WO2005064285A2

WO2005064285A2 - Modularer hantelkopfsensor

Info

Publication number: WO2005064285A2
Application number: PCT/EP2004/014661
Authority: WO
Inventors: Günther WAIBEL; Helmar Scholz; Manfred Schmitt
Original assignee: Gebr. Schmidt Fabrik für Feinmechanik GmbH & Co. KG
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2005-07-14
Also published as: WO2005064285A3; DE10361564A1

Abstract

Ein Sensor (10) dient zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektrisches Signal. Der Sensor (10) weist ein Fühlerrohr (12) auf, dessen Außenfläche (15) von dem Medium angeströmt wird. In einem Fühlerrohr (12) ist ein temperaturempfindliches Element (28) angeordnet. Das Fühlerrohr (12) bildet mit zwei näherungsweise scheibenförmigen Anströmkappen (18, 20), die im Abstand zueinander auf dem Fühlerrohr (12) angeordnet sind, einen hantelförmigen Sensorkopf. Die Anströmkappen (18, 20) sind lösbar mit dem Fühlerrohr (12) verbunden. Sie können im Vergleich zu dem Fühlerrohr (12) aus einem weicheren Werkstoff bestehen.

Description

Modularer Hantelkopfsensor

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektrisches Signal, mit einem Fühlerrohr, dessen Außenfläche von dem Medium angeströmt wird, mit einem in dem Fühlerrohr angeordneten temperaturempfindlichen Element und mit einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei das Fühlerrohr mit zwei näherungsweise scheibenförmigen Anströmkappen, die beabstandet zueinander auf dem Fühlerrohr angeordnet sind, einen hanteiförmigen Sensorkopf bildet.

Ein derartiger Sensor ist aus der EP 0 339 626 bekannt. Der bekannte Sensor, der zum Erfassen von physikalischen Parametern von strömenden Medien dient, wobei unter physikalischen Parametern im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur, der Massenstrom und dergleichen des strömenden Mediums, z.B. Luft, Gase oder Flüssigkeiten, verstanden werden sollen.

Dieser Sensor weist ein Sensorgehäuse auf, das mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden ist. Am Sensorgehäuse ist über ein Montagegewinde ein zylindrisches Fühlerrohr angebracht, an dessen äußerem, vom Sensorgehäuse abgewandten Ende ein hanteiförmiger Kopf angeordnet ist.

Der hanteiförmige Kopf geht vom Fühlerrohr über ein konisches Teil in ein durchmessergeringeres zylindrisches Teil über, an das sich eine kegelstumpfförmige Kappe anschließt, deren abgestumpfte Kegelspitze durchmessergleich zum zylindrischen Teil ist. Von der senkrecht zur Längsachse des zylindrischen Teils verlaufenden Endfläche der Kappe, die zugleich die Bodenfläche der kegelstumpfförmigen Kappe darstellt, erstreckt sich ein zylindrisches Verbindungsstück des Fühlerrohrs, das durchmes- ser- und achsgleich zum zylindrischen Teil ist. Am der Kappe gegenüberliegenden Ende des Verbindungsstückes des Fühlerrohrs ist eine weitere kegelförmige Kappe mit abgerundeter Spitze angeordnet. Die bodenseitige Endfläche der weiteren kegelförmigen Kappe ist der Endfläche der kegelstumpfförmigen Kappe zugewandt. Die Kappen sind einstückig mit dem Fühlerrohr ausgebildet.

Auf das Verbindungsstück ist ein zylinderförmiger Träger, der als zylindrische Messhülse ausgebildet ist, aufgeschoben. Der Träger ist kürzer als das Verbindungsstück ausgebildet, so dass zwischen den äußeren Enden des Trägers und den Endflächen der Kappen jeweils ein Teil des Verbindungsstücks gelegen ist.

Die Hauptanströmrichtung des zu messenden Mediums ist senkrecht zur Längsachse des Sensors.

Im vordersten Endbereich ist der Sensor als kegelförmige Kappe mit verrundeter Spitze ausgebildet, die als hohe Kappe ausgebildet ist und ein stückig mit einem rohrförmigen Verbindungsstück ausgebildet ist. Das rohrförmige Verbindungsstück trägt den hülsenför igen Träger bzw. eine Hülse, die außen auf das Verbindungsstück aufgeschoben ist. Im Endbereich der Hülse weist das Verbindungsstück eine Verdickung auf, so dass bei aufgeschobener Hülse eine glatte zylindrische Fläche im Bereich des „Hantelgriffes" geschaffen ist, so dass Kanten, die eine Verwirbelung verursachen könnten, vermieden sind.

Der als einstückiger Hohlkörper ausgebildete Zusammenbau aus Verbindungsstück und Kappe ist aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff aterial hergestellt. Die Hülse besteht aus einem gut wärmeleitenden Material. Sie beinhaltet einen Keramik-Chip als Sensorelement. Der Keramik-Chip ist an einer äußeren Seite mit einer HeizSchicht in Form eines Dünnfilmwiderstandes und an einer Innenseite mit einer MessSchicht ebenfalls in Form eines Dünnfilmwiderstandes beschichtet. Das Sensorelement selbst ist mittels einer gut wärmeleitenden Vergussmasse im Innenraum der Hülse eingebettet.

Beim bekannten Sensor hat es sich als nachteilig erwiesen, dass das hanteiförmige Ende des Sensors , mit dem das strömende Medium vermessen wird, sehr anfällig gegenüber einem Abbrechen der Kappen beim Platzieren des Sensors am Messort ist. Der bekannte Sensor wird z.B. durch eine entsprechende, dafür vorgesehene Öffnung in einem Rohr in dasselbe eingeführt. Die Öffnung des Rohrs ist dabei unwesentlich größer als der Durchmesser der Hantelkappen. Wird der Sensor nicht optimal eingeführt, d.h. wird er z.B. verkantet, kann bzw. können eine oder beide Kappen abbrechen. Dies hat die Zerstörung des gesamten Sensorelements zur Folge. Ein neuer Sensor muss erneuert werden. Der Anschaffungspreis ist jedoch relativ hoch.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zu schaffen, der bei Messungen einfacher handhabbar ist und bei falscher Handhabung nicht vollständig zerstört wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor der eingangs erwähnten Art gelöst, bei dem die Anströmkappen lösbar mit dem Fühlerrohr verbunden sind.

Dadurch wird gewährleistet, dass die Anströmkappen ausgetauscht werden können. Der Sensor ist dann modular aufgebaut. Das Fühlerrohr und die Anströmkappen können getrennt voneinander hergestellt werden. Sollte eine der Anströmkappen beim Positionieren des Sensors am Messort verloren gehen, so kann sie auf einfache Art und Weise durch eine neue ersetzt werden. Die Produktionskosten für eine einzelne Sensorkappe liegen weit unter den Produktionskosten des gesamten Sensors. Ein Verlust einer Sensorkappe, wie z.B. durch Abbrechen oder Abstreifen beim Einführen z.B. in ein Rohr, das das strömende Medium enthält, führt somit nicht zwangsläufig zur Unbrauchbarkeit des gesamten Sensors. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Anströmkappen aus einem im Vergleich zu dem Fühlerrohr weicheren Werkstoff bestehen.

Wenn die Anströmkappen weicher als das Fühlerrohr sind, lassen Sie sich einfacher mit dem Fühlerrohr verbinden. Sollte es beim Verbinden zu mechanischen Widerständen kommen, so wird eher die Kappe als das Rohr nachgeben. Dadurch ist gewährleistet, dass das Rohr, welches die (teure) Sensorik enthält, nicht beschädigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anströmkappen auf das Fühlerrohr aufsteckbar.

Auf das Fühlerrohr aufsteckbare Kappen lassen sich schnell und einfach wechseln. Zum Austausch von Kappen ist kein Werkzeug erforderlich. Die Kappen können einfach per Hand ausgetauscht werden.

Ferner ist es bevorzugt, wenn die Anströmkappen einen inneren Ringwulst aufweisen, der elastisch in eine äußere Ringnut des Fühlerrohrs, vorzugsweise formschlüssig, einklipsbar ist.

So kann gewährleistet werden, dass die Anströmkappen fixiert am Fühlerrohr angeordnet sind. Sie verrutschen nicht. Beim Aufstecken, d.h. beim Einklipsen des Wulstes in die Nut, bekommt der Benutzer eine taktile Rückmeldung, dass sich die Kappen am richtigen Ort befinden, d.h. wenn die Kappen einrasten.

Ferner ist es bevorzugt, wenn das Fühlerrohr im Bereich der Ringnut verdickt ausgebildet ist. Durch eine Verdickung des Fühlerrohrs im Bereich der Ringnut wird die mechanische Stabilität des Fühlerrohrs bei aufgesteckten Anströmkappen verbessert. Die Gefahr, dass das Fühlerrohr entweder beim Positionieren des Sensors am Messort oder beim Aufbringen der Anströmkappen auf das Fühlerrohr beschädigt wird, wird erheblich verringert. Durch die dickere Wandstärke des Fühlerrohrs im Bereich der Ringnut kann das Fühlerrohr höhere mechanische Spannungen aufnehmen. Ferner kann die Ringnut beim Herstellungsprozess des Fühlerrohrs einfach, z.B. spanend, im Fühlerrohr ausgebildet werden. Die Ringnut kann aber auch spritzgegossen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Anströmkappen auf das Fühlerrohr aufschraubbar.

Diese zum Aufstecken alternative Verbindung zwischen den Anströmkappen und dem Fühlerrohr hat den Vorteil, dass sie ein (versehentliches) Verrücken bzw. Verschieben der Anströmkappen verhindert. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Anströmkappen sich immer an dem vorbestimmten Ort relativ zum Fühlerrohr befinden, so dass jederzeit ideale Strömungsverhältnisse in dem (Mess-)Bereich zwischen den Anströmkappen herrschen.

Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Fühlerrohr mit einer Temperierung, vorzugsweise einer Heizung zum geregelten Temperieren bzw. Erwärmen des temperaturempfindlichen Elementes auf eine vorbestimmte Temperatur versehen ist, und die Auswerteeinheit ein elektronisches Messmittel zum Erfassen und Auswerten der Temperierung aufgenommen aufweist. Von weiterem Vorteil ist, wenn zum Messen der Temperatur des Medi- ums die vorbestimmte Temperatur höher als die Temperatur des Mediums eingestellt ist.

Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, dass der temperaturempfindliche Sensor einwandfrei funktioniert. Durch die vorgesehene regelbare Heizung wird die Temperatur um das temperaturempfindliche Element herum auf eine vorbestimmte Temperatur, insbesondere eine höhere Temperatur als die Temperatur des Mediums, eingestellt, so dass das Medium kühlend auf den Sensor wirkt. Im Falle einer Abkühlung regelt dann die Heizung die Temperatur nach. Die elektronischen Messmittel erfassen diese Leistung der Heizung und werten sie aus, womit Rückschlüsse auf die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums gezogen werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Fühlerrohr dünnwandig ausgebildet.

Die Wandstärke des Fühlerrohrs beeinflusst die Wärmeleitfähigkeit. Je größer die Wandstärke in radialer Richtung ist, desto geringer ist die Wärmeleitung zwischen dem Außenraum und dem Innenraum des Fühlerrohrs. Da das temperaturempfindliche Element innerhalb des Fühlerrohrs angeordnet ist, ist es von Vorteil, wenn die Wandstärke des Fühlerrohrs zumindest in dem Bereich, wo das temperaturempfindliche Element angeordnet ist, dünnwandig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Temperatur bzw. die Temperaturdifferenz am Besten von außen nach innen übertragen werden.

Vorteilhaft ist auch, wenn das temperaturempfindliche Element in das Fühlerrohr mittels eines wärmeleitenden Materials eingegossen ist. Diese Maßnahme ermöglicht eine noch bessere Wärmeleitung zwischen dem zu vermessenden Außenraum des Fühlerrohrs und dessen Innenraum, wo sich das temperaturempfindliche Sensorelement befindet.

Ferner ist es von Vorteil, wenn das Fühlerrohr selbst einen vorderen Endbereich eines Sensorrohrs bildet, besonders wenn der vordere Endbereich an seinem freien Ende geschlossen ausgebildet ist.

In diesem Fall ist das Fühlerrohr einstückig mit dem Sensorrohr ausgebildet, d.h. das Fühlerrohr bildet das Gehäuse des Sensors. Dies senkt den Produktionsaufwand und die Kosten. Ein Zusammenbau des Fühlerrohrs mit dem restlichen Sensor ist nicht erforderlich. Das temperaturempfindliche Element kann von der einem geschlossenen Ende des Sensorrohrs gegenüberliegenden, offenen Seite in das Fühlerrohr eingeführt werden. Da das freie Ende, d.h. das Ende, wo gemessen wird, geschlossen ausgebildet ist, sind keine Mittel zum Abdichten des Rohrs zwischen der vorderen Anströmkappe und dem Rohr selbst nötig. Das durchströmende Medium kann nicht in das Innere des Sensors gelangen, selbst dann nicht, wenn eine der Kappen oder beide Kappen sich vom Fühlerrohr lösen sollten. Dies erhöht die Lebensdauer des Sensors, da oftmals aggressive Medien gemessen werden, die insbesondere die elektronischen Komponenten des Sensors angreifen könnten.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der vordere Endbereich an seinem freien Ende offen ausgebildet und mittels einer kap- penförmig ausgebildeten Anströmkappe verschließbar. Dies hat den Vorteil, dass die im Fühlerrohr befindlichen Komponenten des Sensors, insbesondere das temperaturempfindliche Element, leicht von außen zu Montage- oder Reparaturzwecken zugänglich ist.

Besonders von Vorteil ist, wenn das Sensorrohr einen hinteren Endbereich, einen Mittelbereich sowie den vorderen Endbereich aufweist, und diese Bereiche einstückig ausgebildet sind.

Durch Einstückigkeit wird gewährleistet, dass das zu vermessende Medium, das ggf. auch aggressiv wirken kann, nicht an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Bereichen in das Innere des Sensorrohrs gelangen kann. Durch die Einstückigkeit wird des Weiteren eine gewisse Festigkeit vorgesehen, die ein Brechen des Rohrs, z.B. aufgrund einer Hebelwirkung, verhindern.

Vorteilhaft ist auch, wenn im hinteren Endbereich ein weiteres temperaturempfindliches Element angeordnet ist.

Das weitere temperaturempfindliche Element kann als Referenz für das sich im vorderen Endbereich des Fühlerrohrs befindliche temperaturempfindliche Element dienen. Die Messergebnisse sind dann präziser und zuverlässiger, da Schwankungen in der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden können.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der hintere Endbereich dickwandig ausgebildet ist und mit einem Wärmefenster für das weitere temperaturempfindliche Element versehen ist. Das im hinteren Endbereich angeordnete weitere temperaturempfindliche Element wird somit nicht von der Temperatur beein- flusst, die im bzw. am vorderen Endbereich, insbesondere dem eigentlichen Messbereich, herrscht. Über das Wärmefenster wird es dem weiteren temperaturempfindlichen Element ermöglicht, die Medientemperatur zu bestimmen. Ein Wärmeaustausch zwischen Messfühler und Wärmefenster wird vermieden.

Weiter ist es von Vorteil, wenn das weitere temperaturempfindliche Element über eine wärmeleitende Paste mit dem Wärmefenster thermisch verbunden ist. Die Wärmepaste ermöglicht eine bessere Wärmeleitung vom Medium auf das Temperaturelement.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Mittelbereich schlecht wärmeleitend ausgebildet.

Durch diese Maßnahme wird die „Wärmekommunikation" zwischen dem vorderen und dem hinteren Endbereich unterbunden bzw. zumindest weitgehend reduziert.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der Mittelbereich mit einem geringen Querschnitt, insbesondere gegenüber dem vorderen und hinteren Endbereich, ausgebildet ist.

Auch diese Maßnahme verhindert bzw. verschlechtert die Wärmekommunikation zwischen dem vorderen und dem hinteren Endbereich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn der Mittelbereich evakuiert ist. Auch diese Maßnahme unterstützt die schlechtere Wärmeleitfähigkeit zwischen dem vorderen und hinteren Endbereich. Der vordere und hintere Endbereich werden bezüglich ihrer Wärmeempfindlichkeit entkoppelt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungform bestehen die Anströmkappen aus einem elastischen Kunststoff, insbesondere aus einem Perfluoroelasto er.

Die Elastizität der Anströmkappen unterstützt die einfache Montage der Kappen auf dem Fühlerrohr. Das Fühlerrohr wird bei Verwendung von elastischen Kappen weniger beschädigt, da diese bei Kontakt mit dem Fühlerrohr die Oberfläche desselben weniger beanspruchen.

Von Vorteil ist auch, wenn das Fühlerrohr aus einem gegen aggressive Medien resistenten Werkstoff, insbesondere aus einer Keramik, die aus der Gruppe Zr0₂ und Al₂0₃ ausgewählt ist, besteht.

Diese Wahl der Herstellungsmaterialien stellt sicher, dass der Sensor eine möglichst lange Lebensdauer aufweist, wobei die erforderlichen Wärmeleiteffekte bzw. die Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt werden bzw. wird.

Die Aufgabe, weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen noch deutlicher werden. Es zeigen: Fig. la/lb eine schematische perspektivische Ansicht eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung in einem auseinandergebauten Zustand;

Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 vergrößerte schematische perspektivische Ansicht des hanteiförmigen Sensorkopfes der Fig. 1 im zusammengebauten Zustand; und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Längsachse des Sensors gemäß der Fig. 1.

Die in den Figuren dargestellten Sensoren dienen zum Erfassen von physikalischen Parametern von strömenden Medien, wobei unter physikalischen Parametern im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit, die Temperatur, der Massenstrom und dergleichen des strömenden Mediums, z.B. Luft, Gase (Biogase) oder Flüssigkeiten verstanden werden sollen.

Ein in Fig. la dargestellter Sensor 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf, das mit einer hier nicht näher dargestellten elektronischen Auswerteeinheit verbunden ist.

Das Sensorgehäuse 12 ist hier einstückig mit einem Fühlerrohr 12 ausgebildet. Am vorderen Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12, der eine Außenfläche 15 aufweist, können entlang der Längsachse 16 eine erste Anströmkappe 18 und eine zweite Anströmkappe 20 (vgl. Fig. lb) mit dem Fühlerrohr 12 verbunden werden. Im verbundenen Zustand bilden das Fühlerrohr 12, insbesondere der vordere Endbereich 14, mit den Kappen 18 und 20 einen hanteiförmigen Sensorkopf (vgl. auch Fig. 2). In der Fig. la ist lediglich die erste Anströmkappe 18 dargestellt. Die zweite Anströmkappe 20 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der weiteren Fig. lb dargestellt. Im zusammengebauten Zustand wäre die zweite Anströmkappe 20 jedoch vor der ersten Anströmkappe 18 in Richtung der Längsachse 16 auf den vorderen Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12 aufzubringen. Die zweite Anströmkappe 20 weist dazu eine entsprechende Öffnung (nicht dargestellt) auf. Anschließend wäre die erste Anströmkappe 18 entlang der Längsachse 16 auf den vorderen Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12 aufgebracht worden.

Um die Anströmkappen 18 und 20 sicher am Fühlerrohr 12 zu fixieren, können die Kappen 18 und 20 jeweils einen Ringwulst 21 (vgl. auch Fig. 3) aufweisen. Der Ringwulst 21 kann in Eingriff mit einer Nut bzw. Ringnut 24 gebracht werden, die bei einer Verdickung 22 im vorderen Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12 vorgesehen sein kann.

Die Breite eines Messbereichs 26 wird (im zusammengebauten Zustand) durch den Abstand sich gegenüberliegender Stirnflächen der Anstromungskappen 18 und 20 definiert. Um zu messen, wird das strömende Medium im Wesentlichen senkrecht auf die Außenfläche 15 im vorderen Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12, d.h. senkrecht zur Mittelachse 16, auf den Sensor 10 gerichtet (vgl. auch Pfeile 30 und 32 in Fig. 3).

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines vorderen Endbereichs 14' eines Sensors 10, der im Wesentlichen identisch zu dem Sensor 10 der Fig. 1 ist. Der Sensor 10 der Fig. 2 ist perspektivisch in einem zusammengebauten Zustand des Sensorkopfes dargestellt. Man erkennt deutlich die hanteiförmige Gestalt des Sensorkopfes. Das Fühlerrohr 12 ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Andere Formen sind jedoch ebenfalls möglich.

Die Anströmkappen, insbesondere die Anströmkappe 18', ist kap- penförmig ausgebildet, und verschließt das vordere Ende des Fühlerrohrs 12.

Das vordere Ende des Fühlerrohrs 12 kann sowohl geschlossen als auch offen ausgebildet sein. Sollte das vordere Ende geschlossen ausgebildet sein, so ist zwischen der ersten Anströmkappe 18' und dem Fühlerrohr 12 keine Dichtung erforderlich, die ein Eindringen des zu vermessenden Mediums in das Innere des Fühlerrohrs 12 verhindert. Sollte das vordere Ende jedoch offen ausgebildet sein, so wird eine Dichtung, wie z.B. ein O-Ring, vorgesehen.

Das vordere Ende des vorderen Endbereichs 14 bzw. 14' offen auszubilden hat den Vorteil, dass die sich im Inneren des Fühlerrohrs 12 befindlichen Komponenten des Sensors 10, insbesondere die Elemente, die sich im vorderen Endbereich befinden, einfach zugänglich sind. Die geschlossene Ausbildung hat den Vorteil, dass das zu messende Medium nicht in das Fühlerrohr eindringen kann. Jedoch gestaltet sich dann der Einbau der Komponenten, die sich im vorderen Endbereich 14 bzw. 14' befinden, etwas schwieriger.

In Fig. 3 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Längsachse 16 des Sensors gemäß der Fig. 1 und 2 dargestellt. Das vordere (freie) Ende des vorderen Endbereichs 14 ist bei dieser Ausführungsform geschlossen ausgebildet.

Die Anströmkappen 18 und 20 weisen jeweils einen Ringwulst 21 auf, der in Eingriff mit der Ringnut 24 gebracht werden kann.

In der Fig. 3 ist die erste Anströmkappe 18 bereits in einem mit dem Fühlerrohr 12 verbundenen Zustand dargestellt. Die zweite Anströmkappe 20 ist noch nicht endgültig mit dem Fühlerrohr 12 verbunden. Durch ein Bewegen der zweiten Anströmkappe 20 in der Fig. 3 nach links könnte die zweite Anströmkappe 20 in eine für eine Messung vorbestimmte Position gebracht werden.

In der Fig. 3 erkennt man, dass das strömende Medium entlang der Pfeile 30 und 32 senkrecht zur Längsachse 16 auf die Außenfläche 15 des vorderen Endbereichs 14 des Fühlerrohrs 12 gerichtet ist.

Im vorderen Endbereich 14 ist im Inneren des Fühlerrohrs 12 ein Sensorelement 28 angeordnet. Das Sensorelement 28 ist ein temperaturempfindliches Element, das mit einer elektronischen Auswerteeinheit (nicht dargestellt) verbunden ist.

Räumlich nahe zur Außenfläche 15 ist eine geregelte Heizung im Fühlerrohr 12 vorgesehen. Diese geregelte Heizung (nicht dargestellt) dient zum Erwärmen des Fühlerrohrs 12 auf eine vorbestimmte Temperatur, die vorzugsweise über der Temperatur des zu vermessenden Mediums liegt.

Mit der Heizung zum geregelten Erwärmen wird der vordere Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12 auf eine vorbestimmte Temperatur geregelt. Durch das vorbeiströmende Medium senkt sich die Temperatur des Fühlerrohrs 12. Um das Fühlerrohr 12 auf der vorbestimmten Temperatur zu halten, regelt die Heizung die Temperatur nach, indem sie heizt. Die Auswerteeinheit, die u.a. (elektronische) Mittel zum Erfassen und Auswerten der Leistung der Heizung aufweist, registriert diesen Vorgang und kann anhand der erfassten und registrierten Daten die Temperatur des Mediums bestimmen.

An den vorderen Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12 schließt sich ein Mittelbereich 34 an. An den Mittelbereich 34 schließt sich ein hinterer Endbereich 36 an. Der vordere Endbereich 14, der Mittelbereich 34 und der hintere Endbereich 36 sind vorzugsweise einstückig ausgebildet.

Im hinteren Endbereich 36 des Fühlerrohrs 12 kann zusätzlich ein weiteres Sensorelement 38 vorgesehen sein, das temperaturempfindlich ist. Das weitere temperaturempfindliche Element 38 ist mittels einer wärmeleitenden Paste, d.h. mittels einer Wärmebrücke 42, thermisch mit einem Wärmefenster 40 verbunden. Anstatt einer wärmeleitenden Paste können auch andere Materialien, die eine gute Wärme leitende Eigenschaft aufweisen, als Wärmebrücke 42 verwendet werden. Das Wärmefenster 40 ist vorzugsweise dünnwandig ausgebildet. Es ist Teil des Fühlerrohrs 12.

Über das Wärmefenster 40 und die Wärmebrücke 42 kann das zweite temperaturempfindliche Element 38 die Temperatur des Mediums bestimmen. Es ist somit möglich, die Temperatur des Mediums an zwei verschiedenen Ort zu messen, d.h. ggf. lokale Temperaturschwankungen des Mediums berücksichtigen zu können. Üblicherweise wird der Sensor 10 so eingesetzt, dass zumindest der vordere Endbereich 14 des Fühlerrohrs 12 im strömenden Medium positioniert ist. Der mittlere Bereich 34 befindet sich normalerweise auch innerhalb des strömenden Mediums . Der hintere Endbereich 36 befindet sich in der Regel ebenfalls innerhalb des strömenden Mediums. So könnte z.B. der erfindungsgemäße Sensor 10 in eine geeignete Öffnung in einem Rohr gesteckt werden, durch das zu vermessende Medium fließt. Der mittlere Bereich 34 und der hintere Endbereich 36 können sich dann auch innerhalb des Rohrs mit dem strömenden Medium befinden.

Genau in solchen Situationen kommt es u.U. beim Einführen zu auf den Sensor 10 wirkende Hebelkräfte, nämlich insbesondere dann, wenn die Längsachse 16 des Sensors 10 horizontal gegenüber einem vertikal verlaufenden Rohr orientiert ist.

Durch die einstückige Ausbildung des Fühlerrohrs 12 können die wirkenden Kräfte besser aufgenommen werden, ohne dass es zu einer Beschädigung des Fühlerrohrs 12 kommt. Sollte beim Einführen des Sensors 10 in die Öffnung des Rohrs, in dem das Medium fließt, eine der Anströmkappen abbrechen, so kann diese aufgrund des modularen Aufbaus des erfindungsgemäßen Sensors einfach ausgetauscht werden.

Je geringer die Wandstärke im vorderen Endbereich 14 ausgebildet ist, desto besser lässt sich die Wärme von der Außenfläche 15 in Richtung des Inneren des Fühlerrohrs 12 übertragen. Damit die Wärmeänderungen im Messbereich 26 das zweite temperaturempfindliche Element 38 so wenig wie möglich beeinflussen, wird der Mittelbereich 34 des Fühlerrohrs 12 vorzugsweise mit einer geringeren Wandstärke versehen. Der Querschnitt des Mittelbe- reichs 34 wird vorzugsweise so gering wie möglich gewählt, so dass das Volumen zwischen dem vorderen Endbereich 14 und dem hinteren Endbereich 36, das ebenfalls zur Wärmeübertragung zwischen den beiden temperaturempfindlichen Elementen 28 und 38 beiträgt, so klein wie möglich ist.

Vorzugsweise ist das Innere 44 des Fühlerrohrs 12 hohl gestaltet und evakuiert. Im hinteren Endbereich 36 des Fühlerrohrs 12 kann der Rohrdurchmesser wieder zunehmen, insbesondere dann, wenn im hinteren Endbereich die Verbindung zur elektronischen Auswerteeinheit oder die elektronische Auswerteeinheit selbst vorgesehen ist.

Das Fühlerrohr 12 wird vorzugsweise aus einer medienresistenten Keramik spritzgegossen. Die Keramik kann aus der Gruppe Z_r0₂ und Al₃0₃ ausgewählt sein. Das Fühlerrohr 12 kann auch aus einem Kunststoff hergestellt werden, etwa wie z.B. PBT, der glasfaserverstärkt ist, oder LCP (Liquid Crystal Polymere), das besonders fest und temperaturbeständig ist.

Claims

Patentansprüche

Sensor zum Umwandeln eines physikalischen Parameters eines strömenden Mediums in ein elektrisches Signal, mit einem Fühlerrohr (12), dessen Außenfläche (15) von dem Medium angeströmt wird, mit einem in dem Fühlerrohr (12) angeordneten temperaturempfindlichen Element (28), und mit einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei das Fühlerrohr (12) mit zwei näherungsweise scheibenförmigen Anströmkappen (18, 20), die beabstandet zueinander auf dem Fühlerrohr (12) angeordnet sind, einen hanteiförmigen Sensorkopf bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen (18, 20) lösbar mit dem Fühlerrohr (12) verbunden sind.

Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen aus einem im Vergleich zu dem Fühlerrohr (12) weicheren Werkstoff bestehen.

Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen (18, 20) auf das Fühlerrohr (12) aufsteckbar sind.

Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen (18, 20) einen inneren Ringwulst (21) aufweisen, der elastisch in eine äußere Ringnut (24) des Fühlerrohres (12), insbesondere formschlüssig, einklipsbar ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fühlerrohr (12) im Bereich der Ringnut (24) verdickt ausgebildet ist.

6. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen (18, 20) auf das Fühlerrohr (12) aufschraubbar sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fühlerrohr (12) mit einer Temperierung zum geregelten Temperieren eines Messbereichs (26) des Fühlerrohrs auf eine vorbestimmte Temperatur versehen ist, und dass die Auswerteeinheit ein elektronisches Messmittel zum Erfassen und Auswerten der Leistung der Temperierung aufweist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen der Temperatur des Mediums die vorbestimmte Temperatur höher als die Temperatur des Mediums eingestellt ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fühlerrohr (12) dünnwandig ausgebildet ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturempfindliche Element (28) in das Fühlerrohr ( 12 ) mittels eines wärmeleitenden Materials eingegossen ist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fühlerrohr (12) einen vorderen Endbereich (14) eines Sensorrohres (12) bildet.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Endbereich (14) an seinem freien Ende geschlossen ausgebildet ist.

13. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Endbereich (14') an seinem freien Ende offen ausgebildet und mittels einer kappenförmig ausgebildeten Anströmkappe (18') verschließbar ist.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorrohr (12) einen hinteren Endbereich (36), einen Mittelbereich (34) sowie den vorderen Endbereich (14) aufweist und dass die Bereiche (14, 34, 36) einstückig ausgebildet sind.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im hinteren Endbereich (36) ein weiteres temperaturempfindliches Element (38) angeordnet ist.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der hintere Endbereich (36) dickwandig ausgebildet und mit einem Wärmefenster (42) für das weitere temperaturempfindliche Element (38) versehen ist.

17. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere temperaturempfindliche Element (38) über eine wärmeleitende Paste mit dem Wärmefenster (42) thermisch verbunden ist.

18. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (34) schlecht wärmeleitend ausgebildet ist.

19. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (34) mit einem geringen Querschnitt ausgebildet ist.

20. Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich (34) evakuiert ist.

21. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen (18, 20) aus einem elastischen Kunststoff bestehen.

22. Sensor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkappen (18, 20) aus einem Perfluoroelastomer bestehen.

23. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Fühlerrohr (12) aus einem gegen agres- sive Medien resistenten Werkstoff besteht.

24. Sensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Fühlerrohr (12) aus einer Keramik besteht.

25. Sensor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus der Gruppe Zr0₂ und Al₂0₃ ausgewählt ist.