DE2527505A1

DE2527505A1 - Durchflussmessumformer

Info

Publication number: DE2527505A1
Application number: DE19752527505
Authority: DE
Inventors: John Aaron Olmstead
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-06-28
Filing date: 1975-06-20
Publication date: 1976-01-15
Also published as: SE398269B; DE2527505C3; JPS5735407B2; FR2276592B1; SE7506870L; IT1039336B; FR2276592A1; GB1472826A; US3931736A; AU498172B2; DE2527505B2; CA1039972A; JPS5119556A; AU8237175A

Description

Dipl.-lng. H. Sauenland · Dn.-lng. R. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · Λάου Düsseldorf 3D · Cecilienallee 7b ■ Telefon 43S7 3a

18. Juni 1975 29 919 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Durchflußmeßumformer"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußmeßumformer, bestehend aus einem Meßrohr zur Aufnahme einer Flüssigkeit, das einen "live"-Durchflußkanal und einen "toten" Durchflußkanal besitzt, mindestens je einem ersten und zweiten elektrischen Element, die benachbart zu und in thermischem Kontakt mit der Flüssigkeit sowohl im "toten" Durchflußkanal als auch im "live»-Durchflußkanal des Meßrohrs angeordnet sind, wobei die elektrischen Elemente zusammen mit einer zusätzlichen Schaltung der Messung des Durchflusses der Flüssigkeit im "live»-Kanal dienen.

Durchflußmeßumformer, bei denen Heiz- und Temperaturfühlelemente mit einer sich bewegenden Flüssigkeit in Wärmeübertragungsverbindung stehen und sich außerhalb der Durchflußquerschnittsfläche einer von der Flüssigkeit durchströmten Leitung befinden, sind bekannt. Das Installations- bzw. Meßrohr für derartige Sensoren bzw. Meßumformer besteht gewöhnlich aus einem Rohr oder Zylinder aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das einen guten 'Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit, die sich in thermischem Kontakt mit der Innenfläche des Rohres befindet, und den Heiz- und Temperaturfühlelementen des Meßumformers, die sich in thermischem Kontakt mit der Außenfläche des Meßrohrs

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befinden, gewährleistet. Diese Anordnung schützt die elektrischen Einbauten des Meßumformers oder Sensors vor direktem Kontakt mit der Flüssigkeit, der andernfalls Korrosion, Verunreinigung oder Explosionen hervorrufen könnte, und ermöglicht auch, den Durchfluß zu messen bzw. zu prüfen, ohne daß es erforderlich ist, eine Sonde in den Durchflußkanal des Meßrohres einzuführen, was den Flüssigkeitsstrom durch Hervorrufen von Turbulenz stören und dadurch die Wärmeübergangscharakteristiken des Meßumformers ändern würde, was das Kalibrieren schwierig und manchmal sogar fehlerhaft macht.

Das Rohr oder der Zylinder, der als Meßrohr verwendet wird, besteht gewöhnlich aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, um einen Durchflußmeßumformer zu schaffen, der thermisch mit der in der Leitung befindlichen Flüssigkeit gekoppelt ist. Die Verwendung eines solchen Materials sorgt jedoch nicht nur zwischen der Flüssigkeit und den elektrischen Einbauten des Sensors für guten Wärmeübergang, sondern bewirkt auch einen intensiven seitlichen Wärmeübergang tangential durch das gesamte wärmeleitende Meßrohr, was für solche Systeme unerwünscht ist, die als Heiz- und Temperaturmeßelemente Halbleiterbauteile benutzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Durchflußmeßumformer zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht besitzt. Ausgehend von einem Durchflußmeßumformer, bestehend aus einem Meßrohr zur Aufnahme einer Flüssigkeit, das einen »live"-Durchflußkanal und einen "toten" Durchflußkanal besitzt, mindestens je einem ersten und zweiten elektrischen Element, die benachbart zu und in thermischem Kontakt mit der Flüssigkeit sowohl im "toten" Durchflußkanal als auch im "live"-Durchfluß-

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kanal des Meßrohrs angeordnet sind, wobei die elektrischen Elemente zusammen mit einer zusätzlichen Schaltung der Messung des Durchflusses der Flüssigkeit im "live"-Kanal dienen, wird diese Aufgabe gelöst durch eine dünne Membran zwischen der Flüssigkeit und den elektrischen Elementen, die mit einer ersten Oberfläche an beide elektrischen Elemente angrenzt und mit diesen in thermischem Kontakt steht, daß die Membran eine Dicke von ungefähr 25Oy^ oder weniger aufweist und eine thermische Leitfähigkeit von ungefähr 0,08 cal/sec-cm°C oder weniger besitzt, und daß eine zweite Oberfläche der Membran einen Teil der Begrenzung des Meßrohrs bzw. der Kanäle bildet.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchflußmeßumformers in Sprengbilddarstellung, bei der die Einzelteile in der Reihenfolge ihrer Montage deutlich werden j und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig«,

Gemäß Fig. 1 bildet ein Formkörper 10, der beispielsweise aus einem Guß- oder Spritzmetall hergestellt ist, einen Teil der Begrenzung eines ersten Kanals 12 eines Installations- oder Meßrohres 14 und nimmt eine Flüssigkeit 16 auf, deren Durchflußrichtung mit dem Pfeil 18 angegeben ist. Der Körper 10 bildet außerdem einen Teil der Begrenzung eines zweiten Kanals 20 des Meßrohrs 14, der Flüssigkeit 16 enthält, die sich in Ruhe befindet, und der gewöhnlich als "toter" Durchflußkanal bezeichnet und häufig in Durchflußmeß systemen dazu verwandt wird,

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Vergleichswerte zu erhalten unter Bedingungen, bei denen absolut kein Fließen stattfindet. Der "tote" Kanal 20 ist mit dem "live"-Kanal 12 durch zwei nicht dargestellte enge Führungen verbunden, die das Strömen der Flüssigkeit 16 durch den Kanal 20 unterbinden, jedoch gleichzeitig noch soviel Durchfluß erlauben, daß die Temperatur der darin befindlichen Flüssigkeit 16 dieselbe ist wie die Umgebungstemperatur der die Meßstelle 14 betretenden Flüssigkeit 16_Q Der Körper 10 weist eine Ausnehmung 22 auf, die die Kanäle 12 und 20 schneidet, so daß öffnungen 24 und 26 im Kanal 12 bzw. 20 entstehen.

Eine Dichtung 28, beispielsweise aus Gummi, sorgt für die Abdichtung zwischen einem Durchflußmeßumformer 30 und den Teilen des Körpers 10, die den Öffnungen 24 und 26 benachbart liegen. Die Dichtung 28 weist zwei Löcher 32 und 34 auf, die es ermöglichen, daß die Flüssigkeit 16 sowohl im Durchflußkanal 12 als auch im "toten" Kanal 20 jeweils in direkten Kontakt mit dem Meßumformer 30 gelangt.

Der Sensor oder Umformer 30 besitzt eine dünne Membrane 36 aus Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Hastelloy C oder nichtrostenden Stahl Typ 304; eine erste Oberfläche 38 der Membran befindet sich in thermischem Kontakt mit ersten und zweiten elektrischen Elementen 40 und 42 des Umformers 30, während eine zweite Oberfläche 44 der Membran an den öffnungen 24 und 26 anliegt und diese abdeckt, wodurch die Membran einen Teil der Begrenzungen der Kanäle 12 und 20 bildet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind die elektrischen Elemente 40 und 42 in geeigneten öffnungen eines isolierenden Substrats 46 befestigt, bei-

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spielsweise mit Hilfe eines Epoxyharzes 48, das den Raum zwischen den elektrischen Elementen 40 und 42 und dem Substrat 46 füllt. Das Epoxyharz 48 oder eine ähnliche Befestigungsart hält die Oberflächen 50 und 52 der elektrischen Elemente 40 "bzw. 42 in gleichmäßiger Fortführung und fluchtend mit einer ersten Oberfläche 54 des isolierenden Substrats 46. Die erste Oberfläche 38 der Membran 36 liegt an der ersten Oberfläche 54 des isolierenden Substrats 46, wodurch die erste Oberfläche 38 der Membran 36 mit den Oberflächen 50 und 52 des ersten und zweiten elektrischen Elements 40 bzw„ 42, die wiederum dieser anliegen, thermisch gekoppelt wird_o Das Substrat 46 kann aus einem isolierenden Material bestehen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, auf dem sich ein dicker oder auch dünner Schaltungsfilm befindet; es kann aber auch die Form einer gedruckten Schaltungskarte mit einer Schaltung 56 auf einer zweiten oberfläche 58 aufweisen, wobei, wie aus Fig. 2 hervorgeht, die elektrischen Elemente 40 und 42 über Drähte 60 mit der Schaltung verbunden sind. Die Schaltung 56, die beispielsweise aus goldplattiertem Kupfer bestehen kann, verbindet die elektrischen Elemente 40 und 42 miteinander und bildet außerdem Kontakte zur Verbindung mit einem Durchflußmeß system.

Die dünne Membran 36 kann aus einer dünnen Folie bestehen, die mit der ersten Oberfläche 54 des Substrats 46 verbunden wird, oder kann durch Elektroplattieren, Niederschlagen aus der Dampfphase oder Aufsprühen des Materials auf die erste Oberfläche 54 des Substrats 46 unter Anwendung bekannter Techniken hergestellt werden. Das für die Membran benutzte Material sollte niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, ähnlich Hastelloy oder nichtrostendem Stahl. Hastelloy C und nichtrostender Stahl Typ 304 sind kommerziell erhältliche Legierun-

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gen, deren Wärmeleitfähigkeit ungefähr 0,04 bzw. 0,08 cal/sec-cm°C beträgt und die besonders bevorzugte Materialien darstellen, da sie widerstandsfähig gegen Korrosion sind. Die Membran 36 sollte außerordentlich dünn sein und eine Dicke von ungefähr 250 /* oder weniger besitzen.

Die elektrischen Elemente 40 und 42 sind bei einem typischen Ausführungsbeispiel Halbleiterchips, die Heiz- und Temperatürfühlelemente eines Durchflußmeßsystems umfassen. Das erste Halbleiterchip kann ein langes, dünnes integriertes Schaltungschip 40 sein, das mit seiner Oberfläche 50 der Membran 36 anliegt und sich mit seinen beiden Endbereichen der Oberfläche 50 in thermischem Kontakt mit den Abschnitten der Membran 36 befindet, die Teile der Begrenzungen der Kanäle bzw. 20 bilden. Bei Verwendung dieser Anordnung können verschiedene Heiz- und Temperaturfühlelemente eines Durchflußmeß systems thermisch mit der Flüssigkeit 16 in den verschiedenen Kanälen 12 und 20 gekoppelt werden und gleichwohl Teil desselben integrierten Schaltungschips 40 sein, da die zwischen einem bestimmten Element und der Flüssigkeit 16 geleitete Wärme nicht einfach seitlich entlang der Membran 36 weitergeleitet wird, um nicht andere Elemente in thermischem Kontakt mit der Membran 36 zu beeinflussen.

Ein Abstandhalter 62 aus isolierendem Material ist zwischen der zweiten Oberfläche 58 des Substrats 46 und einem Deckel 64, der den Durchflußmeßumformer 30 schützt, vorgesehen. Die Einzelteile werden in der dargestellten Anordnung zusammengesetzt und beispielsweise durch Schrauben 66 zusammengehalten, die sich durch geeignete Bohrungen im Deckel 64, dem Abstandhalter 62, dem Umformer 30 und der Dichtung 28 bis in

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Gewindebohrungen im Körper 10 erstrecken.

Obwohl der erfindungsgemäße Sensoraufbau beim beschriebenen Ausführungsbeispiel als Teil eines Durchflußmeßumformers, der Heiz- und Temperaturelemente kombiniert hat, dargestellt worden ist, kann die Erfindung in jedem Bauteil eingesetzt werden, das thermisch mit einer Flüssigkeit gekoppelt werden soll, einschließlich getrennter Heiz- oder Temperaturfühlelemente.

Die dünne Membran 36 aus Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit schützt nicht nur die elektrischen Elemente und 42 des Durchflußmeßumformers 30 vor direktem Kontakt mit der Flüssigkeit 16 und sorgt für gewünscht guten Wärmeübergang zwischen den elektrischen Elementen 40 und 42 und der Flüssigkeit 16 aufgrund ihrer extrem geringen Dicke, sondern reduziert auch den seitlichen Wärmeübergang tangential durch die gesamte Membran 36 auf ein Minimum aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Diese Reduzierung der seitlichen Wärmeübertragung verbessert nicht nur die Empfindlichkeit und Ansprechzeit des Durchflußmeßumformers 28 bei gleichzeitiger Erniedrigung seiner Leistungsaufnahme, sondern bietet auch einen praktischen und ökonomischen Weg zur Verwendung von Halbleiterchips für die elektrischen Elemente 40 und 42 des Umformers 30. Da die seitliche Wärmeleitung auf ein Minimum reduziert wird, können mehrere Heiz- und Temperaturfühlelemente thermisch mit derselben Schutzmembran 36 gekoppelt werden, die zu einem Teil die Begrenzungen unterschiedlicher Kanäle 12 und 20 bildet; dadurch wird Gleichmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit der Produktion erreicht.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York. N.Y. 10020 (V.St₀A.)

Patentansprüche;

', 1.]Durchflußmeßumformer, "bestehend aus einem Meßrohr zur —Aufnahme einer Flüssigkeit, das einen "live"-Durchflußkanal und einen "toten" Durchflußkanal besitzt, mindestens je einem ersten und zweiten elektrischen Element, die benachbart zu und in thermischem Kontakt mit der Flüssigkeit sowohl im "toten" Durchflußkanal als auch im "live"-Durchflußkanal des Meßrohrs angeordnet sind, wobei die elektrischen Elemente zusammen mit einer zusätzlichen Schaltung der Messung des Durchflusses der Flüssigkeit im "live"-Kanal dienen, gekennzeichnet durch eine dünne Membran (36) zwischen der Flüssigkeit (16) und den elektrischen Elementen (40, 42), die mit einer ersten Oberfläche (38) an beide elektrischen Elemente (40, 42) angrenzt und mit diesen in thermischem Kontakt steht, daß die Membran (36) eine Dicke von ungefähr 250 M oder weniger aufweist und eine thermische Leitfähigkeit von ungefähr 0,08 cal/sec-cm°C oder weniger besitzt, und daß eine zweite Oberfläche (44) der Membran (36) einen Teil der Begrenzung des Meßrohrs (14) bzw. der Kanäle (12, 20) bildet.
2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrischen Elemente Halbleiterchips sind.

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3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das erste elektrische Element aus einem integrierten Schaltungschip besteht, dessen zwei Enden sich in thermischem Kontakt mit der Flüssigkeit (16) jeweils in den Kanälen (12 bzw. 20) befinden.
4. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (36) an eine Öffnung (24, 26) in jedem der Kanäle (12, 20) angrenzt, wobei voneinander getrennte Bereiche der zweiten Oberfläche (44) der Membran (36) jeweils eine der Öffnungen vollständig abdecken und die Flüssigkeit (16) kontaktieren,,
5β Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Substrat (46) aus isolierendem Material, an dem die elektrischen Elemente befestigt sind und das eine erste Oberfläche (54) aufweist, die an die erste Oberfläche (38) der Membran (36) angrenzt, daß das Substrat (46) auf einer zweiten Oberfläche (58) mit einer an die elektrischen Elemente (40, 42) angeschlossenen Schaltung versehen ist, und daß die Membran (36) von der Schaltung (56) isoliert ist.
6. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Dichtung (28) zwischen der Membran (36) und dem Meßrohr oder der Meßstelle (14) mit zwei Öffnungen (32, 34), die die genannten Teile der zweiten Oberfläche (44) der Membran (36) der Flüssigkeit (16) aussetzen, und durch einen an eine als Abstandhalter wirkende Schicht (62) aus isolierendem Material angrenzenden, am Meßrohr (14) befestigten Deckel, wobei die Schicht

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(62) zwischen der zweiten Oberfläche (58) des Substrats (46) und dem Deckel (64) angeordnet ist, so daß erste (40) und zweite (42) Halbleiterchips elektrisch vom Deckel (64) isoliert sind.
7. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß

das Substrat aus einer gedruckten Schaltungskarte besteht .

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