stirnseitig in das Meßmedium eingetauchten Sensorteils hat, dessen Wärmeüber gang unabhängig von Anströmungsrichtung und der Viskosität des Meßmediums ist und der mechanisch so ausgebildet ist, daß mechanische Spannungen der Sensorwandung nicht auf das mit dieser Sensorwandung mechanisch verbundene Meßelement ein wirken.The object of the invention is to provide a sensor, that with different media and flow velocity ensure an even flow profile of the medium has its surface, that of the Strömge electrical signal derived in its Detection area is strictly monotonous, in particular an improved heat transfer from his face into that Measuring medium immersed sensor part, the heat transfer regardless of the direction of flow and the viscosity of the measuring medium and which is mechanically designed so that mechanical stresses of the sensor wall not on the this sensor wall a mechanically connected measuring element Act.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Meßfühler mit den Merkmalen nach den Ansprüchen 1 und 3 gelöst. Durch die kugelförmige Ausbildung des Sensorteils wird ein kontinuierliches Strömungsprofil insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten gewähr leistet. This object is achieved according to the invention by a sensor with the Features according to claims 1 and 3 solved. Due to the spherical formation the sensor part becomes a continuous flow profile especially at low flow rates accomplishes.
Für die Erfassung eines größeren Bereiches der Strömungs geschwindigkeit und die Erzeugung einer streng monotonen Kennlinie der elektrischen Auswertung der Strömungsge schwindigkeit ist überraschenderweise eine Geometrie des Sensorteils vorteilhaft, die einer negativen Kugelober fläche entspricht, d. h. daß sich an die Meßfläche des Sensorteils eine, bezogen auf den Innenraum des Sensors, nach innengewölbte, kelchförmige Oberfläche des Sensorteils anschließt.For capturing a larger area of flow speed and generating a strictly monotonous Characteristic of the electrical evaluation of the flow ge Surprisingly, speed is a geometry of the Sensor part advantageous, that of a negative ball top area corresponds to d. H. that the measuring surface of the Sensor part one, based on the interior of the sensor, domed, cup-shaped surface of the sensor part connects.
Hierbei ist die Meßfläche des Sensorteils derjenige Teil seiner Oberfläche, die sich genau in dem Bereich des Sensor teils befindet, wo sich die elektrischen Meßelemente in seinem inneren Bereich gegenüberliegend befinden, gerade in dem Bereich, in dem die Meßelemente elektrisch isoliert, aber wärmeleitend mit der Gehäusewandung verbunden sind. Die mechanischen Spannungen, die auf die stirnseitig auf der Innenwandung des Meßfühlers aufgebrachten Meßelemente einwirken können, werden dadurch minimiert, daß die Wandungs stärke des Sensorteils im Randbereich seiner Innenwandung kleiner ist als in ihrem Mittenbereich. Durch diese Maßnahme be findet sich oberhalb der Meßelemente ein Meßflächenabschnitt, der nur in seinen Außenbereichen auf der Wandung des Gehäuses abgestützt ist. Diese Ausbildung ist äußerst vorteilhaft und verhindert, daß mechanische Spannungspitzen im Zentrum des Meßelementes einwirken können. Diese Konstruktion erlaubt eine mechanisch feste Lötverbindung zwischen Innenwandung des Sensorteils und dem Meßelement, das vorzugsweise auf einer als Träger dienenden Keramikscheibe aufgebracht ist. Es ist jedoch auch denkbar, eine angepreßte Kunststoffolie, z. B. Polyimid, oder eine durch Passivierung elektrisch isolierende Stahlscheibe als Träger zu verwenden.The measuring surface of the sensor part is that part its surface, which is exactly in the area of the sensor partly located where the electrical measuring elements are in located opposite its inner area, just in the area in which the measuring elements are electrically insulated, but are thermally connected to the housing wall. The mechanical stresses on the face measuring elements applied to the inner wall of the sensor can act, are minimized in that the wall Thickness of the sensor part in the edge area of its inner wall is smaller is as in their mid-range. By this measure be there is a measuring surface section above the measuring elements, the only in its outer areas on the wall of the housing is supported. This training is extremely beneficial and prevents mechanical stress peaks in the center of the Measuring element can act. This construction allows a mechanically firm solder connection between the inner wall of the sensor part and the measuring element, which is preferably on a serving as a carrier ceramic disc is applied. It is but also conceivable, a pressed plastic film, for. B. Polyimide, or an electrically insulating one by passivation Steel disc to use as a support.
Bei geeigneter Auslegung der Auswertungselektronik ist nur ein Meßelement erforderlich, das als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist, der periodisch durch einen elek trischen Strom beheizt ist, und der abwechselnd die durch die Heizung erzeugte Eigentemperatur und die Temperatur des Meß mediums erfaßt. With a suitable design of the evaluation electronics is only a measuring element is required, which as a temperature-dependent Resistance is formed, which is periodically by an elek tric electricity is heated, and the alternately by the Heating generated own temperature and the temperature of the measurement mediums recorded.
Die Ausgestaltung der Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.The embodiment of the invention is described in the following Exemplary embodiments explained in more detail.
Fig. 1 zeigt das Gehäuseteil (2) mit einem Einschraubgewinde, einem Schlüsselansatz und dem Sensorteil (1). Der stirnsei tige Teil des Sensorteils (1) ist kugelförmig (3) ausgebildet. Der Innenraum des Gehäuseteils (8) ist stirnseitig muldenförmig aus gebildet (4). Der rotationssymmetrisch ausgebildete Meßfühler hat im Randbereich des Innenteils (4) eine kleinere Wandungs stärke (5) als in seinem Mittenbereich. In Fig. 2 ist nur der Sensorteil dargestellt, dessen Innenbereich die elektrischen Meßelemente (6, 7) und deren Anschlüsse (13) eingebracht sind. In Fig. 3 werden die elektrischen Meßwiderstände (6, 7) durch einen Träger (10) der nur in den Randbereichen der Trägerplatte (14) aufliegt, federnd gestützt. In allen Beispielen ist der Sensorteil (1) an seiner dem Meßmedium zugewandten Stirnseite als Kugelteil (3) ausgebildet. Sensorteil (1) und Kugelteil (3) sind aus einem homogenen Werkstoff gefertigt, wobei der Kugel teil nur zum Gehäuseteil weisend geöffnet ist. Die elektrischen Meßelemente (6, 7) sind elektrisch isoliert, aber wärmeleitend mit der Innenwandung (4) des Kugelteils (3) verbunden, vorzugs weise durch eine metallische Schicht, insbesondere eine Lötver bindung. Fig. 1 shows the housing part ( 2 ) with a screw thread, a key attachment and the sensor part ( 1 ). The end part of the sensor part ( 1 ) is spherical ( 3 ). The interior of the housing part ( 8 ) is trough-shaped on the end face ( 4 ). The rotationally symmetrical sensor has a smaller wall thickness ( 5 ) in the edge area of the inner part ( 4 ) than in its central area. In Fig. 2 only the sensor part is shown, the inner area of which the electrical measuring elements ( 6 , 7 ) and their connections ( 13 ) are introduced. In Fig. 3, the electrical measuring resistors ( 6 , 7 ) are resiliently supported by a carrier ( 10 ) which rests only in the edge regions of the carrier plate ( 14 ). In all examples, the sensor part ( 1 ) is designed as a spherical part ( 3 ) on its end facing the measuring medium. Sensor part ( 1 ) and spherical part ( 3 ) are made of a homogeneous material, the spherical part being open only facing the housing part. The electrical measuring elements ( 6 , 7 ) are electrically insulated, but connected in a heat-conducting manner to the inner wall ( 4 ) of the spherical part ( 3 ), preferably by means of a metallic layer, in particular a solder connection.
Im Innenbereich des Sensorteils (8) ist ein Zylinderteil (11) eingebracht, das in axialer Richtung federt und in Vertiefungen einrastet, die im Innenbereich des Gehäuseteils (2) eingebracht sind.A cylinder part ( 11 ) is inserted in the interior of the sensor part ( 8 ), which springs in the axial direction and engages in recesses which are introduced in the interior of the housing part ( 2 ).
In Abb. 1-4 ist der Innenteil (4) des Kugelteils (3) muldenmörmig ausgebildet, in der Weise, daß die Mulde zentral am tiefsten ist.In Fig. 1-4, the inner part ( 4 ) of the spherical part ( 3 ) is trough-shaped in such a way that the trough is deepest centrally.
Die Mulde ist mit einer wärmeleitfähigen Metalllegierung aus gefüllt, in diesem speziellen Fall mit einer Lötverbindung. Fig. 5 zeigt eine Meßelementeanordnung die auf einen Träger (14) aufgebracht ist. Die temperaturabhängigen Meßelemente (6, 7) weisen Anschlüsse (13) auf und sind in Dünnfilmtechnik ausgeführt. Je nach Ausbildung der Auswertungselektronik ist das Meßelement (6) zusätzlich beheizt, es ist jedoch ebenso gut möglich, das Meßelement (7) zusätzlich zu heizen oder eines von beiden Meßelementen (6, 7) unbeheizt zu lassen. The trough is filled with a thermally conductive metal alloy, in this special case with a soldered connection. Fig. 5 shows a measuring element arrangement which is applied to a carrier ( 14 ). The temperature-dependent measuring elements ( 6 , 7 ) have connections ( 13 ) and are made using thin-film technology. Depending on the design of the evaluation electronics, the measuring element ( 6 ) is additionally heated, but it is equally possible to heat the measuring element ( 7 ) additionally or to leave one of the two measuring elements ( 6 , 7 ) unheated.
In dieser Darstellung sind die temperaturabhängigen Wider stände (6, 7) meanderförmig ausgebildet, je nach Anwendungs möglichkeit ist es auch möglich, diese Widerstände kreis- oder spiralförmig auszuführen und anstelle des Keramikträgers einen Polyimidträger zu verwenden.In this representation, the temperature-dependent resistors ( 6 , 7 ) are meandering, depending on the application, it is also possible to make these resistors in a circular or spiral shape and to use a polyimide support instead of the ceramic support.
Fig. 6 zeigt eine geometrische Ausbildung des Sensorteils mit flach ausgebildeter Meßfläche (15) die eine kelchförmige, zum Innenraum des Sensorteils weisenden Einwölbung der Ober fläche (16) aufweist, die gleichzeitig zu einer ringförmigen Reduzierung der Wandstärke (17) des Sensorteils führt. Fig. 6 shows a geometric design of the sensor part with a flat measuring surface ( 15 ) which has a goblet-shaped, facing the interior of the sensor part arching the upper surface ( 16 ), which simultaneously leads to an annular reduction in the wall thickness ( 17 ) of the sensor part.
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