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Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für einen Massendurchflussmesser vom thermischen Typ, wobei der Sensor ein Strömungsrohr umfasst, durch welches im Betrieb ein Fluid strömen kann, mit einem durch eine um das Rohr gewickelte Windung aus Widerstandsdraht gebildeten Temperaturaufnehmer an einer ersten (stromaufwärts gelegenen) Position A und einem durch eine um das Rohr gewickelte Windung aus Widerstandsdraht gebildeten Heizelement/Temperaturaufnehmer an einer zweiten, stromabwärts gelegenen Position B, wobei das Strömungsrohr auf einem metallenen Fuß montiert ist und sich innerhalb einer auf den Fuß aufgesetzten Kappe befindet.
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Ein bekannter Massendurchflussmesser vom thermischen Typ ist in
EP-A 1139073 beschrieben. Dieser bekannte Massendurchflussmesser umfasst einen Durchflusssensor in der Form eines Wärme leitenden Strömungsrohrs mit einem um das Rohr gewundenen Widerstandsdraht, der als Wärmequelle (Heizelement) und als Temperatursensor fungiert, an einer ersten Position, und einem stromaufwärts angeordneten Temperatursensor. Ein Regelkreis dient dazu, den Temperaturunterschied zwischen den Temperatursensoren bei Strömung konstant zu halten, wobei der Massendurchfluss des durch das Rohr strömenden Fluids anhand von Daten des Regelkreises ermittelt wird. Dieses Messverfahren wird als Konstant-Temperatur-Verfahren (Constant Temperature, CT) bezeichnet.
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Als Nachteil eines derartigen Messsystems hat sich gezeigt, dass bei einem relativ geringen Durchfluss in dem Rohr ein – unerwünschter – Einbruch in dem Messsignal auftritt.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, einfach anzubringende und universell anwendbare Mittel zu schaffen, um das Auftreten dieses Einbruchs so weit wie möglich zu verhindern. Ein Sensor für einen Massendurchflussmesser der in der Einleitung genannten Art ist zu diesem Zweck erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Fuß einen aufrechten Rand hat, um den herum die Kappe klemmt, und dass der Sensor ein flexibles Band aus gut wärmeleitendem Material umfasst, das an einer Stelle zwischen den Windungen um mindestens einen Teil des Rohrumfangs geklebt ist und örtlich zwischen der Kappe und dem Fuß oder dem aufrechten Rand des Fußes eingeklemmt ist.
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Das Anordnen eines flexiblen Bandes aus gut wärmeleitendem Material, zum Beispiel Kupferfolie, wie oben beschrieben, in dem erfindungsgemäßen Sensor sorgt auf die gewünschte Weise dafür, dass die Temperatur bei dem Temperaturaufnehmer nicht aufgrund der Wärmeleitung über das Rohr ansteigt, wenn kein oder nur ein geringer Durchfluss vorliegt.
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Ein erster vorteilhafter Aspekt besteht dabei darin, dass das Band um Rohre von unterschiedlichem Durchmesser geklebt werden kann und daher universell anwendbar ist.
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Ein zweiter vorteilhafter Aspekt besteht darin, dass die Enden des Bandes zwischen der Metallkappe und dem Fuß oder einem aufrechten Rand auf dem Fuß des Sensorgehäuses eingeklemmt werden. Das Einklemmen erfolgt während des Aufsetzens der Kappe auf den Fuß. Es ist also kein gesonderter Herstellungsschritt erforderlich, um das Band in Wärme leitenden Kontakt mit dem Fuß bzw. mit der Kappe zu bringen. Es ist möglich, das flexible Band aus gut wärmeleitendem Material mit Hilfe (eines Tropfens) einer thermischen Paste an dem Rohr zu befestigen. Eine praktische Ausführungsform ist jedoch dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Band aus gut wärmeleitendem Material selbstklebend ist, zum Beispiel eine selbstklebende Kupferfolie. Ein selbstklebendes flexibles Band oder eine derartige Folie kann nicht nur auf direkte Weise auf einer möglichst großen Kontaktoberfläche des Rohres angebracht werden, sondern bietet auch die Möglichkeit, das Band oder die Folie vor und während des Einklemmens, das beim Aufsetzen der Kappe auf den Fuß erfolgt, an seiner/ihrer Stelle zu halten.
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Ein dritter vorteilhafter Aspekt besteht darin, dass das Band aus einem oder mehreren aufeinander geklebten, mit einer Klebstoffschicht versehenen kleinen Teilstreifen bestehen kann. Durch die Wahl der Anzahl an kleinen Teilstreifen (und eventuell ihrer Breite) kann eine gewünschte Wärmeableitungseigenschaft des Bandes eingestellt werden. Darüber hinaus ist ein Band mit zum Beispiel vier aufeinander geklebten kleinen Teilstreifen flexibler als ein einzelnes Band, dessen Dicke der Dicke der vier kleinen Teilstreifen zusammen entspricht. Dies ist sowohl von Vorteil, wenn das Band stramm um das Rohr herum geklebt wird, als auch wenn das Band zwischen der Kappe und dem Fuß eingeklemmt wird. Das flexible Band aus gut wärmeleitendem Material kann im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weisen angewendet werden. Zum Beispiel kann das flexible Band aus gut wärmeleitendem Material in der Form einer Schleife um das Rohr geklebt sein, wobei der zu dem Rohr hin verlaufende Teil und der von dem Rohr weg verlaufende Teil des Bandes aufeinander geklebt sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das flexible Band aus gut wärmeleitendem Material jedoch zwei Enden, wobei ein Ende an einer Stelle zwischen den Windungen um mindestens einen Teil des Umfangs des Strömungsrohres geklebt ist und das andere Ende zwischen der Kappe und dem Fuß oder dem aufrechten Rand des Fußes eingeklemmt ist.
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Für praktische Anwendungen hat sich ein flexibles Band aus gut wärmeleitendem Material als geeignet erwiesen, dessen thermischer Widerstand zwischen dem Rohr und dem Fuß zwischen 100 und 1000 Mal kleiner ist als der thermische Widerstand des Rohres entlang eines Pfads zwischen dem flexiblen Band aus gut wärmeleitendem Material und dem Fuß.
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Das Rohr kann insbesondere in Form eines U mit zwei Schenkeln und einem Verbindungsstück gebogen sein und der Fuß kann zwei Bohrungen haben, durch die die Enden der Schenkel des U-förmigen Rohres verlaufen.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht der Teile für einen Sensor für einen thermischen Massendurchflussmesser;
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2 eine Ansicht einer Baugruppe aus einem mit einem flexiblen, Wärme ableitenden Streifen versehenen U-förmigen Strömungsrohr und einer Leiterplatte;
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3A eine perspektivische Ansicht eines Sensorfußes und einer darin montierten Baugruppe gemäß 2 und
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3B eine Seitenansicht der Baugruppe und des Sensorfußes aus 3A nach der Montage;
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4 anhand eines teilweisen Querschnitts durch 3B, wie ein flexibler, Wärme ableitender Streifen während des Zusammenbauens vor dem Anbringen der Kappe auf dem Fuß positioniert wird;
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5 den Sensorfuß aus 3 in Draufsicht;
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6 einen Querschnitt entlang der Linie A-A des Sensorfußes nach 5;
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7 den Sensorfuß aus 3 in einer Ansicht von unten;
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8 anhand der beiden Querschnitte aus 4 das Aufsetzen der Kappe auf den Fuß.
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1 zeigt die Teile, die für den Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Durchflusssensors verwendet werden. Es handelt sich in erster Linie um eine metallene Durchflusssensorkappe 1, die zusammen mit einem metallenen Durchflusssensorfuß 7 ein Durchflusssensorgehäuse bilden wird, ein kapillares, in U-Form gebogenes (Strömungs-)Rohr 5, auf das zwei Windungen aus Widerstandsdraht gewickelt sind, wobei das Rohr 5 an einer Leiterplatte 4 zum Anschließen der genannten Widerstände an einen 4-poligen Steckverbinder 6 befestigt ist. Der Fuß 7 ist mit einem ein Rechteck einschließenden aufrechten Rand 15 mit Vorsprüngen an den Enden der Längsseiten versehen, wobei das Rohr 5 und die Leiterplatte 4 zwischen diesen Vorsprüngen befestigt werden. Die Enden des Rohres werden bei dem Zusammenbau durch zwei in dem Fuß 7 angebrachte Bohrungen (in 1 nicht sichtbar) gesteckt und darin festgeklebt.
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Außerdem können, wie noch ausführlicher erläutert wird, bei dem Zusammenbau ein oder mehrere Stückchen Kunststofffolie 2, ein (doppelt) gefaltetes Stückchen Polyurethan-Dämmschaum 3 und kapillare Gummidichtungen 8 verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors wird ein flexibles Band 9 aus gut wärmeleitendem Material, wie insbesondere Kupferfolie, benutzt, das auf einer Seite mit einer Klebstoffschicht versehen ist. Dieses wird so angeordnet, dass es in dem zusammengebauten Zustand Wärme aus dem Bereich zwischen den Windungen auf dem Rohr 5 zum Gehäuse hin ableiten kann. Das Band 9 kann eventuell aus einer Anzahl (beispielsweise 4) aufeinander geklebten Teilstreifen (oder -folien) bestehen, die jeweils mit einer Klebstoffschicht versehen sind. Eine vierfache Folie ist im Handel unter der Bezeichnung „Chromerics CHO-Foil” erhältlich. Die Anzahl der Schichten ist unter anderem davon abhängig, wie viel Wärme abgeführt werden soll.
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Beim Zusammenbau wird, wie in 2 dargestellt, ein U-förmiges Kapillarrohr 5 mit zwei rechtwinkelig umgebogenen Schenkeln geschaffen. Auf den Verbindungsteil 10 des Rohres werden in einem vorgegebenen Abstand zueinander ein (einschichtiger) Heizelement-Widerstand Rh und ein (mehrschichtiger) Sensorwiderstand Rs gewickelt. Die Schenkel des U-förmigen Rohres 5 werden mit entsprechenden Seiten an einer Leiterplatte 4 befestigt. Die beiden Anschlussdrähte des Heizelement-Widerstands und die zwei Anschlussdrähte des Sensorwiderstands werden an vier Eingangskontaktpunkte der Leiterplatte gelötet. Die Ausgangskontaktpunkte der Leiterplatte werden über Anschlussdrähte mit einem 4-poligen Steckverbinder 6 verbunden.
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Ein flexibles Band 9 aus selbstklebender Kupferfolie wird an einer Stelle zwischen dem Heizelement-Widerstand Rh und dem Sensorwiderstand Rs stramm um das Rohr 5 geklebt, wobei der zum Rohr hin verlaufende Teil des Streifens 9 und der von dem Rohr weg verlaufende Teil des Streifens 9 aufeinander kleben. Das Band 9 ist derartig breit und wird derartig positioniert, dass es den Heizelement-Widerstand und den Sensorwiderstand nicht berührt. Das Band 9 ist derartig lang, dass das freie Ende zwischen der Sensorkappe 1 und dem Sensorfuß 7 eingeklemmt wird, wenn die Kappe 1 und der Fuß 7 zusammengefügt werden.
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In einem nächsten Schritt wird die aus dem mit dem Band 9 versehenen Rohr 5 mit den Widerständen Rh und Rs und der Leiterplatte 4 bestehende Einheit auf dem Sensorfuß 7 montiert; siehe 3A und 3B. Dabei werden die Enden der Schenkel des Rohres 5 durch Bohrungen 11, 12 in den Fuß 7 gesteckt und die Enden der Leiterplatte 4 werden zwischen den Vorsprüngen 13, 13a; 14, 14a an den Enden der Längsseiten des aufrechten Randes 15 des Sensorfußes 7 angeordnet. Die Schenkel des Rohres 5 werden in den Bohrungen 11, 12 festgeklebt. Der Klebstoff ist derart zusammengestellt, dass er als Gasbarriere und als mechanische Sicherung des Rohres 5 in dem Fuß 7 dient. Außerdem wird eine Seite der Leiterplatte 4 an den Vorsprüngen des aufrechten Randes 15 des Fußes 7 festgeklebt. Nach der Montage des Rohres 5 in dem Fuß 7 wird das flexible Band 9 aus Kupferfolie so angeordnet, wie in den 4 und 8 dargestellt. Das bedeutet, dass das Band 9 auf der Seite der Leiterplatte 4, die von der Seite abgewandt ist, an der sich die Anschlusskontakte und die Anschlussdrähte befinden, über die Seitenfläche des aufrechten Randes des Sensorfußes 7 gehängt wird. Neben dem aufrechten Rand 15 befindet sich ein treppenförmiger Teil (eine Stufe) 16 des Sensorfußes 7. Vorzugsweise fällt das flexible Band auch über diesen treppenförmigen Teil 16.
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Die Anschlussdrähte der Leiterplatte 4 zum Steckverbinder 6 werden zwischen zwei Stückchen Kunststoffklebeband 2 eingebettet und über eine lokale Aussparung/Abschrägung an der Kappe und/oder dem Fuß nach außen geführt.
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Die Sensorkappe 1 wird so weit über den aufrechten Rand 15 geschoben, dass sie auf die Aussparung stößt. Dabei wird das flexible Band 9 zwischen der Kappe 1 und dem aufrechten Rand 15 und, abhängig von seiner Länge, auch noch zwischen der Unterseite des Kappenrandes und dem treppenförmigen Profil (Stufe) 16 des Fußes 7 eingeklemmt.
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Um das Auftreten von Luftströmungen im Sensor zu begrenzen, kann eventuell ein doppelt gefaltetes Stückchen (Polyurethan-)Schaum 3 um das Rohr 5 gelegt werden, bevor die Kappe 1 aufgesetzt wird. In 8 ist dargestellt, wie die Kappe 1 über den Rand des Fußes geschoben wird und der Schaumstoffkörper 3 angebracht wird.
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In der Unterseite des Fußes 7 münden die Bohrungen in eine Kammer 17 bzw. 18 (siehe 6). Diese Kammern bieten ringförmigen Gummidichtungen 8 Platz. Diese werden auf die durch die Bohrungen im Fuß gesteckten Schenkel des Rohres 5 geschoben (siehe 3b).
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Die Funktion des Kupferfolie-Bandes bei dem erfindungsgemäßen Sensor beruht auf folgenden Erkenntnissen: Die Temperatur zwischen Temperaturaufnehmer und Heizelement wird bei dem angewendeten CT-Durchflussmessverfahren (Constant Temperature) konstant gehalten. Hierfür ist eine bestimmte Leistung erforderlich. Diese Leistung ist ein Maß für den Durchfluss (flow). Es ist eine Leistungsregelung vorhanden, um die Temperaturdifferenz konstant zu halten. Liegt jedoch kein Durchfluss oder ein relativ geringer Durchfluss vor, wird die Leistung, mit der das Heizelement erwärmt wird, abgesehen von zum Beispiel Abstrahlungsverlusten hauptsächlich durch Leitung über das Rohr abgeleitet. Die Temperatur bei dem Temperaturaufnehmer (an Position A) steigt hierdurch an und es kommt zu einer Mitkopplung in der Leistungsregelung, wodurch die erforderliche Leistung zunimmt. Erst bei einem bestimmten Durchfluss wird genügend Wärme über das Fluidum abgeführt, so dass die Temperatur des Aufnehmers nicht mehr durch das Heizelement beeinflusst wird. Von Null Durchfluss bis zu diesem Punkt wird die benötigte Leistung abnehmen und darüber wird die benötigte Leistung wieder zunehmen. Dieser Effekt verursacht einen unerwünschten Einbruch im Messsignal. Das um das Rohr geklebte und zwischen der Kappe und dem Rand des Fußes eingeklemmte Band aus Kupferfolie verhindert jetzt, dass die Temperatur bei dem Temperaturaufnehmer aufgrund von Wärmeleitung über das Rohr ansteigt, wenn kein oder nur ein geringer Durchfluss vorliegt. Da das Band aus Kupferfolie so bemessen werden kann, dass es die Wärme besser leitet als das Rohr, wird die Temperatur zwischen Temperaturaufnehmer und Heizelement nahezu an die Temperatur des Fußes angeglichen. Der Einbruch im Messsignal wird hierdurch erheblich reduziert oder sogar eliminiert.
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Aus einem Rechenbeispiel mit einem Sensor auf der Basis der 2, 3a und 3b sowie 8 hat sich gezeigt, dass der thermische Widerstand eines 4-schichtigen Kupferfolie-Bandes (4 aufeinander geklebte Schichten Kupferfolie: Chromerics CHO-Foil) mit einer Länge zwischen dem Rohr und dem Fuß von 7 mm (Gesamtlänge 10 mm, denn das Band liegt um das Rohr und über dem Fuß befindet sich auch noch ein Stückchen), einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 2,5 mm ca. 500 Mal niedriger war als der thermische Widerstand des verwendeten Durchflusssensorrohres aus rostfreiem Stahl mit einer Wanddicke von 0,2 mm und einer Länge von 30 mm, gemessen vom Band bis zum Fuß.
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Kurz zusammengefasst bezieht sich die Erfindung auf einen Sensor für einen Massendurchflussmesser vom thermischen Typ, wobei der Sensor ein Strömungsrohr mit einem Temperaturaufnehmer und einem in einem vorgegebenen Abstand hiervon angeordneten Heizelement/Temperaturaufnehmer umfasst, wobei das Strömungsrohr auf einem metallenen Fuß montiert ist und sich innerhalb einer auf den Fuß aufgesetzten metallenen Kappe befindet. Zwischen dem Temperaturaufnehmer und dem Heizelement/Temperaturaufnehmer ist ein, insbesondere selbstklebendes, Band aus Wärme leitendem Material wie Kupfer an einem Ende um mindestens einen Teil des Umfangs des Strömungsrohres geklebt und an seinem anderen Ende zwischen der Kappe und dem Fuß eingeklemmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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