DE4123482A1 - Sensor fuer thermische massenstrommesser - Google Patents
Sensor fuer thermische massenstrommesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor für thermische
Massenstrommesser, bestehend aus einem plattenförmigen
Dünnfilmwiderstand und einer Halterung in Form eines
mit Kapillarbohrungen für die Zuleitungen versehenen
zylindrischen Stabes aus einem elektrisch isolierenden
Material.
In der Verfahrenstechnik werden vielfach thermische
Massenstrommesser verwendet, die nach dem Prinzip des
Hitzdraht- oder Heißfilmanemometers arbeiten.
Solche Massenstrommesser sind beispielsweise in der DE-OS
35 42 788 beschrieben.
Die als Sensoren verwendeten Dünnfilmwiderstände sind
mit einer Halterung versehen, oft einer stabförmigen
Mehrfachkapillare, die auch die Anschlußdrähte des
Widerstandes aufnimmt. Der Dünnfilmwiderstand,
bestehend aus einem keramischen Träger und einer
dünnen Metallschicht und gegebenenfalls einer
keramischen Abdeckplatte, wird gemäß DE-OS 35 42 788
in einen Schlitz der Mehrfachkapillaren eingeführt und
mit einem Glaslot oder einer Glasfritte befestigt.
Diese Befestigungsart ist mechanisch nicht sehr
stabil. Außerdem besitzt das Glaslot bei dieser
Befestigungsart eine relativ große Oberfläche, was bei
aggressiven Medien zu einer baldigen Zerstörung des
Glaslots und damit der Befestigung führen kann.
Ein weiterer Nachteil dieser "massiven" Befestigungs
art sind parasitäre Wärmeströme von dem Heizwiderstand
in die weiter entfernt liegenden, nicht mehr gut um
strömten Bereiche der Halterung. Ebenso nachteilig ist
die relativ hohe wirksame Wärmekapazität des
Kapillarrohres. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften
ergeben sich bei Änderungen der Mediums-/bzw. Heiz
widerstandstemperatur recht lange Ansprechzeiten, in
denen sich die gesamte Temperaturverteilung am und im
Halter neu einstellen muß.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen
Sensor für thermische Massenstrommesser zu entwickeln,
bestehend aus einem plattenförmigen Dünnfilmwiderstand
und einer Halterung in Form eines mit Kapillar
bohrungen für die Zuleitungen versehenen zylindrischen
Stabs aus einem elektrisch isolierenden Material,
wobei die Befestigung des Widerstands an der Halterung
mechanisch sehr stabil sein, das Befestigungsmittel
dem zu messenden Medium nur eine möglichst kleine
Oberfläche bieten und die Halterung durch Minimierung
der Wärmekapazität und parasitärer Wärmeströme ver
besserte Ansprechzeiten bei schwankenden Mediums
temperaturen aufweisen sollte.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die eine Stirnfläche der stabförmigen Halterung mit
einem dem Querschnitt des Dünnfilmwiderstands
angepaßten Sackloch versehen, der Dünnfilmwiderstand
mit einer seiner Schmalseiten zu 10 bis 60% seiner
Länge in dieses Sackloch passend eingesteckt und der
enge Spalt zwischen Sackloch und Dünnfilmwiderstand
mit einer Haftmasse ausgefüllt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Halterung und
das Sackloch aus einer in einer Stirnfläche mit einem
Schlitz versehenen stabförmigen Mehrfachkapillaren und
einem die Mehrfachkapillare eng umschließenden Rohr
aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorge
sehen, die Mehrfachkapillare innerhalb des sie um
hüllenden Rohres nicht als durchgehenden Zylinder zu
gestalten, sondern sie mit einer Verjüngung oder
Unterbrechung zu versehen, wobei dann zumindest über
die Länge der Unterbrechung oder Verjüngung kein
Kontakt mit dem Mantelrohr vorliegt. Der Vorteil
dieser Variante liegt in einer kleineren wirksamen
Wärmekapazität und einer verringerten parasitären
Wärmeabfuhr in die Halterung. Ein Großteil der
verbleibenden parasitären Wärmeströme wird auf kurzem
Weg in wandnahe Bereiche, die vom Medium umströmt
werden, umgeleitet. Dadurch kann eine besonders
schnelle Ansprechzeit des Sensors gegenüber Änderungen
der Mediums- bzw. der Heizertemperatur gewährleistet
werden, denn die Neueinstellung der Temperaturvertei
lung geschieht über die kurzen Wege zur Wärmequelle
oder Senke und die kleinen beteiligten Wärmekapazi
täten entsprechend schnell. Die Ausführung der
Verjüngung kann beispielsweise in Form einer dünnen
Säule oder eines Quaders erfolgen, wobei dabei die
Funktion der elektrischen Isolation der Zuleitungs
drähte bestehen bleibt. Es kann jedoch auch sinnvoll
sein, die elektrische Isolation anderweitig zu gewähr
leisten und das Kapillarrohr vollständig zu
unterbrechen, d. h., es aus zwei getrennten Teilen
bestehen zu lassen, die jeweils für sich über die
Haftmasse mit dem Mantelrohr verbunden werden.
Eine besonders einfache Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Halterung erhält man, wenn die Länge
der Mehrfachkapillaren kürzer ist als das
umschließende Rohr.
Die stabförmige Halterung besteht aus einem elektrisch
isolierenden Material. Vorzugsweise wird hierfür
Keramik oder Glas eingesetzt. Als Haftmasse kann eine
Glasfritte oder ein Glaslot verwendet werden. Besteht
die Halterung aus der Mehrfachkapillaren und einem um
schließenden Rohr, so verwendet man vorzugsweise ein
dünnwandiges Rohr aus Keramik mit dem gleichen
thermischen Ausdehnungskoeffizient wie die Mehrfach
kapillare.
Normalerweise ist die Sensorhalterung von einem
Schutzrohr umgeben, wobei zwischen Halterung und
Schutzrohr ein Spalt verbleibt. Das hat den Nachteil,
daß sich dieser Spalt mit Schmutz vollsetzen kann, der
in dem zu messenden Medium mitgeführt wird und der zu
einer Veränderung der Kennlinie des Sensors durch
erhöhte Wärmeabfuhr führen kann. Es ist daher
vorteilhaft, die Halterung mit einem enganliegenden
Schutzrohr aus einem korrosionsfesten Material zu
versehen, das mit radialen und tangentialen Schlitzen
für eine leichtere Montage und zur Aufnahme von
mechanischen Spannungen ausgestattet ist.
Die Abb. 1 bis 4 zeigen schematisch
beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Sensors. In Abb.1 besitzt die zylindrische
Halterung (1) auf einer Stirnfläche ein Sackloch (3),
in das der Dünnfilmwiderstand (2) mit seinen
Zuleitungsdrähten (4) passend eingesteckt wird.
Der dann noch verbleibende enge Spalt zwischen
Dünnfilmwiderstand (2) und der Innenseite des
Sacklochs (3) wird mit einer Glasfritte oder einem
Glaslot ausgefüllt.
Abb. 2 zeigt eine Mehrfachkapillare (1), die auf
der einen Stirnfläche mit einem Schlitz (5) versehen
ist. In diesem Schlitz (5) wird der Dünnfilmwiderstand
(2) befestigt. Über die Mehrfachkapillare (1) wird
dann das dünnwandige Keramikrohr (6) gestülpt, so daß
sich aus dem Schlitz (5) ein Sackloch bildet.
Abb. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungs
gemäßen Halterung gemäß Anspruch 3. Die Mehrfach
kapillare (1) besitzt hier eine Verjüngung (11), die
die Wärmekapazität der Halterung herabsetzt und
parasitäre Wärmeströme zwingt, über die dünne Säule
(12) und den Querschnitt des Mantelrohres zu fließen.
Die Wärmeleitung über Säule und Mantelrohr ist wegen
der geringen Querschnitte kleiner als bei einer
massiven Ausführung der Halterung. Als Folge davon
wird eine drastische Verbesserung der Ansprechzeit bei
schwankenden Mediumstemperaturen beobachtet. Die Säule
(12) übernimmt weiterhin die elektrische Isolation
zwischen den Zuleitungen (4) des Dünnfilmwider
standes (2)
Abb. 4a zeigt ein dünnwandiges, metallenes
Schutzrohr (7), das radiale Schlitze (8) und
tangentiale Schlitze (9) besitzt. Anstelle der
tangentialen Schlitze (9) kann auch ein Federbalg
(10), Abb. 4b′ vorhanden sein. Dieses Schutzrohr
(7) umgibt die Halterung (1).
Claims (6)
1. Sensor für thermische Massenstrommesser, bestehend
aus einem plattenförmigen Dünnfilmwiderstand und
einer Halterung in Form eines mit Kapillarbohrungen
zur Aufnahme der Zuleitungen versehenen
zylindrischen Stabs aus einem elektrisch
isolierenden Material,
dadurch gekennzeichnet,
daß die eine Stirnfläche der stabförmigen Halterung
(1) mit einem dem Querschnitt des
Dünnfilmwiderstands (2) angepaßten Sackloch (3)
versehen, der Dünnfilmwiderstand (2) mit einer
seiner Schmalseiten zu 10 bis 60% seiner Länge in
dieses Sackloch (3) passend eingesteckt und der
enge Spalt zwischen Sackloch (3) und
Dünnfilmwiderstand (2) mit einer Haftmasse
ausgefüllt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halterung aus einer Mehrfachkapillaren (1) und
einem die Mehrfachkapillare eng umschließenden
Rohr (6) besteht, wobei das Sackloch (3) aus einem
in eine Stirnfläche der Mehrfachkapillaren einge
brachten Schlitz (5) und dem umschließenden
Rohr (6) gebildet wird.
3. Sensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mehrfachkapillare (1) mindestens eine Verjün
gung (11) oder Unterbrechung aufweist, wobei
mindestens über die Länge der Verjüngung oder
Unterbrechung kein Kontakt der Mehrfachkapillaren
(1) zum Rohr (6) vorliegt.
4. Sensor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Länge der Mehrfachkapillaren (1) kürzer ist als
das umschließende Rohr (6).
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das elektrisch isolierende Material der Halterung
aus Keramik oder Glas und die Haftmasse aus einer
Glasfritte oder einem Glaslot besteht.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Halterung (1) mit einem metallischen, eng
anliegenden Schutzrohr (7) umgeben ist, das mit
radialen (8) und tangentialen Schlitzen (9) oder
einem Federbalg (10) versehen ist.
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