DE4215342A1 - Meßfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Durchflußsensor für den Einsatz in einem strömenden Medium, der gefertigt ist aus einem von einer Strömung durchflossenen Meßrohr, dessen Außenwandung, die nicht von dem Medium berührt ist, mit elektrischen Temperaturmeß- und Heizelementen elektrisch isoliert, aber wärmeleitend in Kontakt gebracht ist, wobei die elektrischen Elemente aus mindestens zwei Temperaturmeßelementen und mindestens einem Heizelement bestehen und mindestens ein Temperaturmeßelement und/oder mindestens ein Heizelement auf einem vorzugsweise rechteckigen, scheibenförmigen Systemträger aufgebracht ist.

Der eingangs beschriebene Meßfühler wird u. a. auch in sog. kalorimetrischen Strömungswächtern angewen­ det, wie sie z. B. in der DE 35 14 491 und der DE 37 13 981 sowie in der DE 40 03 638 niedergelegt sind. Während in der erstgenannten Schrift insbesondere auf die Problematik der mechanischen Symmetrie der Meßele­ mente eingegangen wird, befaßt sich die zweite Schrift im wesentlichen mit der vereinfachten Fertigungstechnik durch die Einführung von auf Folie aufgebrachten SMD- Widerständen. Die dritte Schrift beschreibt die Optimierung eines symmetrisch aufgebauten Meßsystems. Allen Lösungsvorschlägen ist gemeinsam, daß es sich um einen Meßfühler handelt, der aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse besteht, welches einen einteilig stirnseitig in die Strömung hinein­ ragenden Meßteil aufweist, und in dessen Innenraum die elektrischen Temperaturmeß- und Heizelemente eingebracht sind. Diese Schriften geben keinen Hin­ weis darauf, wie die elektrischen Meßelemente bei einem von einer Strömung durchflossenen Rohr anzuordnen sind.

Eine der Aufgabenstellung näherkommende Lösung ist in der Schrift G 8815826.8 aufgezeigt. Bei der dort an­ gegebenen Lösung ist eine Drosselstrecke angegeben, die aus einem einstückigen Metall herausgearbeitet ist oder die aus einer in eine Blende eingearbeiteten Kammer besteht, die durch eine Metallfolie gegenüber dem Medium getrennt ist. Die Herstellungstechnik für diese Lösung ist mechanisch aufwendig. Auch können die elektrischen Meßelemente nur mit großem Aufwand in die Blende eingesetzt werden.

In der Schrift GB 601298 ist eine Anordnung gezeigt, bei welcher die Meßelemente mit Hilfe einer schalen­ förmigen Anordnung direkt auf ein von einer Strömung durchflossenes Rohr aufgeklemmt werden. Diese Anordnung ist jedoch nachteilig, wenn Einzelsensoren gefertigt werden sollen, die vermittels von Verschraubungen in verschiedene Rohrsysteme eingefügt werden müssen. In der DE 34 19 504 sind die erforderlichen Meßelemente auf die Oberfläche eines Rohres aufgebracht oder herum­ gewickelt. Diese Technik ist aufwendig und erschwert den Prüfaufwand.

Ein anderes System ist in der DE 30 06 584 A1 be­ schrieben. Bei dieser Lösung befinden sich auf einem metallischen Rohrabschnitt, das eine Innenbohrung zum Durchfluß des zu messenden Mediums aufweist, auf zwei gegenüberliegenden Stellen je eine ebene Fläche, auf die die Meßelemente aufgebracht sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß auf die Fläche flächenhafte Meßelemente aufgebracht werden können. Der Nachteil besteht darin, daß auf dem Rohrabschnitt zwei gegenüberliegende mechanische Flächen angefräst werden müssen, die einen erhöhten mechanischen Aufwand bedeuten und die auch die Druckstabilität dieses Rohr­ abschnittes herabsetzen.

Ziel der Erfindung ist es, eine Lösung für einen Meßfühler anzugeben, dessen Temperaturmeß- und/oder Heizelemente auf plattenförmigen Systemträgern aufgebracht sind, wobei die elektrischen Elemente, die auf den einzelnen Systemträgern aufgebracht sind, zu einer vorzugsweise elektrischen Brücken-Auswertungsschaltung zusammengefaßt und/oder an dies angeschlossen sind, wo die Systemträger in wärmeleitenden Kontakt mit einem von einer Strömung durchflossenen Meßrohr gebracht sind und wo es möglich ist, das Meßrohr nach Montage des aus mehreren System­ trägern bestehenden Gesamtsystems zu montieren.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen aufgezeigt. Insbesondere ist hier von Bedeutung, daß der Spalt, der sich zwischen dem äußeren Rohrmantel und dem tangential anliegenden ebenen Systemträger ergibt, mit einem gut wärmeleitenden Medium ausgefüllt ist. Dieses Medium besteht vorzugsweise aus einem mit einem Füllmaterial versehenen Epoxidharz, das nicht nur gute Wärmeleiteigenschaften, sondern auch eine hohe Klebfähigkeit aufweist. Die sichere Funktion des Systems wird aber dadurch gewährleistet, daß auf dem Rohrmantel gegenüberliegend, zwei Systemträger angeordnet sind, von denen der eine Systemträger ein mit einem zusätzlichen Heizwiderstand beheiztes Temperaturmeßelement besitzt, wobei sowohl Temperaturmeßelement und das Heizelement miteinander wärmeleitend verbunden, voneinander aber elektrisch isoliert, mit dem Außenmantel des von der Strömung durchflossenen Meßrohres wärmeleitend verbunden sind. In der zur Strömungsrichtung senkrecht verlaufenden Querschnittsebene sind bezüglich der Rohrmittellinie im gleichen Abstand wie zum ersten, zusätzlich beheizten Temperaturmeßelement ein zweites Temperaturmeßelement je auf einem Träger angeordnet.

Durch diese Anordnung ergibt sich nach dem Verguß ein System, das sowohl für die Heizseite wie auch für die Nichtheizseite des Meßsystems gleiche Massen und Wärmekapazitäten vorliegen. Durch diese An­ ordnung ist eine schnelle Reaktion des Meßsystems gewähr­ leistet. Die präzise Führung des Rohres ist von ausschlag­ gebender Bedeutung. Alle Temperaturmeßelemente müssen bezüglich der Mittellinie des Rohres in einem gleichen Abstand auf einer Ebene angeordnet sein. Zu diesem Zweck sind auf den Systemträgern zusätzliche Abstandshalter montiert, die nach dem Zusammenbau das Rohr gerade be­ rühren. Diese Technik garantiert gleichzeitig einen zuverlässigen Isolationsabstand der elektrischen Elemente, die auf den Systemträgern aufgebracht sind. Durch die auf den Systemträgern aufgebrachten Abstandshalter kann zudem ein präziser Stand der Oberfläche der elektrischen Elemente zum Meßrohr sichergestellt werden. Diese Abstandshalter sind nur dann von Bedeutung, wenn die elektrischen Elemen­ te zwischen der äußeren Zylinderoberfläche des Meßrohres und der Oberfläche des Systemträgers angeordnet sind, die auf den Zylindermantel des Meßrohres weist. Wird das System so betrieben, daß die elektrischen Ele­ mente auf der gegenüberliegenden Seite des Systemträgers angeordnet sind, und die Systemträger dann so dicht an das Meßrohr geführt sind, daß sie den äußeren Mantel des Meßrohres nur in einer Linie berühren, so bildet sich ein Spalt zwischen der ebenen Fläche des Systemträgers und dem äußeren Zylindermantel des Meßrohres. Dieser Spalt ist wiederum mit einem gut wärmeleitenden Wärmeleitmedium aufgefüllt. Auch bei dieser Anordnung sorgen Abstandshalter dafür, daß beide Ebenen der Systemträger zueinander parallel sind.

Der Nutzen der Abstandshalter besteht insbesondere darin, daß die zu einem Gesamtmeßsystem zusammengefaßten System­ träger als eine quaderförmige Einheit vorgefertigt werden können, die ggfs. miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt sind, und daß das Meßrohr erst nach der elektrischen Prüfung des Gesamtsystems in das Meßrohr eingeschoben und danach wärmeleitend vergossen wird. Diese Technik erleichtert die Serienfertigung des Meß­ systems erheblich.

Die weitere Ausbildung der Erfindung ist nicht auf die Anwendung von zwei einander parallel und in der Aufsicht kongruent gegenüberliegenden Systemträgern beschränkt, sondern sie kann durch weitere einzelne Systemträger ergänzt werden, so daß sich in der Aufsicht auf den Rohrquerschnitt vorzugsweise ein quadratisches System mit vier Systemträgern ader ein sechseckiges System mit sechs Systemträgern ergibt. Bei solchen Anordnungen ist es nicht zwingend erforderlich, daß in der senk­ rechten Ebene zur Strömungsrichtung sich jeweils ein beheiztes und ein unbeheiztes Temperaturmeßelement gegenüberliegend befinden, es ist auch denkbar, daß sich in dieser Ebene zwei beheizte Temperaturmeßelemente gegenüberliegend befinden und in einer höheren oder tieferen Ebene dann die zugehörigen Temperaturmeßelemente, die unbeheizt sind, sich gegenüberliegend befinden. We­ sentlich ist jedoch , daß bezüglich der elektrischen Auswertung die die Meßelemente umgebenden Massen symmetrisch und gleich angeordnet sind. Insbesondere bei der Anwendung von vier Systemträgern ist die elek­ trische Auswertung mit Hilfe einer Vollbrücke angezeigt, wobei sich zwei beheizte Temperaturmeßelemente innerhalb der elektrischen Meßbrücke diagonal gegenüberliegend befinden, und die zwei übrigen Widerstände der Brücke die nicht beheizten Temperaturmeßelemente der Systemträger sind.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung beschrieben:

Auf den Außenmantel eines von einer Strömung durch­ flossenen Meßrohres (1) ist ein aus üblichem Platinen­ material flächenhaft und rechteckig hergestellter Träger (2) tangential zum Meßrohraufgebracht, wobei der Spalt, der sich zwischen dem Systemträger (2) und dem Außenmantel des Meßrohres (1) ergibt, mit einem die Wärme gut leitenden Epoxidharz (4) aufgefüllt ist. Die auf dem Träger (2) aufgebrachten elektrischen Temperaturmeß- und/oder Heizelemente (3) sind so auf dem Träger aufge­ bracht, daß sie zwischen der Oberfläche des Trägers und dem Außenmantel des Meßrohres positioniert sind (Bild 1) oder daß die von Bauelementen nicht belegte Fläche des Systemträgers (2) den äußeren Mantel des Meßrohres in einer tangentialen Linie berührt, wenn die elektrischen Meßelemente auf der anderen Seite des Trägers aufgebracht sind. Bild 2 zeigt eine Aufsicht auf zwei zu einem Quader zusammengefügten Systemträgern. Die System­ träger (2) werden durch aus Hartschaum gefertigte Abstandshalter (5) so positioniert, daß die System­ trägerebenen zueinander parallel verlaufen und daß die Systemträger in der Aufsicht zueinander kongruent sind. Das Meßrohr (1) wird durch die Abstandshalter (5) und die Abstandshalter (10), die auch durch die elektrisch isolierten Gehäuse von elektrischen Meßele­ menten gebildet sein können, präzise in der Mitte des Quaders geführt. Das Meßrohr wird nach Fertigstellung und elektrischer Prüfung dieses so beschriebenen Meß­ systems in den Quader eingeführt und mit einem elektrisch isolierenden, aber die Wärme gut leitenden Wärmeleitme­ dium, vorzugsweise mit einem gefüllten Epoxidharz, auf­ gefüllt. Abb. 3 zeigt die seitliche Ansicht des quader­ förmigen Meßsystems. Die Systemträger (2) werden exakt zueinander durch die Abstandshalter (5) positioniert, die Temperaturmeßelemente (7) sind auf diesen Trägern auf einer senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufenden Ebene gegenüberliegend und im gleichen Abstand zur Mittellinie des Rohres angeordnet. Die Heizelemente (6) sind doppelt ausgeführt und jeweils seitlich von dem Temperaturmeßelement in gleichem Abstand zu diesem ange­ ordnet. Die elektrischen Anschlüsse an die Leiterbahnen der einzelnen Systemträger sind symbolisch (9) dargestellt. Bild 4 zeigt die Aufsicht dieses Systems, wobei hier die zusätzlich auf dem Systemträger aufgebrachten Abstandshal­ ter (10), die aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, dargestellt sind. Diese Abstandshalter werden in diesem Falle bei der Bestückung des mit SMD-Bauteilen versehenen Systems direkt mit aufgebracht und mit aufge­ lötet. Bild 5 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Systemträgers in der seitlichen Ansicht, wobei insbe­ sondere die aufgebrachten Abstandshalter (10) eine Höhe aufweisen, die einen sicheren Abstand der elektrischen Meßelemente (6, 7) zur Oberfläche des metallischen Rohres hin sicherstellen. Bild 6 zeigt die Aufsicht auf eine Anordnung mit vier Systemträgern, die in einen Hartschaumblock eingearbeitet sind, wobei die Konstruktion den in den Bildern 1-5 aufgezeigten Grundsätzen folgt. Der Hartschaumblock besteht aus zwei Einzelquadern, die zusammengesetzt einen Gesamtquader mit vorzugsweise quadratischem Querschnitt bilden. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die Nutfräsungen in den Halbquadern einfach und präzise vorgenommen werden können, so daß Symmetrieabweichungen des Gesamtsystems minimiert sind.

Bild 7 zeigt eine elektrische Meßbrücke, die für die Anwendung von vier Systemträgern angewendet wird. Das Heizelement (21) ist mit dem Temperaturmeßele­ ment (23) und das Heizelement (22) mit dem Temperaturmeß­ element (28) wärmeleitend auf je einem Systemträger mitein­ ander gekoppelt. Die Temperaturmeßelemente (24, 25) sind jeweils auf einem anderen Systemträger aufgebracht. Die zusätzlichen elektrischen Elemente (27 und 28), die auf den Systemträgern aufgebracht sind, dienen dem Masseaus­ gleich und sind nicht angeschlossen.

Claims (14)

1. Meßfühler für den Einsatz zur Durchflußmessung eines strömenden Mediums, welcher gefertigt ist aus einem von einer Strömung durchflossenen Meßrohr, dessen Außen­ wandung, die nicht von dem Medium berührt ist, mit elek­ trischen Funktionselementen elektrisch isoliert, aber wärmeleitend in Kontakt gebracht ist, wobei die elek­ trischen Funktionselemente aus mindestens zwei Temperatur­ meßelementen und mindestens einem Heizelement bestehen, wobei mindestens ein Temperaturmeßelement und/oder min­ destens ein Heizelement auf einem vorzugsweise recht­ eckigen, scheibenförmigen Systemträger aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßrohr zwischen zwei Systemträgern angeordnet ist und sich mindestens zwei Systemträger in einer zur Meßrohroberfläche tangentialen Ebene befinden und der Zwischenraum zwischen der Meßrohr­ oberfläche und der auf das Rohr weisenden Oberfläche des Systemträgers mit einem die Wärme gut leitenden Medium ausgefüllt ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeß- und Heizelemente auf dem Systemträger so aufgebracht sind, daß sie zwischen Meßrohroberfläche und Systemträger angeordnet sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeß- und Heizelemente auf derjenigen Fläche des Systemträgers aufgebracht sind, die nicht zur Rohroberfläche weist.

4. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemträger aus Exposidplatinenmaterial, Keramik oder Folie gefertigt ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei rechteckförmig ausgebildete Systemträger mit ihrer längeren Seite in Rohrrichtung weisend sich gegen­ überliegend befinden und die von beiden Systemträgern aufgespannten Flächen einander parallel sind, wobei das Meßrohr zwischen beiden Systemträgern hindurchläuft.

6. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemträger durch Abstandshalter, die vorzugs­ weise aus Hartschaum gefertigt sind, so miteinander ver­ bunden sind, daß sich ein quaderförmiges Teil ergibt, durch dessen Innenraum das von den Abstandshaltern ge­ führte Meßrohr verläuft.

7. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Systemträgern Abstandshalter, die vorzugs­ weise aufgelötet sind, aufgebracht sind, deren Höhe be­ züglich der Systemträgeroberfläche höher ist als das auf dem Systemträger befindliche höchste Bauteil, und die das Meßrohr mindestens in einem Punkt berühren.

8. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter vorzugsweise Kunststoffgehäuse von den auf dem Systemträger aufgebrachten Bauelementen sind.

9. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Systemträger, von denen jeder einzelne min­ destens ein Temperaturmeßelement aufweist, in wärmelei­ tenden Kontakt mit dem Meßrohr gebracht sind.

10. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Temperaturmeßelemente, in einer Ebene, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft, sich gegenüberliegend und in gleichem Abstand von der Meßrohr-Mittellinie befinden.

11. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Systemträger so in einem Aufnahmeblock, der vor­ zugsweise aus Hartschaum besteht, eingebracht sind, daß sich vorzugsweise immer zwei Systemträger gegenüberlie­ gend befinden, von denen mindestens ein Systemträger ein zusätzlich beheiztes Temperaturmeßelement aufweist.

12. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hartschaumblock mehrere Nutfräsungen zur Auf­ nahme der Systemträger eingebracht sind.

13. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne Systemträger an eine elektrische Aus­ wertungsschaltung angeschlossen ist.

14. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Auswertung durch eine Brückenschaltung erfolgt, bei der sich zwei beheizte Temperaturmeßelemente in der Meßbrücke diagonal gegenüberliegend befinden und die zwei übrigen Widerstände, der im einfachsten Fall aus 4 Widerständen bestehenden Vollbrücke die nicht beheizten Temperaturmeßelemente sind.