NL1038574A - Sensor voor een massadebietmeter. - Google Patents

Description

Sensor voor een massadebietmeter

De uitvinding heeft betrekking op een sensor voor een massadebietmeter van het thermische type, welke sensor een stromingsbuis omvat waardoorheen in bedrijf een fluïdum kan stromen, met een temperatuuropnemer, gevormd door een om de buis gewikkelde winding van weerstandsdraad op een eerste (upstream) positie A en een heater/temperatuuropnemer, gevormd door een om de buis gewikkelde winding van weerstandsdraad op een tweede, downstream positie, B, waarbij de stromingsbuis op een metalen voet is gemonteerd en zich binnen in een op de voet geplaatste kap bevindt.

Een bekende massadebietmeter van het thermische type is beschreven in EP-A 1139073. Deze bekende massadebietmeter bevat een flowsensor in de vorm van een warmtegeleidende stromingsbuis, voorzien van een om de buis gewonden weerstanddraad, die als warmtebron (heater) en als temperatuursen-sor fungeert, op een eerste positie, en een stroomopwaarts geplaatste tempera-tuursensor. Een regelcircuit dient om het temperatuurverschil tussen de tempe-ratuursensoren bij flow constant te houden, waarbij uit gegevens van het regelcircuit het massadebiet van het fluïdum dat door de buis stroomt wordt bepaald. Deze meetmethode noemt men wel de Constant Temperature (CT) methode.

Een nadeel van een dergelijk meetsysteem is gebleken te zijn, dat wanneer er een relatief lage doorstroming in de buis is, er een - ongewenste - dip in het meetsignaal optreedt.

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag eenvoudig aan te brengen en universeel toepasbare middelen te verschaffen om het optreden van deze dip zoveel mogelijk te voorkomen. Een sensor voor een massadebietmeter van de in de aanhef genoemde soort heeft daartoe volgens de uitvinding als kenmerk, dat de voet een opstaande rand heeft waaromheen de kap klemt en dat de sensor een flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal omvat die op een positie tussen de windingen om tenminste een deel van de omtrek van de buis is gekleefd en plaatselijk tussen de kap en de voet of de opstaande rand van de voet is geklemd.

Het arrangeren van een flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal, zoals bijv. koperfolie, zoals boven beschreven, in de sensor volgens de uit vinding voorziet er op de gewenste wijze in dat bij geen of lage flows de temperatuur bij de temperatuuropnemer niet stijgt door warmtegeleiding via de buis.

Een eerste voordelig aspect daarbij is dat de band om buizen van verschillende diameter kan worden gekleefd, en dus universeel toepasbaar is.

Een tweede voordelig aspect is dat de uiteinden van de band tussen de metalen kap en de voet of een opstaande rand op de voet van de sensorbehui-zing wordt geklemd. Het klemmen vindt plaats tijdens het opschuiven van de kap op de voet. Er is dus geen aparte fabricagestap nodig om de band in warmtege-leidend contact met de voet, respectievelijk met de kap, te brengen. Het is mogelijk om de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal m.b.v. een (druppel) thermische pasta aan de buis te bevestigen. Een praktische uitvoeringsvorm wordt echter gekenmerkt, doordat de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal zelfklevend is, zoals bijv. een zelfklevende koperfolie. Een zelfklevende flexibele band of folie kan niet alleen op directe wijze over een zo groot mogelijk contactoppervlak van de buis worden aangebracht, maar biedt tevens de mogelijkheid om de band of folie op zijn plaats te houden vóór en tijdens het klemmen dat bij het opzetten van de kap op de voet plaatsvindt.

Een derde voordelig aspect is dat de band uit één of meer op elkaar geplakte van een lijmlaag voorziene substrookjes kan bestaan. Door het kiezen van het aantal substrookjes (en eventueel de breedte daarvan) kan een gewenste warmteafvoer-karakteristiek van de band ingesteld worden. Daarnaast is een band met bijv. vier op elkaar gekleefde substrookjes flexibeler dan een enkele band met een dikte gelijk aan die van de vier substrookjes tezamen. Dit is zowel van voordeel bij het strak om de buis heen plakken van de band, als bij het tussen de kap en de voet klemmen van de band. De flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal kan in het kader van de uitvinding op verschillende manieren toegepast worden. Bijv. kan de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal in de vorm van een lus om de buis zijn gekleefd, waarbij het naar de buis toelopende en het van de buis aflopende deel van de band op elkaar gekleefd zijn.

Volgens voorkeursvorm heeft de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal echter twee uiteinden waarvan één uiteinde om tenminste een deel van de omtrek van de stromingsbuis is gekleefd op een positie tussen de windingen en het andere uiteinde tussen de kap en de voet of de opstaande rand van de voet is geklemd.

Voor praktische toepassingen is een flexibele band van goed warmtege-leidend materiaal geschikt gebleken, waarvan de thermische weerstand tussen de buis en de voet tussen de 100 en 1000 maal kleiner is dan thermische weerstand van de buis langs een pad tussen de flexibele band van goed warmtege-leidend materiaal en de voet.

De buis kan in het bijzonder U-vormig gebogen zijn met twee benen en een verbindingsstuk en de voet kan twee boringen hebben, waardoorheen de uiteinden van de benen van de U-vormige buis lopen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het verschaffen van een sensor voor een thermische flowmeter, waarbij een U-vormige buis met twee op een voorafbepaalde afstand van elkaar gelegen windingen, een temperatuuropneem winding en een heater/temperatuuropnemerwinding, met de uiteinden van de benen van de U in openingen van een voet wordt gestoken en waarbij tussen een plaats op de buis tussen de windingen en de voet een flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal wordt gekleefd, welke band tijdens het opzetten van de kap op de voet plaatselijk tussen de kap en de voet of de opstaande rand van de voet wordt geklemd, waarbij de thermische weerstand van de buis langs een pad tussen de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal en de voet wordt bepaald, en waarbij de parameters van de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal zodanig worden gekozen dat de thermische weerstand van de band tussen de buis en de voet tussen de 100 en 1000 maal kleiner is dan thermische weerstand van de buis langs een pad tussen de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal en de voet.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

Hierin toont:

Fig. 1 een perspectivisch aanzicht van de onderdelen voor een sensor voor een thermische massa debietmeter;

Fig. 2 toont een aanzicht van een samenstel van een van een flexibele warmte afvoerstrip voorziene U-vormige stromingsbuis en een PCB;

Fig. 3A toont een perspectivisch aanzicht van een sensorvoet en een daarin te monteren samenstel volgens Fig. 2 en

Fig. 3B toont een zijaanzicht van het samenstel en de sensorvoet van Fig. 3A na montage;

Fig. 4 toont aan de hand van een gedeeltelijke dwarsdoorsnede door Fig. 3B hoe een flexibele warmte afvoerstrip tijdens de assemblage vóór het aanbrengen van de kap op de voet wordt gepositioneerd;

Fig. 5 toont de sensorvoet van Fig. 3 in bovenaanzicht, terwijl Fig. 6 een dwarsdoorsnede langs de lijn A-A van de sensorvoet in Fig. 5 toont;

Fig. 7 toont de sensorvoet van Fig. 3 in onderaanzicht, en Fig. 8 toont aan de hand van twee doorsneden zoals in Fig. 4 het plaatsen van de kap op de voet.

Fig. 1 toont de onderdelen die voor het samenstellen van een flow sensor volgens de uitvinding gebruikt worden. Het betreft in eerste instantie een metalen flowsensorkap 1 die samen met een metalen flowsensorvoet 7 een flowsensor-behuizing gaat vormen, een capillaire, in U-vorm gebogen (stromings)buis 5 waarop twee windingen van weerstanddraad zijn gewikkeld, welke buis 5 bevestigd is aan een printed cicuitboard (pcb) 4 voor het aansluiten van de genoemde weerstanden op een 4-pin connector 6. De voet 7 is voorzien van een een rechthoek insluitende opstaande rand 15 met uitsteeksels op de uiteinden van de lange zijden tussen welke uitsteeksels de buis 5 en de pcb 4 worden bevestigd. De uiteinden van de buis worden bij de assemblage door twee in de voet 7 aangebrachte boringen (in Fig. 1 niet zichtbaar) gestoken en daarin vastgelijmd.

Verder kan, zoals nog nader zal worden toegelicht, bij het assembleren gebruik worden gemaakt van een of meer stukjes kunststof folie 2, een (dubbel) gevouwen stukje polyurethaan isolatieschuim 3 en rubberen capillaire afdichtingen 8.

Bij een voorkeursvorm van een sensor volgens de uitvinding wordt een flexibele band 9 van goed warmtegeleidend materiaal, zoals in het bijzonder ko-perfolie, gebruikt die aan één zijde van een laag lijm voorzien is. Deze gaat zodanig gearrangeerd worden dat hij in de geassembleerde toestand warmte van het gebied tussen de windingen op de buis 5 naar de behuizing kan afvoeren. De band 9 kan eventueel bestaan uit een aantal (bijvoorbeeld 4) op elkaar geplakte substroken (of -folies) die elk van een lijnlaag voorzien zijn. Een viervoudige folie is in de handel verkrijgbaar onder de naam Chromerics CHO-foil. Het aantal lagen is onder meer afhankelijk van de hoeveelheid warmte die afgevoerd moet worden.

Bij het samenstellen wordt, zoals getoond in Fig.2, een U-vormige capillaire buis 5 verschaft met twee benen die haaks omgebogen zijn. Op het verbin-dingsbeen 10 van de buis worden een (enkellaags) heater weerstand Rh en een (meerlaags) sensor weerstand Rs op een voorafbepaalde afstand van elkaar gewikkeld. De benen van de U-vormige buis 5 worden met overeenkomstige zijden aan een printed circuit board 4 bevestigd. De twee aansluitdraden van de heater weerstand en de twee aansluitdraden van de sensor weerstand worden op vier ingangs contactpunten van de PCB gesoldeerd. De uitgangs contactpunten van de PCB worden via aansluitdraden met een 4-pins connector 6 verbonden.

Een flexibele band 9 van zelfklevende koperfolie wordt strak om de buis 5 geplakt, op een positie tussen de heater weerstand Rh en de sensor weerstand Rs, waarbij het naar de buis toelopende deel van de strip 9 en het van de buis aflopende deel van de strook 9 op elkaar kleven. De breedte en de positionering van de band 9 zijn zodanig dat hij de heater weerstand en de sensorweerstand niet raakt. .De lengte van de band 9 is zodanig dat het vrije uiteinde wanneer de kap 1 en de voet 7 samengevoegd worden, tussen de sensorkap 1 en de sensor-voet 7 geklemd wordt.

In een volgende stap wordt het geheel van de van band 9 voorziene buis 5 met weerstanden Rh en Rs en de PCB 4 op de sensorvoet 7 gemonteerd; zie Fig.3A en 3B. Daarbij worden de uiteinden van de benen van de buis 5 door boringen 11,12 in de voet 7 gestoken en komen de uiteinden van de PCB 4 tussen uitsteeksels 13,13a; 14,14a op de uiteinden van de lange zijden van de opstaande rand 15 van de sensorvoet 7 te liggen. De benen van de buis 5 worden in de boringen 11,12 vastgelijmd. De samenstelling van de lijm is zodanig dat hij als gasobstakel dient, en als mechanische borging van de buis 5 in de voet 7. Tevens wordt één zijde van de PCB 4 vastgelijmd aan de uitsteeksels van de opstaande rand 15 van de voet 7. Na de montage van de buis 5 in de voet 7 wordt de flexibele band 9 van koperfolie in positie gelegd zoals is aangegeven in Fig. 4 en Fig. 8. .Dit betekent dat de band 9 over de zijkant van de opstaande rand van de sensorvoet 7 wordt gehangen aan de kant van de PCB 4 die is afgekeerd van de kant waar de aansluitcontacten en de aansluitdraden zich bevinden. Naast de opstaande rand 15 bevindt zich een trapvormig gedeelte (trede) 16 van de sensorvoet 7. Bij voorkeur valt de flexibele band ook over dit trapvormige gedeelte 16.

De aansluitdraden van de PCB 4 naar de pin connector 6 worden tussen twee stukjes kunststof tape 2 ingebed en via een lokale uitsparing/afschuining aan de kap en/ of de voet naar buiten gevoerd.

De sensorkap 1 wordt zover over de opstaande rand 15 geschoven dat hij op de uitsparing stuit. Daarbij wordt de flexibele band 9 tussen de kap 1 en de opstaande rand 15 geklemd en, afhankelijk van zijn lengte, ook nog tussen de onderkant van de kaprand en het trapvormige profiel (trede) 16 van de voet 7.

Om het optreden van luchtstromingen in de sensor te beperken, kan eventueel een dubbel gevouwen stukje (polyurethaan) schuim 3 om de buis 5 worden aangebracht voordat de kap 1 wordt geplaatst. Het over de rand van de voet schuiven van de kap 1 en het aanbrengen van het schuimplastic lichaam 3 wordt verduidelijkt aan de hand van Fig. 8.

In de onderzijde van de voet 7 komen de boringen elk uit in een kamer 17, respectievelijk 18 (zie Fig.6). Deze kamers bieden plaats aan ringvormige af-dichtrubbers 8. Deze worden op de door de boringen in de voet gestoken benen van de buis 5 geschoven (zie Fig. 3b).

De werking van de band van koper folie bij de sensor volgens de uitvinding berust op het volgende inzicht: de temperatuur tussen temperatuur opnemer en heater (verwarmingselement) wordt bij de gebruikte CT (Constant Temperature) flowmeetmethode constant gehouden. Hiervoor is een bepaald vermogen nodig. Dit vermogen is een maat voor de doorstroming( flow). Er is een vermo-gensregeling aanwezig om het temperatuurverschil constant te houden. Wanneer er echter geen of een relatief lage doorstroming is, wordt het vermogen waarmee het verwarmingselement wordt opgewarmd, afgezien van bijvoorbeeld stralingsverliezen, in hoofdzaak afgevoerd door geleiding via de buis. De temperatuur bij de temperatuuropnemer (op positie A) stijgt hierdoor en er ontstaat meekoppeling in de vermogensregeling, waardoor het benodigde vermogen stijgt. Pas bij een bepaalde doorstroming zal er genoeg warmte via het fluïdum worden afgevoerd waardoor de temperatuur van de opnemer niet meer wordt beïnvloed door het verwarmingselement. Vanaf nul flow tot dit punt zal het benodigde vermogen afnemen en daarboven zal het benodigde vermogen weer toenemen. Dit effect veroorzaakt een ongewenste dip in het meetsignaal. De om de buis gelijmde en tussen de kap en de rand van de voet geklemde band van ko-perfolie voorkomt nu bij geen of lage flows dat de temperatuur bij de temperatuur opnemer stijgt door geleiding via de buis. Omdat de band van koperfolie zodanig gedimensioneerd kan worden dat hij een betere temperatuurgeleiding heeft dan de buis, wordt de temperatuur tussen temperatuuropnemer en heaterelement nagenoeg gelijk getrokken met de temperatuur van de voet. De dip in het meetsignaal wordt hierdoor aanzienlijk gereduceerd of zelfs geëlimineerd.

Uit een rekenvoorbeeld aan een sensor op basis van de fig. 2, 3a en 3b, en 8 is gebleken dat de thermische weerstand van een 4-laags koperfolie band (4 op elkaar gekleefde laagjes koperfolie: Chromerics CHO-foil) met een lengte tussen de buis en de voet van 7 mm. (totale lengte 10 mm. want de band ligt om de buis en over de voet zit ook nog en stukje), een dikte van 0,5 mm. en een breedte van 2,5 mm ongeveer 500 maal lager was dan de thermische weerstand van de gebruikte RVS (roestvast stalen) flowsensorbuis met een wanddikte van 0,2 mm en een lengte van 30mm. gemeten vanaf de band tot de voet.

Kort samengevat heeft de uitvinding betrekking op een sensor voor een massadebietmeter van het thermische type, welke sensor een stromingsbuis omvat met een temperatuuropnemer en een op een voorafbepaalde afstand daarvan geplaatste heater/temperatuuropnemer, welke stromingsbuis op een metalen voet is gemonteerd en zich binnen een op de voet geplaatste metalen kap bevindt. Tussen de temperatuuropnemer en de heater/temperatuuropnemer is een, in het bijzonder zelfklevende, band van warmtegeleidend materiaal zoals koper aan één uiteinde om tenminste een deel van de omtrek van de stromingsbuis gekleefd en aan zijn andere uiteinde tussen de kap en de voet geklemd.

Claims (9)

1. Sensor voor een massadebietmeter van het thermische type, welke sensor een stromingsbuis omvat waardoorheen in bedrijf een fluïdum kan stromen, met een temperatuuropnemer, gevormd door een om de buis gewikkelde winding van weerstandsdraad op een eerste, upstream, positie A en een hea-ter/temperatuuropnemer, gevormd door een om de buis gewikkelde winding van weerstandsdraad, op een tweede, downstream, positie B, waarbij de stromingsbuis op een metalen voet is gemonteerd en zich binnen in een op de voet geplaatste kap bevindt, met het kenmerk, dat de voet een opstaande rand heeft waaromheen de kap klemt en dat de sensor een flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal omvat die op een positie tussen de windingen om tenminste een deel van de omtrek van de buis is gekleefd en plaatselijk tussen de kap en de voet of de opstaande rand van de voet is geklemd.

2. Sensor volgens conclusiel, met het kenmerk, dat de flexibele band goed warmtegeleidend materiaal twee uiteinden heeft waarvan één uiteinde om tenminste een deel van de omtrek van de stromingsbuis is gekleefd op een positie tussen de windingen en het andere uiteinde tussen de kap en de voet of de opstaande rand van de voet is geklemd.

3. Sensor volgens conclusiel, met het kenmerk, dat de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal in de vorm van een lus om de buis is gekleefd, waarbij het naar de buis toelopende en het van de buis aflopende deel van de band op elkaar gekleefd zijn, en dat de uiteinden van de naar de buis toelopende en de van de buis aflopende delen van de band plaatselijk tussen de kap en de voet of de rand van de voet zijn geklemd.

4. Sensor volgens conclusiel ,2 of 3, met het kenmerk, dat de flexibele band zelfklevend is.

5. Sensor volgens conclusiel, 2 of 3, met het kenmerk, dat aan de rand van de voet een trede grenst waarop de onderkant van de wand van de kap rust, en dat de flexibele band van goed warm-tegeleidend materiaal zowel tussen de opstaande rand van de voet en de kap, als tussen de genoemde trede op de voet en de onderkant van de wand van de kap geklemd is.

6. Sensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal uit tenminste twee op elkaar gekleefde substrookjes van goed warmtegeleidend materiaal bestaat.

7. Sensor volgens conclusie 1 of 6, met het kenmerk, dat het goed warmtegeleidende materiaal koper is.

8. Sensor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de thermische weerstand van de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal tussen de buis en de voet tussen de 100 en 1000 maal kleiner is dan thermische weerstand van de buis langs een pad tussen de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal en de voet.

9. Werkwijze voor het verschaffen van een sensor voor een thermi sche flowmeter, waarbij een U-vormige buis met twee op een voorafbepaalde afstand van elkaar gelegen windingen, een temperatuuropneem winding en een heater/ temperatuuropnemerwinding, met de uiteinden van de benen van de U in openingen van een voet wordt gestoken en waarbij tussen een plaats op de buis tussen de windingen en de voet een flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal wordt gekleefd, welke band tijdens het opzetten van de kap op de voet plaatselijk tussen de kap en de voet of de opstaande rand van de voet wordt geklemd, waarbij de thermische weerstand van de buis langs een pad tussen de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal en de voet wordt bepaald, en waarbij de parameters van de flexibele band van goed warmtegeleidend materiaal zodanig worden gekozen dat de thermische weerstand van de band tussen de buis en de voet tussen de 100 en 1000 maal kleiner is dan thermische weerstand van de buis langs een pad tussen de flexibele band van goed warm-tegeleidend materiaal en de voet.