WO2014060187A1 - Thermisches durchflussmessgerät - Google Patents

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WO2014060187A1
WO2014060187A1 PCT/EP2013/069682 EP2013069682W WO2014060187A1 WO 2014060187 A1 WO2014060187 A1 WO 2014060187A1 EP 2013069682 W EP2013069682 W EP 2013069682W WO 2014060187 A1 WO2014060187 A1 WO 2014060187A1
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WO
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segment
sensor
thermal
temperature sensing
medium
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Application number
PCT/EP2013/069682
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English (en)
French (fr)
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Tobias Baur
Stephan GABERTHÜEL
Panagiotis PAPATHANASIOU
Axel Pfau
Hanno Schultheis
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
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    • G—PHYSICS
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    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor

Definitions

  • the invention relates to a thermal modality of claim 1, as well as a use of such a thermal flow meter
  • This measurement principle is based on the cooling of a heated
  • thermometer hereinafter also referred to as heating and measuring or active sensor element, which is withdrawn by the passing medium heat.
  • the extracted energy is compensated by increasing the electric heating current again. This results in a constant temperature difference between the heating and measuring, ie the active sensor element and an existing one
  • Reference temperature sensor which is also referred to below as a measuring or passive sensor element.
  • the measured heating current is therefore proportional to the mass flow.
  • the thermal measuring principle is well established in process engineering and is used successfully in numerous applications. Particularly demanding is the application of the measuring principle in water and other liquids, such as Oil, because here the heat transfer and the required heat output compared to gases much higher and the relevant material properties are very much dependent on temperature. At speeds
  • Sensors consist of two sensor elements, one active and one passive sensor element, which each have a cylindrical sensor cap and protrude from a base of a sensor.
  • resistance sensors are soldered. Due to the cylindrical sensor caps have the
  • Flow rate of the medium represents, to which a measurement can be made, the measurement is too fast at a rapid reaching the saturation level
  • a thermal flow measuring device for determining and / or monitoring a thermal mass flow of a measuring medium through a measuring tube to a sensor having a first temperature sensing element and at least a second temperature sensing element, which preferably have resistance thermometer, wherein at least one of the temperature sensing elements is heated, the sensor Has longitudinal axis and a terminal end face which is divided into at least two juxtaposed segments.
  • at least one first segment is formed in a sectional view with respect to a plane extending orthogonally to the longitudinal axis as an inclined surface. The first segment, respectively formed by the segment
  • Surface has a surface normal vector, which forms an angle of at least 5 ° with the longitudinal axis of the sensor.
  • one of the two temperature sensor elements acts as an active sensor element and the second of the two temperature sensor elements acts as a passive sensor element.
  • the end face may be divided into at least three segments, an upstream first side segment, a middle segment, and a downstream second side segment, wherein the first segment is the upstream first side segment and / or the downstream second side segment.
  • Upstream means that the longitudinal axis of the measuring tube defines a direction of flow of the medium, wherein the
  • the surface normal vector of the inclined surface of the first segment with the longitudinal axis at an angle of at least 8 °, more preferably between 10-35 ° includes.
  • the slope of the areas in this area has proven to be particularly favorable for the extension of the measuring range.
  • the upstream first side segment may advantageously have a larger area than the downstream second side segment.
  • a first bending edge is defined between the upstream first side segment and the middle segment, and a second bending edge is defined between the downstream second side segment and the middle segment, and wherein the
  • Distance between the opposite in the flow direction outermost edge point of the upstream first side segment to the first bending edge is substantially equal to the distance between the outermost edge point in the flow direction of the downstream second side segment to the second bending edge
  • the end face is preferably made of a metal sheet, which is arranged between the measuring medium and the temperature sensing elements and wherein the metal sheet is advantageously between 0.5-0.7 mm thick, in order to achieve a better balance between voltage stability of the end face and response of the sensor.
  • the advantageous wall thickness applies both to the in Fig. 13 and for in Figs. 1-4 and all other variants of the embodiment of the sensor.
  • the stabilizing support segment is angled relative to the plane of the middle segment and advantageously angled at an angle between 10-80 °, more preferably at an angle of 50-70 °
  • the first heatable resistance thermometer is designed as a plate-shaped thin-film element and in particular if the first temperature sensing element is aligned substantially parallel to the surface of the first segment.
  • the middle segment 3b has a surface with a surface normal vector which runs along the longitudinal axis.
  • the first segment should form at least 5%, preferably at least 15%, in particular 20-40%, of the end face.
  • the first segment is intended to form a comparatively thick thermal boundary layer in a flowing medium.
  • the first and the second temperature sensing element each have two operating states, wherein in a first operating state, the temperature sensing element is set to a constant temperature and in a second operating state, the temperature sensing element determines the medium temperature, wherein the first temperature sensing element in the first operating state is provided that the second temperature sensing element is in the second operating state and wherein the thermal flow meter comprises a circuit for switching the first and the second temperature sensing element between the first and the second operating state.
  • a corresponding thermal flow measuring device is used for determining and / or monitoring the thermal mass flow of a liquid flowing through a measuring tube.
  • FIG. 1 sectional view of a sensor according to the invention of a thermal
  • Fig. 2 side view of the sensor
  • Fig. 4 perspective view of the sensor
  • 5 is a schematic representation of a flow path on the end face of the sensor at low speeds
  • FIG. 6 is a schematic representation of a flow path on the end face of the sensor at higher speeds
  • Fig. 7 characteristic of the sensor according to the invention over a sensor with the same
  • Fig. 9 side view of the further sensor; 10 shows a plan view of an end face of the further sensor;
  • Fig. 12 is a sectional view of a third sensor according to the invention.
  • FIG. 13a shows a perspective view of the end face of a fourth sensor according to the invention.
  • FIG. 13b top view of the fourth sensor according to the invention; 13c sectional view of the fourth sensor according to the invention along the section axis B-
  • FIG. 14 shows a perspective view of the end face of a fifth sensor according to the invention.
  • FIG. 15 a-f Comparison of the flow fields of the fourth and fifth sensors according to the invention at different flow speeds; FIG.
  • Fig. 16 a voltage curve and deformation at pressure loads of 40 bar in the sensor with a sensor surface of FIG. 4;
  • Fig. 16b voltage curve and deformation at pressure loads of 40 bar in the sensor with a sensor surface of FIG. 13;
  • FIG. 16c voltage curve and deformation at pressure loads of 60 bar in the sensor with a sensor surface according to FIG. 4;
  • FIG. 1 shows a sensor of a thermal flow meter, which is designed as a thermal mass flow sensor 1.
  • thermometers Conventional thermal flow measuring devices usually use two heat resistivity thermometers configured as identically as possible, which are arranged in, usually pin-shaped metal sleeves, so-called stingers, or in cylindrical metal sleeves and which are in thermal contact with the medium flowing through a measuring tube or through the pipeline.
  • both resistance thermometers are usually installed in a measuring tube; The resistance thermometers can also be used directly in the
  • One of the two resistance thermometers is a so-called active sensor element, which is heated by means of a heating unit.
  • a heating unit either an additional resistance heating is provided, or the resistance thermometer itself is a resistance element, for. B. to an RTD (Resistance Temperature Device) sensor, the by converting an electrical power, for. B. by a RTD (Resistance Temperature Device) sensor, the by converting an electrical power, for. B. by a
  • RTD Resistance Temperature Device
  • Resistance thermometer is a so-called passive sensor element: It measures the temperature of the medium.
  • Resistance thermometer heated so that sets a fixed temperature difference between the two resistance thermometer.
  • it has also become known to feed a constant heat output via a control / control unit.
  • the cooling of the heated resistance thermometer depends essentially on the mass flow rate of the flowing medium. Since the medium is colder than the heated resistance thermometer, heat is removed from the heated resistance thermometer by the passing medium. So in a flowing medium, the fixed temperature difference between the two To maintain resistance thermometers, an increased heating power for the heated resistance thermometer is required. The increased heating power is a measure of the
  • Mass flow or the mass flow of the medium through the pipeline If, however, a constant heating power is fed, it decreases as a result of
  • thermometer required heating energy and the mass flow through a pipe or through a measuring tube.
  • the dependence of the heat transfer coefficient on the mass flow of the medium through the measuring tube or through the pipeline is used in thermal flowmeters for determining the mass flow.
  • Devices based on this principle are offered and distributed by the applicant under the name 't-switch', 't-trend' or 't-mass'.
  • a thermal flow meter When measuring the mass flow, a thermal flow meter can reach a maximum performance limit when measuring liquids. Since liquids have a much higher coefficient of thermal conductivity compared to gases, is at higher
  • Fig. 1-4 shows in several views a sensor 1 for a thermal flow meter.
  • This sensor 1 has a sensor body 2 with a cylindrical shape and with a longitudinal axis A and a terminal end face 3 with a center M, through which the
  • This cylindrical sensor body has an average d between preferably 10-30 mm, in particular between 15-22 mm.
  • This end face 3 is divided into several segments 3a-3c. The segments are arranged side by side with a first side segment 3a, a middle segment 3b and a second side segment 3c.
  • At least one first side segment in the sectional view of FIG. 1 is formed as a surface inclined with respect to the longitudinal axis A whose surface normal vector encloses an angle ⁇ of preferably at least 5 °, preferably at least 8 °, particularly preferably between 10-35 ° with the longitudinal axis ,
  • the surface can be flat be formed due to surface roughness have unevenness or in an arc shape to the measuring medium out or away from the measuring medium.
  • This first side segment 3 a is preferably a side segment whose inclined surface is inclined in the direction of the inflow side of the sensor 1, that is, opposite to the flow direction S.
  • a first temperature sensor element is arranged with a first resistance thermometer 4, the structure of which will be described in more detail below with reference to an exemplary embodiment.
  • This resistance thermometer 4 is preferably formed as a thin-film element.
  • the resistance thermometer 4 has a three-layer structure, with a ceramic substrate, a meander-shaped metal layer, preferably of platinum, and a glass protective layer arranged above it. From the metal wire go from a supply and a derivative. The temperature is measured by taking advantage of the temperature dependence of an electrical resistance in the conduction of electricity. In this operating state, the resistance thermometer 4 will be used as a passive sensor element.
  • the above-described resistance thermometer 4 measures as a passive sensor element, the medium temperature and brings as an active sensor element under adjustment of the current even a quantity of heat in the medium.
  • the resistance thermometer 4 of the first side segment 3a is an active sensor element which has a constant temperature and emits heat energy to the passing medium.
  • This sensor element or resistance thermometer 4 is preferably designed as a thin-film element plate-shaped. In a particularly preferred
  • the plate-shaped thin-film element is aligned substantially parallel to the surface of the first side segment 3a. Smaller deviations of less than 10 °, preferably less than 5 ° to the parallel plane can occur here.
  • a first embodiment is described in which the first
  • Resistance thermometer 4 which is arranged at or below the first side segment 3a, is operated as an active sensor element.
  • the upstream side element 3a is the segment of the end face 3, on which the flow of the medium in the flow direction S first meets.
  • a second temperature sensing element with a second resistance thermometer 5 is preferably arranged in the sensor 1 below the second side segment 3c. In the process, this second acts Resistance thermometer 5 in the present first embodiment as a passive resistance thermometer for detecting the medium temperature.
  • the middle segment 3b has a surface with a flat normal vector which runs along the longitudinal axis. Smaller deviations of less than 1 °, preferably less than 0.5 ° to the parallel plane can occur here.
  • the second side segment in the sectional view of FIG. 1 is designed as a surface inclined with respect to the longitudinal axis A whose surface normal vector has an angle ⁇ with the longitudinal axis A of preferably at least 5 °, preferably at least
  • the surfaces of the sensor may in particular be flat, have unevenness due to surface roughness or extend in an arc shape towards the measuring medium or away from the measuring medium.
  • This second side segment 3c is preferably a side segment whose inclined surface is inclined in the flow direction S of the measurement medium. Due to the special design of the sensor 1 in combination with the one at the first
  • Front side 3a arranged active sensor element 4 effects achieved are explained in more detail below.
  • the inclination of the first upstream side segment 3a causes an increase in the thermal boundary layer thickness compared to a planar surface, and there is the formation of a comparatively uniformly distributed over the surface tight boundary layer.
  • the heat output of the active sensor element is reduced.
  • the presence of the boundary layer reduces the temperature gradient between the medium and the sensor surface, resulting in less heat input. Due to the boundary layer, the sensor requires less power
  • the second resistance thermometer 5 of the downstream side second segment 3c is operated as an active sensor element and the first resistance thermometer 4 of the upstream side segment 3a arranged as a passive sensor element.
  • a boundary layer structure is formed over the entire end face 3 of the sensor and lies in a particularly high layer thickness in the downstream region in front. This is shown in FIG. 5.
  • This boundary layer 6 allows, as already described in the preceding embodiment, a lower heat input into the medium and thus a delay of the degree of saturation to higher flow velocities of the medium.
  • a trailing edge is also created, at which the flow breaks off at higher speeds.
  • a recirculation 7 is built up at an increased velocity of the medium, that is to say a flow which is at least partially directed counter to the main flow direction. This is shown in FIG.
  • This recirculation is slower, preferably at least 60% slower, more preferably at least 80% slower than the main flow, but proportional to the main flow.
  • the part of the recirculation directed counter to the main flow passes in the medium direction below the transition or below the trailing edge past the second downstream side segment and absorbs a lower heat energy than would be the case with the main flow.
  • less power is needed to maintain the temperature and a power saturation occurs only at very high flow rates.
  • the optimized geometry of the sensor based on two different phenomena, the formation of a flow-dependent recirculation 7 in the outflow at high speeds and the formation of a uniform boundary layer in the onflow region.
  • the new sensor geometry provides more stable and reliable measurements than previous geometries.
  • the sensor shown in Figs. 1-4 is excellent for flows at low pressures up to about 20 bar.
  • the sensor in the region of the end face has a wall thickness of preferably 0.3-0.5 mm, in particular 0.38-0.42 mm.
  • the wall thickness is on the
  • the end face is placed as a cap on a cylindrical sensor, so that the cap is easily replaceable in case of contamination.
  • these caps can also be placed on existing sensors, in particular with ebender end face, so that a retrofitting of existing sensors is possible.
  • the X-axis describes a flow velocity of a medium.
  • the y-axis of the diagram shown here describes a signal / signal (max.) Ratio, wherein signal (max.) Represents the upper limit of the power of the sensor, for example the maximum heat output that can be fed.
  • the signal represents a current actual value, for example a heat output introduced into the medium. If the signal / signal (max.) Ratio reaches the value 1, saturation has occurred and measurement is no longer possible. As can be seen from Fig. 7, this saturation is more than double
  • the Biotress which describes the heat transfer from the surface to the surrounding medium for heat conduction through the body, is reduced due to the boundary layer compared to a sensor with a predominantly flat end face.
  • the end face of the sensor may advantageously have a web. Due to the web-shaped design of the end face of the medium flow is opposed to a lower resistance, resulting in a reduction of the total pressure loss.
  • This web can preferably have a trapezoidal shape in the flow direction of the medium.
  • the end face has a step-like construction, with two side steps and an intermediate step projecting from the side steps. It is advantageous if the web protrudes from the sensor by at least 5%, preferably more than 10%, in particular more than 15%, of its path length, the path length of the web extending across the entire end face. As a result, a more accurate detection of the medium temperature can be ensured.
  • the surface topology of the face surface is included in the path length. This path length corresponds in its minimum extent, with a flat end face, the diameter of the sensor, but can also be larger than the
  • the web can protrude from the sensor by at least 20%, preferably more than 40%, in particular more than 60%, of its width.
  • the width refers to a arranged perpendicular to the longitudinal axis of the sensor or inclined in or towards the medium direction planar surface.
  • FIGS. 8-11 An exemplary embodiment with a web is shown by way of example in FIGS. 8-11.
  • Cylindrical sensor caps would provide flow stagnation when used in smaller gauge flow tubes, which negatively affects the measurement accuracy of the sensor due to the pressure losses involved.
  • the end face of the sensor of Fig. 8-1 1 has a web, which is formed in the specific embodiment as a middle stage 21.
  • the bridge protrudes in the direction of a measuring tube axis. While arranged laterally from the web side portions are arranged opposite the web reset. This recessed arrangement of the side portions may be in the form of steps, as shown in FIGS. 8-1 1, or by bevels, so that in the latter case the web has a trapezoidal shape. Subsequently, a web will now be described in detail, which is formed by a step-shaped end face.
  • the step-shaped structure of the sensor is defined by a second axis, the longitudinal axis A, which is arranged perpendicular to the first axis C.
  • the segmental structure is particularly advantageous due to the properties described above.
  • the step-like structure shows three stages, a first side step 20, the middle step 21 and a second side step 22.
  • the middle step is shown when the sensor is installed in the direction of the measuring tube axis relative to the side steps.
  • the aforementioned resistance thermometers are arranged.
  • the side areas here designed as side steps, set the flow of the medium to be measured against a lower resistance than a cylindrically formed segment-wise angled end face.
  • the circumferential endpoints of the page levels define a circular area.
  • the web is preferably at the center by more than 20% of its width and / or 5% of its length of this circular area, preferably by more than 40% of its width and 10% of its length, in particular more than 60% of its width and 15% of its Length.
  • the width of the web corresponds to at least 10% of the diameter of the sensor.
  • Fig. 8-1 1 can preferably be used in flow meters with measuring tubes of a nominal size of less than or equal to DN50, but in particular for nominal sizes DN15 and DN25.
  • the sensor described in FIGS. 1-7 has the housing, comprising a housing body and a housing chamber in each housing chamber, terminally each of the two temperature sensing elements, which in particular as thin-film
  • thermometers are formed, are arranged, wherein one of
  • Temperature sensor elements can be heated, wherein at least one connection wire goes off each temperature sensing elements, which is connected to a circuit board, wherein the circuit board is arranged in the housing chamber, wherein the circuit board is positioned by a latching connection in this housing chamber
  • the positioning of the board in the housing chamber by means of a latching connection makes it easier to assemble. It is also advantageous if the housing chamber has a reinforcing layer, which
  • Reinforcing layer for engagement with the board an engagement, so a depression, or has a projection or forms.
  • a terminal part of the housing is designed as a deep-drawn cap with a wall thickness of less than 2 mm, preferably less than 1, 5 mm, in particular less than 0.8 mm.
  • a material connection of both components can be carried out, for example by welding or soldering.
  • the connecting wire of the first temperature sensor element is advantageously guided zugentlastend in a first direction through the board and connected thereto.
  • a particularly advantageous two-sided strain relief is achieved by at least one
  • Lead wire of a second temperature sensing element zugentlastend in one of the first Direction opposite second direction is guided by the board and connected to this.
  • connection wire in the area of the circuit board is surrounded by a potting compound.
  • the potting compound causes a mechanical
  • the housing chamber can advantageously have at least one first elastic body for guiding the connecting wire.
  • the housing in particular the housing chamber, has a second elastic body, which is supported on the first elastic body and / or on a wall of the housing and which exerts a restoring force on the latched circuit board. This achieves a better latching effect.
  • the housing chamber in this case has a potting compound, wherein the temperature sensing elements are advantageously arranged Vergussmasseric in the housing chamber.
  • first and second elastic bodies may each be silicone bodies. Silicone has good temperature resistance and good chemical resistance.
  • a good tightness through the elastic body in particular by their design as a silicone body, can also be achieved in temperature sensors, which as
  • the temperature sensor in particular the sensor for the thermal flow meter, a housing comprising a housing body and a
  • Temperature sensor elements which are in particular designed as a thin-film resistance thermometer, are arranged, wherein one of the temperature sensor elements is heated, at least one connecting wire of each temperature sensor elements, which is connected to a circuit board, wherein the board has a first number Materialausappel, in particular holes, to Connection of connecting wires and / or cables and a second number Materialausappel, in particular holes for reducing the thermal expansion of the board.
  • the second number of material recesses in particular holes, can be arranged in conductor tracks arranged on the circuit board.
  • FIG. 12 In the third exemplary embodiment for a sensor which is preferred in FIG. 12, components which contribute to facilitating the production and the reduction of the reject rate are integrated.
  • the sensor shown in FIG. 12 is substantially identical in sensor geometry to the sensor of FIGS. 1-7.
  • one of the resistance thermometers (RTD) 4 or 5 is inserted in each case in parallel with one of the side segments 3a and 3c, of which at least one
  • Thin-film resistance thermometer are formed. For simplicity, only the arrangement of one of the resistance thermometer 4 or 5 in the housing chamber will be explained below.
  • the resistance thermometer is soldered on the inside of the housing 1 in the housing chamber. From the resistance thermometer 20 in each case two signal paths go here in the form of connecting wires 23, which are preferably gold-plated. These connecting wires connect the thin-film resistance thermometer to a circuit board 25.
  • the connecting wires of the first of the two resistance thermometers are in a first
  • thermometer on or in the first direction opposite to the second direction on or in the board 25.
  • Terminal in the region of the front side of the housing body is advantageously formed by a thermoforming cap with a small wall thickness of preferably between 0.5 to 2 mm. This will be a allows rapid heat transfer between the resistance thermometer 4 or 5 and the medium.
  • the connecting wires are initially guided along the outer side of the housing chamber. Subsequently, the connecting wires 23 become a circuit board
  • the connecting wires of the first of the two resistance thermometers are arranged in a first direction in the circuit board 25 and the connecting wires of the second of the two
  • the interior of the temperature sensor is filled with a potting compound.
  • the circuit board 25 has lateral latching elements 28, which can engage with an engagement 29 of the housing 1, that is to say a recess in the housing, or alternatively a projection of the housing. By locking a positioning of the board at a predetermined position in the housing is possible.
  • a reinforcing element with an engagement is arranged in the housing chamber on the wall of the thermoforming cap.
  • a reinforcing element 31 a latching of the circuit board 25 with the housing 1 is made possible
  • the housing 1 may also have latching elements which can latch with an engagement or projection of the circuit board 25.
  • These locking elements are also provided by a reinforcing element, which is arranged on the thermoforming cap.
  • the housing chamber of the temperature sensor is terminal between the board
  • the silicone bodies develop restoring forces, which act on the circuit board 25 and enable a more effective latching.
  • the circuit board is preferably located on at least one of the silicone bodies.
  • the connecting wires are passed through a first hole in the circuit board 25, then guided in a direction perpendicular to the hole pattern of the first hole and then guided in a direction parallel to the hole pattern on the board and fixed.
  • the attachment to a wall of the board which is parallel to the first hole.
  • the leads are inserted in a first direction A in the hole of the board and fixed in a second direction B, which is opposite to the first direction A, to the board.
  • connection concept can basically be applied to all known multi-conductor measuring techniques of thermal flow measurement.
  • FIGS. 13 and 14 show a fourth and fifth variant according to the invention of a sensor 41 and 51 for a thermal flow meter.
  • This sensor has an end face 43, 53, which is adapted to higher pressures, in particular over 20 bar.
  • the division of the end face 43, 53 in the flow direction S of the medium corresponds to that shown in FIGS. 1-4
  • the end face 43, 53 is divided into a middle segment 43b, 53b, which extends substantially on a plane perpendicular to the longitudinal axis A of the sensor and two angled side segments 43a, 53a and 43c, 53c. It preferably has a wall thickness in the region of the end face of the sensor between 0.5-0.7 mm, more preferably between 0.55-0.65 mm.
  • the heater, so the active sensor element, is preferably below the side segment 43a, 53a, which upstream in the
  • Measuring medium is arranged.
  • the passive sensor element is preferably located below the downstream side segment 43c, 53c of the sensor 41, 51st
  • the middle segment 43b, 53b is delimited in the flow direction S of the medium by bending edges 44a, 44c to the side segments 43a, 53a and 43c, 53c.
  • Perpendicular to the flow direction S of the medium adjoins the middle segment 43b, 53b at each end of the middle segment 43b, 53b in each case a support segment 43d, 53d and 43e, 53e stabilizing the middle segment.
  • This support segment 43d, 53d or 43e, 53e is angled relative to the plane of the middle segment 43b, 53b at an angle ⁇ between 10-80 °, particularly preferably at an angle of 50-70 °, such that between the middle segment and the support segment 43d, 53d or 43e, 53e a respective bent edge 44b, 54b and 45b, 55b is formed.
  • the embodiment variant shown in FIG. 13 has, in addition to the aforesaid buckling edge 44b, further bending edges 44d, 44e adjoining thereon in each case between the support segment 43d or 43e and the side segments 43a and 43c adjacent to the middle segment in the flow direction S.
  • the adjoining bend edges 44d and 44e are not the same size and mirror-symmetrical with respect to a plane passing through the sensor center mirror plane, but asymmetrical.
  • the support segment 43 d is also of a
  • the asymmetrical design of the support segment 43 d and e delimits the side segments 43 a and c, these side segments no longer having the same size, but the front side segment 43 a seen in the flow direction S, which at the same time provides an inflow side for the medium is greater than the rear side segment 43c seen in the flow direction S, which at the same time provides an outflow side for the medium.
  • Side segment is preferably 1, 1 to 2 times, more preferably 1, 2 to 1, 5 times, larger than the area of the flat downstream side segment 43c.
  • the area of the planar center segment 43b is preferably 0.8 to 1.2 times the area of the upstream adjacent planar side segment 43a. It is in any case larger than the area of the downstream side segment 43c.
  • the area of the planar angled support segments 43d and 43e is preferably 0.5 to 0.8 times the middle segment 43b.
  • the middle segment and the support segments are the above-described bending edges 44a-e. These are rounded and have a bending radius of between 1.3 and 3 mm. As a result, a particularly smooth transition between the individual surfaces is ensured and a uniform boundary layer of the measuring medium is formed on the end face 43.
  • FIG. 14 has symmetrical bend edges 54d and 54e adjoining the middle segment 54b, as well as lower adjusted and equal upstream and downstream side segments 53a and c adjacent to the middle segment 53b in the direction of flow.
  • FIG. 15 af shows a velocity profile of the flow at the end face 43, 53 of the sensor 41 and 51.
  • Fig. 15 a, b show the velocity profile at 0.7 m / s.
  • Fig. 15 c, d show the
  • Velocity profile at 2 m / s and Fig. 15 e, f show the velocity profile at 4 m / s.
  • FIGS. 15 a, c and e refer to the above-described in FIG. 14
  • FIGS. 15 b, d and f illustrate the velocity profile in the variant illustrated in FIG. 13.
  • the measuring medium in Fig. 15 a-f is water.
  • the bar below the end face represents a heated temperature sensor 48, 58 is simplified.
  • the velocity profiles of FIGS. 15 a, c and e of the sensor of FIG. 14 have a greater turbulence or recirculation of the velocity profile of the measurement medium in FIG.
  • Fig. 16 ad show the voltage curves and the deformations at the respective applied pressures. However, since the metallic sensor cap is elastically deformable, the vast majority of the deformed faces again largely regressed when pressure relief.
  • Fig. 16 a and c shows that the voltage curve at the end face of FIG. 1-4.
  • Fig. 16 a shows the voltage curve at an external pressure of 40 bar. The maximal
  • Middle segment counteracts the increasing stress load by a compensation deformation in the form of an inner curvature.
  • this inner curvature increases even further when the voltage applied is 60 bar.
  • the elastic limit of this sensor in this embodiment is about 310-330 MPa.
  • the end face of the sensor of FIG. 13 (wall thickness about 0.6 mm) - as shown in FIG. 16 b - has only a partial maximum stress load of about 250 MPa, which moreover results in a significantly smaller surface area of the face of the face Distributed sensors.
  • Fig. 16c shows the end face of the sensor of Fig. 1-4 at an external pressure of 60 bar. The end face is thereby plastically deformed to a high degree. The maximum stress load on the surface is 600 Mpa.

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Abstract

Thermisches Durchflussmessgerat zur Bestimmung und/oder Überwachung eines thermischen Massedurchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr umfassend einen Sensor mit einem ersten beheizbaren Widerstandsthermometer und zumindest einem zweiten beheizbaren Widerstandsthermometer, wobei der Sensor eine Längsachse (A) und eine endständige Stirnfläche (3) aufweist, welche in zumindest zwei nebeneinander angeordnete Segmente (3a-3c) aufgeteilt ist, wobei ein Flächennormalenvektor zumindest eines ersten Segments mit der Längsachse (A) des Sensors einen Winkel (a) von zumindest 5° einschließt und Verwendung eines thermischen Durchflussmessgerätes

Description

Thermisches Durchflussmessgerat
Die Erfindung betrifft ein thermisches Durchflussmessgerat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Verwendung eines solchen thermischen Durchflussmessgerätes
Es sind Sensoren für Durchflussmessgeräte bekannt, welche nach dem thermischen
Messprinzip arbeiten. Dieses Messprinzip beruht auf der Abkühlung eines beheizten
Widerstandsthermometers, nachfolgend auch als heizendes und messendes oder aktives Sensorelement bezeichnet, dem durch das vorbeiströmende Messmedium Wärme entzogen wird. Die entzogene Energie wird durch ein Erhöhen des elektrischen Heizstroms wieder ausgeglichen. Dadurch stellt sich eine konstante Temperaturdifferenz zwischen dem heizenden und messenden, also dem aktiven Sensorelement und einem vorhandenen
Referenztemperaturfühler ein, welches nachfolgend auch als messendes oder passives Sensorelement bezeichnet wird. Je grösser der Massedurchfluss ist, desto mehr Energie wird benötigt um diese Differenz zu halten. Der gemessene Heizstrom ist demzufolge proportional zum Massedurchfluss. Das thermische Messprinzip ist in der Verfahrenstechnik gut etabliert und wird in zahlreichen Anwendungen erfolgreich eingesetzt. Besonders anspruchsvoll ist die Anwendung des Messprinzips in Wasser und anderen Flüssigkeiten wie z.B. Öl, da hier die Wärmeübergänge und die benötigte Heizleistung im Vergleich zu Gasen wesentlich höher und die relevanten Stoffeigenschaften sehr stark temperaturabhängig sind. Bei Geschwindigkeiten
>2,5 m/s kann es deshalb zu einer Abflachung der Kennlinie und damit zu einer verringerten Sensitivität kommen. Außerdem kann es bei geringer Beabstandung der Sensorelemente zueinander unter Umständen zu einem Übersprechen des aktiven Sensorelements zum temperaturmessenden Sensorelement kommen, z.B. bei tiefen Geschwindigkeiten <0,2 m/s.
Es sind Sensoren bekannt, welche sich aus zwei Sensorelementen, einem aktiven und einem passiven Sensorelement bestehen, welche jeweils eine zylindrische Sensorkappe aufweisen und aus einer Grundfläche eines Sensors herausstehen. In der Stirnfläche der Sensorkappen sind Widerstandssensoren eingelötet. Aufgrund der zylindrischen Sensorkappen weisen die
Sensorelemente bereits eine gute thermische Isolation auf und so kein Übersprechen zustande kommt. Diese Sensoren verfügen allerdings über eine schlechtere Charakteristik in Wasser, als die zuvor genannten Sensoren. So erreicht bei steigendem Durchfluss die Kennlinie
vergleichsweise schnell einen Sättigungsgrad, bei welcher eine maximale Leistung einspeisbar ist. Bei Erreichen dieser Leistungsgrenze kann trotz höherer Geschwindigkeit nicht mehr Wärme in die Strömung eingetragen werden. Da die Kennlinie den Messbereich für die
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums darstellt, bis welcher eine Messung erfolgen kann, ist bei einem schnellen Erreichen des Sättigungsgrades die Messung bei zu schnelleren
Strömungen nicht mehr möglich. Es ist nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Messbereich des thermischen Durchflussmessgerätes zu erweitern.
Diese Aufgabe wird durch ein thermisches Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß weist ein thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung eines thermischen Massedurchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr einen Sensor mit einem ersten Temperaturfühlerelement und zumindest einem zweiten Temperaturfühlerelement auf, die vorzugsweise Widerstandsthermometer aufweisen, wobei von den Temperaturfühlerelementen zumindest eines beheizbar ist, wobei der Sensor eine Längsachse und eine endständige Stirnfläche aufweist, welche in zumindest zwei nebeneinander angeordnete Segmente aufgeteilt ist. Dabei ist zumindest ein erstes Segment in einer Schnittansicht gegenüber einer orthogonal zur Längsachse verlaufenden Ebene als eine geneigte Fläche ausgebildet. Das erste Segment, respektive die durch das Segment gebildete
Fläche weist einen Flächennormalenvektor auf, der mit der Längsachse des Sensors einen Winkel von zumindest 5° einschließt. Dabei fungiert eines der beiden Temperaturfühlerelemente als aktives Sensorelement und das zweites der beiden Temperaturfühlerelemente als passives Sensorelement.
Die spezielle Geometrie der Stirnfläche des Sensors führt zu einer Erweiterung des Messbereichs des thermischen Durchflussmessgerätes.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Stirnfläche kann vorteilhaft in zumindest drei Segmente eingeteilt sein, einem stromaufwärtigen ersten Seitensegment, einem Mittelsegment und einem stromabwärtigen zweiten Seitensegment, wobei das erste Segment das stromaufwärtige erste Seitensegment und/oder das stromabwärtige zweite Seitensegment ist. Stromaufwärtig bedeutet, dass die Längsachse des Messrohres eine Strömungsrichtung des Mediums vorgibt, wobei die
Strömungsrichtung von einer ersten Öffnung des Messrohres, durch welches das Medium einfließt zu einer zweiten Öffnung, durch welche das Medium aus dem Messrohr herausfließt, verläuft. Stromabwärtig ist die der stromaufwärtigen Richtung entgegengesetzte Richtung. Durch diese Aufteilung kann eine An- oder Abströmung des Mediums von dem Seitensegment in Strömungsrichtung erfolgen.
Es ist von Vorteil, wenn der Flächennormalenvektor der geneigten Fläche des ersten Segments mit der Längsachse einen Winkel von zumindest 8°, besonders bevorzugt zwischen 10-35° einschließt. Die Neigung der Flächen in diesem Bereich hat sich als besonders günstig für die Erweiterung des Messbereiches erwiesen.
Das stromaufwärtige erste Seitensegment kann vorteilhaft eine größere Fläche aufweisen als das stromabwärtige zweite Seitensegment.
Zur Ausbildung eines besonders optimierten Geschwindigkeitsprofils des Messmediums ist es von Vorteil, wenn zwischen dem stromaufwärtigen ersten Seitensegment und dem Mittelsegment eine erste Knickkante definiert ist, und dass zwischen dem stromabwärtigen zweiten Seitensegment und dem Mittelsegment eine zweite Knickkante definiert ist, und wobei der
Abstand zwischen dem in Strömungsrichtung entgegensetzten äußersten randseitigen Punkt des stromaufwärtigen ersten Seitensegments zum ersten Knickkante im Wesentlichen gleich ist zum Abstand zwischen dem in Strömungsrichtung äußersten randseitigen Punkt des stromabwärtigen zweiten Seitensegments zur zweiten Knickkante
Die Stirnfläche ist vorzugsweise aus einem Metallblech, welche zwischen dem Messmedium und den Temperaturfühlerelementen angeordnet ist und wobei das Metallblech vorteilhaft zwischen 0,5-0,7 mm dick ist, um einen besseren Ausgleich zwischen Spannungsstabilität der Stirnfläche und Ansprechverhalten des Sensors zu erreichen. Die vorteilhafte Wandstärke gilt sowohl für die in Fig. 13 als auch für die in Fig. 1-4 und alle weiteren Ausgestaltungsvarianten des Sensors.
Weiterhin ist es für alle Sensorbauvarianten der vorliegenden Erfindung von Vorteil, wenn senkrecht zur Strömungsrichtung S des Mediums an das Mittelsegment an jedem Ende des Mittelsegments, jeweils ein das Mittelsegment stabilisierendes Stützsegment angrenzt. Dadurch wird ebenfalls eine höhere Spannungsstabilität ermöglicht.
Das stabilisierende Stützsegment ist gegenüber der Ebene des Mittelsegments abgewinkelt und zwar vorteilhaft in einem Winkel zwischen 10-80°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 50- 70° abgewinkelt ist
Um eine optimale Wärmeübertragung auf das Medium zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das erste beheizbare Widerstandsthermometer als plattenformiges Dünnschichtelement ausgebildet ist und insbesondere sofern das erste Temperaturfühlerelement im Wesentlichen parallel zu der Fläche des ersten Segments ausgerichtet ist. Um eine günstige Strömungsführung des Mediums entlang der Stirnfläche zu erreichen, ist es von Vorteil das Mittelsegment 3b eine Fläche mit einem Flächennormalenvektor aufweist, welcher entlang der Längsachse verläuft.
Um vorteilhaft einen großen Messbereich zu ermöglichen sollte das erste Segment zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 15%, insbesondere 20-40% der Stirnfläche bilden.
Es ist von Vorteil, wenn das erste Segment bestimmt ist zur Ausbildung einer vergleichsweise dicken thermischen Grenzschicht in einem strömenden Medium.
Es ist von Vorteil, wenn das erste und der zweite Temperaturfühlerelement jeweils über zwei Betriebszustände verfügen, wobei in einem ersten Betriebszustand das Temperaturfühlerelement auf eine konstante Temperatur eingestellt wird und in einem zweiten Betriebszustand das Temperaturfühlerelement die Mediumstemperatur ermittelt, wobei das erste Temperaturfühlerelement sich im ersten Betriebszustand befindet, sofern sich das zweite Temperaturfühlerelement im zweiten Betriebszustand befindet und wobei das thermische Durchflussmessgerät eine Schaltung aufweist zum Umschalten des ersten und des zweiten Temperaturfühlerelements zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand. Dies ist insbesondere günstig bei einer Strömungsumkehr so dass die Anordnung des aktiven Sensorelements und des passiven Sensorelements umgeschalten werden kann.
Erfindungsgemäß dient ein entsprechendes thermisches Durchflussmessgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüchen zur Bestimmung und/oder Überwachung des thermischen Massedurchflusses einer durch ein Messrohr strömenden Flüssigkeit.
Mehrere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Sie zeigen:
Fig. 1 Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sensors eines thermischen
Durchflussgerätes;
Fig. 2 Seitenansicht des Sensors;
Fig.3 Draufsicht auf eine Stirnfläche des Sensors;
Fig. 4 Perspektivansicht des Sensors; Fig. 5 schematische Darstellung eines Strömungsverlaufes an der Stirnfläche des Sensors bei geringen Geschwindigkeiten;
Fig. 6 schematische Darstellung eines Strömungsverlaufes an der Stirnfläche des Sensors bei höheren Geschwindigkeiten;
Fig. 7 Kennlinie des erfindungsgemäßen Sensors gegenüber einem Sensor mit gleichen
Abmessungen und ebener Stirnfläche; Fig. 8 Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Sensors eines thermischen
Durchflussgerätes für Messrohre mit kleinen Nennweiten;
Fig. 9 Seitenansicht des weiteren Sensors; Fig.10 Draufsicht auf eine Stirnfläche des weiteren Sensors;
Fig. 11 Perspektivansicht des weiteren Sensors;
Fig. 12 Schnittansicht eines dritten erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 13a Perspektivansicht der Stirnfläche eines vierten erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 13b Draufsicht auf den vierten erfindungsgemäßen Sensor; Fig. 13c Schnittansicht des vierten erfindungsgemäßen Sensors entlang der Schnittachse B-
B der Fig. 13b;
Fig. 14 Perspektivansicht der Stirnfläche eines fünften erfindungsgemäßen Sensors; Fig. 15 a-f Gegenüberstellung der Strömungsfelder des vierten und fünften erfindungsgemäßen Sensors bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten;
Fig. 16a-d Gegenüberstellung des erfindungsgemäßen Sensors der Fig. 1-4 und der
Fig. 13 in Belastungstests über 40 und 60 bar.
Fig. 16 a Spannungsverlauf und Verformung bei Druckbelastungen von 40 bar beim Sensor mit einer Sensorfläche gemäß Fig. 4; Fig. 16b Spannungsverlauf und Verformung bei Druckbelastungen von 40 bar beim Sensor mit einer Sensorfläche gemäß Fig. 13;
Fig. 16c Spannungsverlauf und Verformung bei Druckbelastungen von 60 bar beim Sensor mit einer Sensorfläche gemäß Fig. 4;
Fig. 16d Spannungsverlauf und Verformung bei Druckbelastungen von 60 bar beim Sensor mit einer Sensorfläche gemäß Fig. 13; und
Fig. 1 zeigt einen Sensor eines thermischen Durchflussmessgerätes, welcher als ein thermischer Massestromsensor 1 ausgebildet ist.
Herkömmliche thermische Durchflussmessgeräte verwenden üblicherweise zwei möglichst gleichartig ausgestaltete beheizbare Widerstandsthermometer, die in, meist stiftförmigen Metallhülsen, sog. Stingers oder in zylindrischen Metallhülsen angeordnet sind und die in thermischem Kontakt mit dem durch ein Messrohr oder durch die Rohrleitung strömenden Medium sind. Für die industrielle Anwendung sind beide Widerstandsthermometer üblicherweise in ein Messrohr eingebaut; die Widerstandsthermometer können aber auch direkt in der
Rohrleitung montiert sein. Einer der beiden Widerstandsthermometer ist ein sogenanntes aktives Sensorelement, der mittels einer Heizeinheit beheizt wird. Als Heizeinheit ist entweder eine zusätzliche Widerstandsheizung vorgesehen, oder bei dem Widerstandsthermometer selbst handelt es sich um ein Widerstandselement, z. B. um einen RTD-(Resistance Temperature Device)Sensor, der durch Umsetzung einer elektrischen Leistung, z. B. durch eine
entsprechende Variation des Messstroms erwärmt wird. Bei dem zweiten
Widerstandsthermometer handelt es sich um ein sog. passives Sensorelement: Es misst die Temperatur des Mediums.
Üblicherweise wird in einem thermischen Durchflussmessgerät ein beheizbares
Widerstandsthermometer so beheizt, dass sich eine feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometer einstellt. Alternativ ist es auch bekannt geworden, über eine Regel-/Steuereinheit eine konstante Heizleistung einzuspeisen.
Tritt in dem Messrohr kein Durchfluss auf, so wird eine zeitlich konstante Wärmemenge zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Temperaturdifferenz benötigt. Ist hingegen das zu messende Medium in Bewegung, ist die Abkühlung des beheizten Widerstandsthermometer wesentlich von dem Massedurchfluss des vorbeiströmenden Mediums abhängig. Da das Medium kälter ist als das beheizte Widerstandsthermometer, wird durch das vorbeiströmende Medium Wärme von dem beheizten Widerstandsthermometer abtransportiert. Um also bei einem strömenden Medium die feste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Widerstandsthermometern aufrecht zu erhalten, ist eine erhöhte Heizleistung für den beheizten Widerstandsthermometer erforderlich. Die erhöhte Heizleistung ist ein Maß für den
Massedurchfluss bzw. den Massestrom des Mediums durch die Rohrleitung. Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des
Durchflusses des Mediums die Temperaturdifferenz zwischen den beiden
Widerstandsthermometern. Die jeweilige Temperaturdifferenz ist dann ein Mass für den
Massedurchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bzw. durch das Messrohr. Es besteht somit ein funktionaler Zusammenhang zwischen der zum Beheizen des
Widerstandsthermometers notwendigen Heizenergie und dem Massedurchfluss durch eine Rohrleitung bzw. durch ein Messrohr. Die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten von dem Massedurchfluss des Mediums durch das Messrohr bzw. durch die Rohrleitung wird in thermischen Durchflussmessgeräten zur Bestimmung des Massedurchflusses genutzt. Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung, 't-switch', 't- trend' oder 't-mass' angeboten und vertrieben.
Bei der Ermittlung des Massedurchflusses kann ein thermisches Durchflussmessgerät bei der Messung von Flüssigkeiten an eine Höchstleistungsgrenze gelangen. Da Flüssigkeiten gegenüber Gasen einen wesentlich höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweisen, wird bei höherer
Geschwindigkeit eine größere Wärmeenergie von der Oberfläche des aktiven Temperatursensors abtransportiert. Bei zunehmender Geschwindigkeit des Mediums ist dabei schnell eine Sättigung der Sensorkennlinie bzw. die Leistungsobergrenze der Messelektronik erreicht, so dass der Messbereich auf Flüssigkeiten mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten begrenzt ist. Dieser Nachteil wird durch einen Sensor eines thermischen
Durchflussmessgerätes, wie es in Fig. 1-4 abgebildet ist, behoben.
Fig. 1-4 zeigt in mehreren Ansichten einen Sensor 1 für ein thermisches Durchflussmessgerät. Dieser Sensor 1 weist einen Sensorkorpus 2 mit einer zylindrischen Form und mit einer Längsachse A und einer endständigen Stirnfläche 3 mit einem Mittelpunkt M, durch welchen die
Längsachse A verläuft, auf. Dieser zylindrische Sensorkorpus weist einen Durchschnitt d zwischen vorzugsweise 10-30mm, insbesondere zwischen 15 - 22 mm auf. Diese Stirnfläche 3 ist in mehrere Segmente 3a-3c aufgeteilt. Die Segmente sind nebeneinander angeordnet mit einem ersten Seitensegment 3a, einem Mittelsegment 3b und einem zweiten Seitensegment 3c.
Dabei ist zumindest ein erstes Seitensegment in der Schnittansicht der Fig. 1 als eine gegenüber der Längsachse A geneigte Fläche ausgebildet, deren Flächennormalenvektor mit der Längsachse einen Winkel α von vorzugsweise zumindest 5°, vorzugsweise zumindest 8°, besonders bevorzugt zwischen 10-35° einschließt. Dabei kann die Fläche insbesondere eben ausgebildet sein, aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten Unebenheiten aufweisen oder in einer Bogenform zum Messmedium hin oder vom Messmedium weg verlaufen.
Dieses erste Seitensegment 3a ist bevorzugt ein Seitensegment, dessen geneigte Fläche in Richtung der Anströmseite des Sensors 1 , also entgegen der Strömungsrichtung S, geneigt ist.
Unterhalb des ersten Seitensegments 3a ist ein erstes Temperaturfühlerelement mit einem ersten Widerstandsthermometer 4 angeordnet, dessen Aufbau im Folgenden anhand einer beispielhaften Ausgestaltung näher beschrieben wird. Dieses Widerstandsthermometer 4 ist vorzugsweise als ein Dünnschichtelement, ausgebildet. Das Widerstandsthermometer 4 weist einen dreischichtigen Aufbau auf, mit einem Keramiksubstrat, einem mäanderförmig ausgebildeten Metallschicht, vorzugsweise aus Platin, und einer darüber angeordneten Glasschutzschicht. Von dem Metalldraht gehen eine Zu- und eine Ableitung ab. Die Temperaturmessung erfolgt durch die Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstandes bei der Leitung von Strom. In diesem Betriebszustand wird der Widerstandsthermometer 4 als passiver Sensorelement eingesetzt werden. Das vorbeschriebene Widerstandsthermometer 4 misst als passives Sensorelement die Mediumstemperatur und bringt als aktives Sensorelement unter Einstellung der Stromstärke auch selbst eine Wärmemenge in das Medium. In diesem Fall ist das Widerstandsthermometer 4 des ersten Seitensegments 3a ein aktives Sensorelement, welches eine konstante Temperatur aufweist und Wärmeenergie an das vorbeifließende Medium abgibt.
Dieses Sensorelement bzw. Widerstandsthermometer 4 ist vorzugsweise als Dünnschichtelement plattenförmig aufgebaut. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsvariante der Erfindung ist das plattenförmige Dünnschichtelement im Wesentlichen parallel zu der Fläche des ersten Seitensegments 3a ausgerichtet. Kleinere Abweichungen von weniger als 10°, vorzugsweise weniger als 5° zu der Parallelebene können dabei auftreten. Im Folgenden wird eine erste Ausführungsvariante beschrieben in welcher das erste
Widerstandsthermometer 4, welches an oder unterhalb des ersten Seitensegments 3a angeordnet ist, als aktiver Sensorelement betrieben wird. Dabei handelt es sich bei dem anströmseitigen Seitenelement 3a um das Segment der Stirnfläche 3, auf welche die Strömung des Mediums in Strömungsrichtung S als erstes trifft.
Auf ähnliche Weise wie das erste Widerstandsthermometer 4 ist vorzugsweise ein zweites Temperaturfühlerelement mit einem zweiten Widerstandsthermometer 5 im Sensor 1 unterhalb des zweiten Seitensegments 3c angeordnet. Dabei fungiert dieses zweite Widerstandsthermometer 5 in der vorliegenden ersten Ausführungsvariante als passives Widerstandsthermometer zur Erfassung der Mediumstemperatur.
Besonders bevorzugt weist das Mittelsegment 3b eine Fläche mit einem Flachennormalenvektor auf, welcher entlang der Längsachse verläuft. Kleinere Abweichungen von weniger als 1 °, vorzugsweise weniger als 0,5° zu der Parallelebene können dabei auftreten.
Weiterhin besonders bevorzugt ist das zweite Seitensegment in der Schnittansicht der Fig. 1 als eine gegenüber der Längsache A geneigte Fläche ausgebildet, deren Flächennormalenvektor mit der Längsachse A einen Winkel ß von vorzugsweise zumindest 5°, vorzugsweise zumindest
8°, besonders bevorzugt zwischen 10-35° einschließt.
Dabei können die Flächen des Sensors insbesondere eben ausgebildet sein, aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten Unebenheiten aufweisen oder in einer Bogenform zum Messmedium hin oder vom Messmedium weg verlaufen.
Dieses zweite Seitensegment 3c ist bevorzugt ein Seitensegment, dessen geneigte Fläche in Strömungsrichtung S des Messmediums geneigt ist. Die durch die spezielle Ausgestaltung des Sensors 1 in Kombination mit dem an der ersten
Stirnseite 3a angeordneten aktiven Sensorelements 4 erreichten Effekte werden nachfolgend näher erläutert.
Die Neigung des ersten anströmseitig angeordneten Seitensegments 3a bewirkt eine Vergrößerung der thermischen Grenzschichtdicke verglichen zu einer planaren Oberfläche, und es erfolgt die Ausformung einer vergleichsweise gleichmäßig über die Oberfläche verteilten eng anliegenden Grenzschicht. Durch diese Grenzschicht wird die Wärmeabgabe des aktiven Sensorelements reduziert. Anders gesagt, wird durch das Vorhandensein der Grenzschicht der Temperaturgradient zwischen Medium und Sensoroberfläche verringert, wodurch ein geringerer Wärmeeintrag erfolgt. Durch die Grenzschicht benötigt der Sensor eine geringere Leistung im
Messbetrieb.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung wird das zweite Widerstandsthermometer 5 des stromabwärtig angeordneten zweiten Seitensegments 3c als aktives Sensorelement betrieben und das erste Widerstandsthermometer 4 des ström aufwärtig angeordneten ersten Seitensegments 3a als passives Sensorelement.
Bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt ein Grenzschichtaufbau über die gesamte Stirnfläche 3 des Sensors und liegt in besonders hoher Schichtdicke im stromabwärtigen Bereich vor. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Grenzschicht 6 ermöglicht, wie schon im vorangegangenen Ausführungsbeispiel beschrieben, einen geringeren Wärmeeintrag in das Medium und damit ein Hinauszögern des Sättigungsgrades auf höhere Fließgeschwindigkeiten des Mediums.
Im hinteren Teil am Übergang zwischen dem Mittelsegment 3b und dem zweiten stromabwärtigen Seitensegment 3c wird zudem eine Abrisskante geschaffen, an welcher die Strömung bei höheren Geschwindigkeiten abreißt. Zugleich wird dabei bei erhöhter Geschwindigkeit des Mediums eine Rezirkulation 7 aufgebaut, also eine Strömung welche der Hauptströmungsrichtung zumindest teilweise entgegengerichtet ist. Dies ist in Fig. 6 dargestellt.
Diese Rezirkulation ist langsamer, vorzugsweise um zumindest 60% langsamer, besonders bevorzugt um mindestens 80% langsamer als die Hauptströmung, verhält sich zur Hauptströmung jedoch proportional. Der der Hauptströmung entgegengerichtete Teil der Rezirkulation streicht in Mediumsrichtung unterhalb des Übergangs bzw. unterhalb der Abrisskante an dem zweiten stromabwärtigen Seitensegment vorbei und nimmt dabei eine geringere Wärmeenergie auf, als dies bei der Hauptströmung der Fall wäre. Dadurch wird weniger Leistung zur Aufrechterhaltung der Temperatur benötigt und eine Leistungssättigung tritt erst bei sehr hohen Fließgeschwindigkeiten auf. Somit beruht die optimierte Geometrie des Sensors auf zwei unterschiedlichen Phänomenen, der Ausbildung einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen Rezirkulation 7 im Abströmbereich bei hohen Geschwindigkeiten und der Ausbildung einer einheitlichen Grenzschicht im Anström bereich. Zusammengefasst liefert die neue Sensorgeometrie stabilere und verlässlichere Messwerte als bisherige Geometrien.
Der in Fig. 1-4 dargestellte Sensor eignet sich hervorragend für Strömungen bei niedrigen Drücken bis zu etwa 20 bar. Dabei weist der Sensor im Bereich der Stirnfläche eine Wandstärke von vorzugsweise 0,3 - 0,5 mm, insbesondere 0,38 - 0,42 mm auf. Die Wandstärke ist auf die
Ansprechzeit des Sensors optimiert.
In einer weiteren nicht-näher dargestellten Ausführungsvariante ist die Stirnfläche als Kappe auf einen zylindrischen Sensor aufgesetzt, so dass die Kappe im Falle einer Verschmutzung einfach austauschbar ist. Alternativ können diese Kappen auch auf bereits bestehenden Sensoren, insbesondere mit ebender Stirnseite, aufgesetzt werden, so dass ein Nachrüsten bereits bestehender Sensoren möglich ist. In Fig. 7 ist der Einfluss der Geometrie der Stirnfläche eines erfindungsgemäßen Sensors auf die Kennlinie näher beschrieben. Dabei beschreibt die X-Achse eine Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums. Weiterhin beschreibt die y-Achse des hier dargestellten Diagrammes ein Signal/Signal(max.)-Verhältnis, wobei Signal(max.) die Leistungsobergrenze des Sensors, beispielsweise die maximal einspeisbare Wärmeleistung, repräsentiert. Das Signal stellt einen aktuellen Istwert, beispielsweise eine ins Medium eingebrachte Wärmeleistung dar. Erreicht das Signal/Signal(max.)-Verhältnis den Wert 1 , so ist eine Sättigung eingetreten und keine Messung mehr möglich. Wie man anhand der Fig. 7 erkennen kann ist diese Sättigung bei mehr als dem doppelten
Betrag der Strömungsgeschwindigkeit (v) erreicht.
Die Biotzahl, welche den Wärmetransport von der Oberfläche zum umgebenden Medium zur Wärmeleitung durch den Körper beschreibt, ist aufgrund der Grenzschicht im Vergleich zu einem Sensor mit überwiegend ebener Stirnfläche verringert.
Ab welchen Strömungsgeschwindigkeiten eine Rezirkulation aufgebaut wird, hängt nicht zuletzt von der Art des Mediums ab. Entsprechend kann durch die Neigungswinkel der Seitensegmente bei unterschiedlichen Medien variieren.
Darüber hinaus kann die Stirnfläche des Sensors vorteilhaft einen Steg aufweisen. Durch die stegförmige Ausbildung der Stirnfläche wird der Mediumsströmung ein geringerer Widerstand entgegengesetzt, was zu einer Verringerung des Druckverlustes insgesamt führt. Dieser Steg kann vorzugsweise in Strömungsrichtung des Mediums eine trapezoidale Form aufweisen. Besonders bevorzugt ist es allerdings, wenn die Stirnfläche einen stufenförmigen Aufbau aufweist, mit zwei Seitenstufen und einer gegenüber den Seitenstufen hervorstehenden Mittelstufe. Es ist von Vorteil, wenn der Steg um zumindest 5%, vorzugsweise mehr als 10% insbesondere mehr als 15% seiner Pfadlänge aus dem Sensor hervorsteht, wobei sich die Pfadlänge des Steges quer über die gesamte Stirnfläche erstreckt. Dadurch kann eine genauere Erfassung der Mediumstemperatur sichergestellt werden. In die Pfadlänge geht dabei die Oberflächentopologie der Stirnflächenoberfläche ein. Diese Pfadlänge entspricht in seiner minimalen Ausdehnung, bei einer ebenen Stirnfläche, dem Durchmesser des Sensors, kann allerdings auch größer als der
Durchmesser sein.
Insbesondere kann der Steg um zumindest 20%, vorzugsweise mehr als 40% insbesondere mehr als 60% seiner Breite aus dem Sensor hervorstehen. Die Breite bezieht sich dabei auf eine senkrecht zur Längsachse des Sensors angeordnete oder in oder gegen Mediumsrichtung geneigte planare Oberfläche.
Ein Ausführungsbeispiel mit einem Steg ist in den Fig. 8-11 beispielhaft dargestellt.
Zylindrische Sensorkappen würden beim Einsatz in Messrohren mit kleineren Nennweiten für eine Stauung der Strömung sorgen, was sich aufgrund der dabei auftretenden Druckverluste negativ auf die Messgenauigkeit des Sensors auswirkt. Zur Verringerung der Druckverluste beim Einsatz in kleineren Rohrdurchmessern weist die Stirnfläche des Sensors der Fig. 8-1 1 einen Steg auf, welcher im konkreten Ausführungsbeispiel als Mittelstufe 21 ausgebildet ist. Dieser
Steg steht beim Sensor im eingebauten Zustand in Richtung einer Messrohrachse hervor. Während seitlich vom Steg angeordnete Seitenbereiche gegenüber dem Steg zurückgesetzt angeordnet sind. Diese zurückgesetzte Anordnung der Seitenbereiche kann in Form von Stufen erfolgen, wie dies in den Fig. 8-1 1 dargestellt ist oder durch Schrägen, so dass im letzteren Fall der Steg eine trapezartige Form aufweist. Nachfolgend soll nunmehr im Detail ein Steg beschrieben werden, welcher sich durch eine stufenförmig aufgebaute Stirnfläche ausbildet.
Während die vorgenannten Segmente 3a-3c, umfassend das Mittelsegment und die beiden Seitensegmente auf einer ersten Achse C zueinander angeordnet sind, so wird der stufenförmige Aufbau des Sensors über eine zweite Achse, die Längsachse A, definiert, welche senkrecht zur ersten Achse C angeordnet ist. Dabei muss der nicht zwingend auf seiner zum Medium äußeren Oberfläche einen segmentweisen Aufbau aufweisen, sondern der Steg kann anstelle dessen auch eine ebene Fläche aufweisen. Allerdings ist der segmentweise Aufbau aufgrund der vorbeschriebenen Eigenschaften besonders von Vorteil.
Der stufenförmige Aufbau zeigt drei Stufen, eine erste Seitenstufe 20, die Mittelstufe 21 und eine zweite Seitenstufe 22. Die Mittelstufe steht beim eingebauten Zustand des Sensors in Richtung Messrohrachse gegenüber den Seitenstufen hervor. Auf der Mittelstufe sind die vorgenannten Widerstandsthermometer angeordnet.
Die Seitenbereiche, hier als Seitenstufen ausgebildet, setzen der Strömung des zu messenden Mediums einen geringeren Widerstand entgegen als eine zylindrisch ausgebildete segmentweise angewinkelte Stirnfläche. Die umfangsseitigen Endpunkte der Seitenstufen definieren dabei eine Kreisfläche.
Der Steg steht dabei vorzugsweise am Mittelpunkt um mehr als 20% seiner Breite und/oder 5% seiner Länge dieser Kreisfläche hervor, vorzugsweise um mehr als 40% seiner Breite und 10% seiner Länge, insbesondere mehr als 60% seiner Breite und 15% seiner Länge. Dabei entspricht die Breite des Steges zumindest 10% des Durchmessers des Sensors.
Die in Fig. 8-1 1 abgebildete Ausführungsvariante kann vorzugsweise bei Durchflussmessgeraten mit Messrohren einer Nennweite von kleiner oder gleich DN50 verwendet werden, insbesondere jedoch bei Nennweiten DN15 und DN25.
Darüber hinaus wird in Fig. 12 das Anbind ungskonzept der Temperaturfühlerelemente zu einer Auswerteeinheit näher gezeigt. Dabei weist der in Fig. 1-7 beschriebene Sensor das Gehäuse auf, umfassend einen Gehäusekörper und eine Gehäusekammer in welcher Gehäusekammer endständig jeweils die zwei Temperaturfühlerelemente, welche insbesondere als Dünnfilm-
Widerstandsthermometer ausgebildet sind, angeordnet sind, wobei eines der
Temperaturfühlerelemente beheizbar ist, wobei von jedem Temperaturfühlerelementen zumindest ein Anschlussdraht abgeht, welcher mit einer Platine verbunden ist, wobei die Platine in der Gehäusekammer angeordnet ist, wobei die Platine durch eine Rastverbindung in dieser Gehäusekammer positioniert ist
Durch die Positionierung der Platine in der Gehäusekammer mittels einer Rastverbindung gelingt eine Erleichterung der Montage. Es ist zudem von Vorteil, wenn die Gehäusekammer eine Verstärkungsschicht aufweist, welche
Verstärkungsschicht zur Verrastung mit der Platine einen Eingriff, also eine Vertiefung, oder einen Vorsprung aufweist oder ausbildet.
Dies ist insbesondere von Vorteil, sofern ein endständiger Teil des Gehäuses als Tiefziehkappe mit einer Wanddicke von weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 ,5 mm, insbesondere weniger als 0,8 mm ausgebildet ist.
Um eine dauerhafte Anbindung der Verstärkungsschicht an den Gehäusekörper zu ermöglichen, kann ein Stoffschluß beider Bauteile durchgeführt werden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten.
Der Anschlussdraht des ersten Temperaturfühlerelements ist vorteilhaft zugentlastend in einer ersten Richtung durch die Platine geführt und mit dieser verbunden. Eine besonders vorteilhafte zweiseitige Zugentlastung wird erreicht, indem zumindest ein
Anschlussdraht eines zweiten Temperaturfühlerelements zugentlastend in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durch die Platine geführt und mit dieser verbunden ist.
Es ist von zudem von Vorteil, wenn der Anschlussdraht im Bereich der Platine mit einer Vergussmasse umgeben ist. Hauptsächlich bewirkt die Vergussmasse eine mechanische
Festigkeit während des Alltagsbetriebes des Sensors.
Die Gehäusekammer kann vorteilhaft zumindest einen ersten elastischen Körper zum Führen des Anschlussdrahtes aufweisen.
Durch den elastischen Körper, welcher beispielsweise als Scheibe ausgebildet sein kann, wird eine Führung des Anschlussdrahtes während des Produktionsprozesses erreicht und damit eine geringere Anfälligkeit des Messsignals bei Vibrationen. So ist es von Vorteil, wenn das Gehäuse, insbesondere die Gehäusekammer, einen zweiten elastischen Körper aufweist, welcher sich an dem ersten elastischen Körper und/oder an einer Wandung des Gehäuses abstützt und welcher eine Rückstellkraft auf die verrastete Platine ausübt. Dadurch wird eine bessere Verrastwirkung erreicht. Die Gehäusekammer weist dabei eine Vergussmasse auf, wobei die Temperaturfühlerelemente vorteilhaft vergussmassefrei in der Gehäusekammer angeordnet sind.
Insbesondere können der erste und der zweite elastische Körper jeweils Silikonkörper sein. Silikon weist eine gute Temperaturbeständigkeit und eine gute chemische Beständigkeit auf.
Eine gute Dichtigkeit durch die elastischen Körper, insbesondere durch bei deren Ausgestaltung als Silikonkörper, kann auch bei Temperatursensoren erreicht werden, welche als
Vierleitermessgeräte ausgebildet sind.
Alternativ oder zusätzlich weist der Temperatursensor, insbesondere der Sensor für das thermische Durchflussmessgerät, ein Gehäuse auf umfassend einen Gehäusekörper und eine
Gehäusekammer in welcher Gehäusekammer endständig jeweils zwei
Temperaturfühlerelemente, welche insbesondere als Dünnfilm-Widerstandsthermometer ausgebildet sind, angeordnet sind, wobei eines der Temperaturfühlerelemente beheizbar ist, wobei von jedem Temperaturfühlerelementen zumindest ein Anschlussdraht abgeht, welcher mit einer Platine verbunden ist, wobei die Platine eine erste Anzahl Materialausnehmungen, insbesondere Löcher, aufweist zum Anschluss von Anschlussdrähten und/oder Kabeln und eine zweite Anzahl Materialausnehmungen, insbesondere Löcher aufweist zur Verminderung der thermischen Ausdehnung der Platine.
Durch die Verminderung der thermischen Ausdehnung kann eine Schädigung der Platine, z.B. beim Verguss, aufgrund unterschiedlichen thermischen Ausdehungen zwischen der Platine und dem Verguss vermieden werden.
Dabei kann die zweite Anzahl von Materialausnehmungen, insbesondere Löcher, in auf der Platine angeordneten Leiterbahnen angeordnet sein.
Das Anschlusskonzept des Sensors wird nachfolgend im Detail anhand von Fig. 12 erörtert.
In dem in Fig. 12 bevorzugten dritten Ausführungsbeispiel für einen Sensor sind Bauteile integriert, welche zur Erleichterung der Herstellung und der Verminderung der Ausschussrate beitragen. Der in Fig. 12 gezeigte Sensor stimmt im Wesentlichen in der Sensorgeometrie mit dem Sensor der Fig. 1-7 überein.
In der Gehäusekammer sind endständig jeweils einer der Widerstandsthermometer (RTD) 4 oder 5 parallel zu einem der Seitensegmente 3a und 3c eingesetzt, von denen zumindest ein
Widerstandsthermometer beheizbar ist und welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als
Dünnfilm-Widerstandsthermometer ausgebildet sind. Zur Vereinfachung wird nachfolgend lediglich die Anordnung eines der Widerstandsthermometers 4 oder 5 in der Gehäusekammer erläutert. Das Widerstandsthermometer ist auf der Innenseite des Gehäuses 1 in der Gehäusekammer angelötet. Von dem Widerstandsthermometer 20 gehen jeweils zwei Signalpfade hier in Form von Anschlussdrähten 23 ab, die vorzugsweise vergoldet sind. Durch diese Anschlussdrähte erfolgt eine Anbindung des Dünnfilm-Widerstandsthermometers an eine Platine 25. Die Anschlussdrähte des ersten der beiden Widerstandsthermometer sind in einer ersten
Richtung in der Platine 25 angeordnet und die Anschlussdrähte des zweiten der beiden
Widerstandsthermometer an oder in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung an oder in der Platine 25 angeordnet.
Endständig im Bereich der Stirnseite ist der Gehäusekorpus vorteilhaft durch eine Tiefziehkappe mit geringer Wanddicke von vorzugsweise zwischen 0,5 bis 2 mm gebildet. Dadurch wird eine schnelle Wärmeübertragung zwischen dem Widerstandsthermometer 4 oder 5 und dem Medium ermöglicht.
Wie in Fig. 12 erkennbar, werden die Anschlussdrähte zunächst jeweils an der Außenseite der Gehäusekammer entlanggeführt. Anschließend werden die Anschlussdrähte 23 zu einer Platine
25 hingeführt und zugentlastend an dieser Platine 25 befestigt. Die zugentlastende Befestigung der Anschlussdrähte erleichtert die Montage des Temperatursensors.
Die Anschlussdrähte des ersten der beiden Widerstandsthermometer sind in einer ersten Richtung in der Platine 25 angeordnet und die Anschlussdrähte des zweiten der beiden
Widerstandsthermometer an oder in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung an oder in der Platine 25 angeordnet. Durch diese Anordnung können Kabel 27 bzw. Vierleiterkabel beidseitig von der Platine weggeführt werden. Durch die geänderte Anordnung der Anschlussdrähte und der Kabel bzw. Vierleiterkabel an die Platine kann ein Montagevorteil erreicht werden.
Von der Platine 25 gehen mehrere Signalpfade ab, vorliegend in Form von den ummantelten Kabeln 27, welche den Temperatursensor mit einer Auswerteeinheit verbinden. Diese gehen in Fig. 2 einseitig von der Platine ab.
Nach der Montage des Temperatursensors wird der Innenraum des Temperatursensors mit einer Vergussmasse ausgefüllt.
Die Platine 25 weist seitliche Rastelemente 28 auf, welche mit einem Eingriff 29 des Gehäuses 1 , also eine Vertiefung im Gehäuse, oder alternativ einem Vorsprung des Gehäuses eingreifen können. Durch die Verrastung ist eine Positionierung der Platine an einer vorbestimmten Position im Gehäuse möglich.
Zur Schaffung des Eingriffs 29 bedarf es allerdings einer gewissen Wandstärke, so dass der Eingriff in Form einer Nut eingefräst werden kann. Dies kann allerdings aufgrund der geringen
Wandstärke der endständigen Tiefziehkappe nicht gewährleistet werden. Erfindungsgemäß wird daher ein Verstärkungselement mit einem Eingriff, vorzugsweise einer umlaufenden Nut, in der Gehäusekammer an der Wandung der Tiefziehkappe angeordnet. Durch dieses Verstärkungselement 31 wird eine Verrastung der Platine 25 mit dem Gehäuse 1 ermöglicht Alternativ oder zusätzlich kann auch das Gehäuse 1 Rastelemente aufweisen, welche mit einem Eingriff oder Vorsprung der Platine 25 verrasten können. Diese Rastelemente werden ebenfalls durch ein Verstärkungselement, welches an der Tiefziehkappe angeordnet ist, bereitgestellt. Die Gehäusekammer des Temperatursensors ist endständig zwischen der Platine der
Gehäusewandung mit den darauf angebrachten Widerstandsthermometern mit Silikonkörpern 32, 33 ausgefüllt. Die Widerstandsthermometer bleiben somit nach dem Verguss des Sensors vergussmassefrei, da sie durch die Silikonkörper vor einem Kontakt mit der Vergussmasse abgeschirmt werden.
Zugleich entwickeln die Silikonkörper aufgrund ihrer Eigenelastizität Rückstellkräfte, welche auf die Platine 25 einwirken und ein wirkungsvolleres Verrasten ermöglichen. Dabei liegt die Platine vorzugsweise zumindest auf einem der Silikonköper auf. Nachfolgend soll die zugentlastende Befestigung bzw. Verbindung der Anschlussdrähte 23 an der Platine 25 näher erläutert werden.
Sie erfolgt derart, dass die Anschlussdrähte durch ein erstes Loch in der Platine 25 geführt werden, anschließend in eine Richtung senkrecht zum Lochverlauf des ersten Loches geführt werden und anschließend in eine Richtung parallel zum Lochverlauf an der Platine geführt und befestigt werden. Somit erfolgt die Befestigung an einer Wandung der Platine, die parallel zum ersten Loch verläuft. Somit werden die Anschlussdrähte in einer ersten Richtung A in das Loch der Platine eingeführt und in eine zweite Richtung B, die entgegengesetzt zur ersten Richtung A ist, an der Platine befestigt.
Derartige zugentlastende Anordnungen an Platinen sind aus anderen Anwendungsbereichen bereits bekannt und dienen einer dauerhaften Befestigung von Anschlussdrähten an einer Platine. Im vorliegenden Fall jedoch dient die Zugentlastung der Anschlussdrähte lediglich einer besseren Stabilität der Anbindung vor. Daher erleichtert die zugentlastende Befestigung im Wesentlichen die Montage des Temperatursensors.
. Dabei ergänzen sich einzelne Maßnahmen, welche für sich genommen bereits Vorteile mit sich bringen, idealerweise zu einem Gesamtkonzept. Das vorgenannte Anschlusskonzept kann grundsätzlich auf alle bekannten Mehrleitermesstechniken der thermischen Durchflussmessung angewandt werden.
Fig. 13 und 14 zeigen eine vierte und fünfte erfindungsgemäße Variante eines Sensors 41 und 51 für ein thermisches Durchflussmessgerät. Dieser Sensor weist eine Stirnfläche 43, 53 auf, die an höhere Drücke, insbesondere über 20bar, angepasst ist. Die Aufteilung der Stirnfläche 43, 53 in Strömungsrichtung S des Mediums entspricht der in Fig. 1-4 dargestellten
Ausführungsvariante. Dabei ist die Stirnfläche 43, 53 in in ein Mittelsegment 43b, 53b aufgeteilt, welches im Wesentlichen auf einer Ebene senkrecht zur Längsachse A des Sensors verläuft und zwei angewinkelte Seitensegmente 43a, 53a und 43 c, 53c. Er weist vorzugsweise eine Wandstärke im Bereich der Stirnfläche des Sensors zwischen 0,5-0,7 mm auf, besonders bevorzugt zwischen 0,55 - 0,65 mm. Der Heizer, also das aktive Sensorelement, befindet sich dabei vorzugsweise unterhalb des Seitensegments 43a, 53a, welches anströmseitig im
Messmedium angeordnet ist. Das passive Sensorelement befindet sich vorzugsweise unterhalb des abströmseitigen Seitensegments 43c, 53c des Sensors 41 , 51.
Randseitig wird das Mittelsegment 43b, 53b in Strömungsrichtung S des Mediums durch Knickkanten 44a, 44c zu den Seitensegmenten 43a, 53a und 43c, 53c begrenzt. Senkrecht zur Strömungsrichtung S des Mediums grenzt an das Mittelsegment 43b, 53b an jedem Ende des Mittelsegments 43b, 53b jeweils ein das Mittelsegment stabilisierendes Stützsegment 43d, 53d und 43e, 53e an.
Dieses Stützsegment 43d, 53d oder 43e, 53e ist gegenüber der Ebene des Mittelsegments 43b, 53b in einem Winkel γ zwischen 10-80°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 50-70° abgewinkelt, derart, dass zwischen dem Mittelsegment und demStützsegment 43d, 53d oder 43e, 53e jeweils eine Knickkante 44b, 54b und 45 b, 55b gebildet wird.
Nachfolgend wird zur Vereinfachung jeweils nur die Geomentrie des Stützsegments 43d der Fig 13 näher beschrieben. Es versteht sich allerdings aus der Fig 13 heraus, dass die
nachfolgenden geometrischen Merkmale spiegelsymmetrisch auch auf das Stützsegment 43e zutreffen.
Die in Fig. 13 dargestellte Ausführungsvariante weist zusätzlich zur vorgenannten Knickkante 44b weitere daran angrenzende Knickkanten 44d, 44e jeweils zwischen dem Stützsegment 43d oder 43e und den am Mittelsegment in Strömungsrichtung S angrenzenden Seitensegmenten 43a und 43c auf. Die angrenzenden Knickkanten 44d und 44e sind dabei nicht gleich groß und spiegelsymmetrisch gegenüber einer durch den Sensormittelpunkt verlaufenden Spiegelebene, sondern asymmetrisch ausgebildet. Das Stützsegment 43 d wird zudem von einer
bogenförmigen Knickkante 46 begrenzt, an welcher das Seitensegment 43d in eine zylindrische Mantelfläche 47 übergeht. Wie in Fig. 13 ersichtlich, werden durch die asymmetrische Ausbildung des Stützsegments 43 d und e eine Begrenzung der Seitensegmente 43 a und c, wobei diese Seitensegmente nunmehr nicht mehr gleich groß ausgestaltet sind, sondern das in Strömungsrichtung S gesehene vordere Seitensegment 43a, welches zugleich eine Anströmseite für das Medium bereitstellt, größer ist als das in Strömungsrichtung S gesehene hintere Seitensegment 43c, welches zugleich eine Abströmseite für das Medium bereitstellt. Die Fläche des ebenen anströmseitigen
Seitensegments ist vorzugsweise 1 ,1 bis 2-fach, besonders bevorzugt 1 ,2 bis 1 ,5-fach, größer als die Fläche des ebenen abströmseitigen Seitensegments 43c.
Die Fläche des ebenen Mittelsegments 43 b entspricht vorzugsweise dem 0,8 bis 1 ,2 fachen der Fläche des anströmseitigen angrenzenden ebenen Seitensegments 43a. Sie ist in jedem Fall größer als die Fläche des abströmseitigen Seitensegments 43c.
Die Fläche der ebenen abgewinkelten Stützsegmente 43d und 43e betragen vorzugsweise das 0,5 bis 0,8 fache des Mittelsegments 43b.
Zwischen den Seitensegmenten, dem Mittelsegment und den Stützsegmenten befinden sich die vorbeschriebenen Knickkanten 44a -e. Diese sind abgerundet und weisen einen Biegeradius zwischen 1 ,3 bis 3 mm auf. Dadurch wird ein besonders weicher Übergang zwischen den einzelnen Flächen gewährleistet und eine gleichmäßige Grenzschicht des Messmediums auf der Stirnfläche 43 ausgebildet.
Beide in Fig. 13 und 14 dargestellten Ausführungsvarianten sind druckstabilere
Sensorgeometrien gegenüber der in Fig. 1-4 dargestellten Ausführungsform. Die in Fig. 13 dargestellte asymmetrische Variante der angrenzenden Knickkanten 43d und 43e ist dabei der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsvariante bevorzugt.
Demgegenüber weist die in Fig.14 dargestellte weniger bevorzugte Ausführungsvariante symmetrische an das Mittelsegment 54b angrenzende Knickkanten 54d und 54e auf, sowie geringer angestellte und gleich große anström- und abströmseitige an das Mittelsegment 53b in Strömungsrichtung angrenzende Seitensegmente 53 a und c. Fig. 15 a-f zeigt ein Geschwindigkeitsprofil der Strömung an der Stirnfläche 43, 53 des Sensors 41 und 51.
Fig. 15 a, b zeigen das Geschwindigkeitsprofil bei 0.7 m/s. Fig. 15 c, d zeigen das
Geschwindigkeitsprofil bei 2 m/s und Fig. 15 e, f zeigen das Geschwindigkeitsprofil bei 4 m/s.
Fig 15 a, c und e beziehen sich dabei auf die in Fig. 14 abgebildete vorbeschriebene
Sensorgeometrie. Fig. 15 b, d und f stellen das Geschwindigkeitsprofil bei der in Fig. 13 dargestellten Variante dar.
Das Messmedium in Fig. 15 a-f ist Wasser. Der Balken unterhalb der Stirnseite stellt vereinfacht einen beheizbaren Temperatursensor 48, 58 dar.
Dabei weisen die Geschwindigkeitsprofile der Fig. 15 a, c und e des Sensors der Fig. 14 eine stärkere Verwirbelung bzw. Rezirkulation des Geschwindigkeitsprofils des Messmediums im
Bereich des beheizbaren Temperatursensors 58 auf. Dadurch wird weniger Wärme von der Oberfläche des Sensors 51 abtransportiert. Dabei ist allerdings der Wärmetransfer auch abhängig vom Umfang der Verwirbelung und damit von der Geschwindigkeit des Mediums entlang der Stirnfläche 53. Dies resultiert in abgeknickten Übergängen im Kurvenverlauf bei Aufnahme einer charakteristischen Kurve, was ungünstig für die Auswertung der Kurve ist. Idealerweise sollte eine anliegende Grenzschicht über dem Heizer bzw. dem beheizbaren Temperatursensor durch eine lokale Verlangsamung und/oder einer Verwirbelung der Strömung ausbilden. In diesen Fällen steigt die Heizrate zwischen der festen Phase (der Sensorstirnfläche) und der flüssigen Phase (dem Messmedium) an und die Biot-Zahl wird reduziert. Die partielle Verlangsamung sollte konsistent über den gesamten Messbereich sein. Dadurch entsteht eine charakteristische Kurve ohne abgeknickte Übergänge und mit hoher Sensitivität.
Die in Fig. 13 dargestellte Sensorgeometrie weist, wie in dem Geschwindigkeitsprofilen der Fig. 15 b, d, und f erkennbar, demgegenüber ebenfalls eine reduziertere Tendenz zur Ausbildung einer Rezirkulation auf, jedoch liegt an der Oberfläche der Stirnseite eine dünne Grenzschicht an, welche für eine knickfreie gleichmäßige Kurvenform der Sensorcharakteristik sorgt. Dadurch wird ein gleichmäßiges Strömungsverhalten entlang des Temperatursensors generiert der wesentlich unabhängiger ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und eine höhere Sensitivität aufweist. Fig. 16 a-d zeigen die Spannungsverläufe und die Verformungen bei den jeweiligen anliegenden Drücken. Da allerdings die metallische Sensorkappe elastisch verformbar ist, wird der überwiegende Teil der verformten Stirnflächenwieder bei Druckentlastung weitestgehend rückgebildet.
Fig. 16 a und c zeigt das den Spannungsverlauf an der Stirnfläche gemäß Fig. 1-4. Fig. 16 a zeigt den Spannungsverlauf bei einem Außendruck von 40 bar. Die maximale
Spannungsbelastung betrug in dieser Variante 350 MPa. Die Spannungsbelastungen an den Seitensegmenten der Stirnflächen sind vernachlässigbar gering. Die wesentliche
Spannungsbelastung findet auf das Mittelsegment senkrecht zur Strömungsrichtung S statt. Das
Mittelsegment wirkt der zunehmenden Spannungsbelastung durch eine Ausgleichsverformung in Form einer Innenwölbung entgegen. Diese Innenwölbung nimmt - wie aus Fig. 16c erkennbar ist - bei einer Spannungsbeaufschlagung von 60 bar noch weiter zu. Bereits bei einer Spannungsbelastung von 350 MPa wird die Elastizitätsgrenze der
Sensorstirnfläche des Sensors der Fig. 1-4 (Wandstärke = ca. 0,4 mm) überschritten, so dass neben einer elastische Verformung der Stirnfläche auch eine dauerhaft plastische Verformung der Stirnfläche erfolgt. Durch diese plastische Verformung werden Messfehler hervorgerufen. Die Elastizitätsgrenze dieses Sensors beträgt bei dieser Ausführungsvariante etwa 310-330 MPa.
Demgegenüber weist die Stirnfläche des Sensors der Fig. 13 (Wandstärke ca. 0,6 mm) - wie aus Fig. 16 b hervorgeht - lediglich eine partielle maximale Spannungsbelastung von etwa 250 MPa auf, welche sich zudem auf einen wesentlich geringeren Flächenbereich der Stirnfläche des Sensors verteilt.
Fig. 16c zeigt die Stirnfläche des Sensors der Fig. 1-4 bei einem Außendruck von 60 bar. Die Stirnfläche wird dabei im hohen Maße plastisch deformiert. Die Maximalspannungsbelastung auf die Oberfläche liegt bei 600 Mpa.
Demgegenüber liegt die Spannungsbelastung der Stirnfläche bei Fig. 7d unter einem
Außendruck von 60bar bei etwa 330-350 MPa. Bezugszeichen
1 Sensor;
2 Sensorkorpus;
3a, 3c Seitensegmente;
3b Mittelsegment;
4 erstes Widerstandsthermometer;
5 zweites Widerstandsthermometer;
6 Grenzschicht;
7 Rezirkulation;
20 Seitenstufe;
21 Mittelstufe
22 Seitenstufe;
23 Anschlussdrähte;
25 Platine;
27 Kabel;
28 Rastelemente;
29 Eingriff;
31 Verstärkungselement
32 Silikonkörper
33 Silikonkörper
41 , 51 Sensor
43, 53 Stirnfläche
43a, 53a erstes stromaufwärtiges Seitensegment 43b, 53b Mittelsegment 43c, 53c zweites stromabwärtiges Seitensegment
43d, 43e Stützsegment
53d, 53e Stützsegment
44a-e Knickkanten
46, 56 Rand kante
47, 57 Mantelfläche
48, 58 Temperaturfühlerelement
α, ß Neigungswinkel der Seitensegmente;
γ Neigungswinkel der Stützsegmente gegenüber dem Mittelsegment Pa Punkt
Pc Punkt
M Mittelpunkt;
d Durchmesser - Sensorkorpus; und
S Strömungsrichtung
A Längsachse
C Achse

Claims

Patentansprüche
1. Thermisches Durchflussmessgerät zur Bestimmung und/oder Überwachung eines thermischen Massedurchflusses eines Messmediums durch ein Messrohr umfassend einen Sensor mit zumindest einem ersten und einem zweiten Temperaturfühlerelement, welche insbesondere jeweils ein Dünnfilm-Widerstandsthermometer aufweisen, wobei eines der Temperaturfühlerelemente beheizbar ist, wobei der Sensor eine Längsachse (A) und eine endständige Stirnfläche (3) aufweist, welche in zumindest zwei nebeneinander angeordnete Segmente (3a-3c) aufgeteilt ist, wobei ein Flächennormalenvektor zumindest eines ersten Segments mit der Längsachse (A) des Sensors einen Winkel (a) von zumindest 5° einschließt.
2. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche in zumindest drei Segmente eingeteilt ist, einem stromaufwärtigen ersten Seitensegment, einem Mittelsegment und einem stromabwärtigen zweiten Seitensegment, wobei das erste Segment das stromaufwärtige erste Seitensegment und/oder das stromabwärtige zweite Seitensegment ist.
3. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächennormalenvektor der geneigten Fläche des ersten Segments mit der Längsachse (A) einen Winkel (a) von zumindest 8°, besonders bevorzugt zwischen 10-35° einschließt.
4. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stromaufwärtige erste Seitensegment (43a) eine größere Fläche aufweist als das stromabwärtige zweite Seitensegment (43c).
5. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem stromaufwärtigen ersten Seitensegment (43a) und dem Mittelsegment (43b) eine erste Knickkante (44a) definiert ist, und dass zwischen dem stromabwärtigen zweiten Seitensegment (43c) und dem Mittelsegment (43b) eine zweite Knickkante (44b) definiert ist, und wobei der Abstand zwischen dem entgegen zur Strömungsrichtung(S) äußersten randseitigen Punkt (Pa) des stromaufwärtigen ersten Seitensegments (43a) zur ersten Knickkante (44a) im Wesentlichen gleich ist zum Abstand zwischen dem in Strömungsrichtung (S) äußersten randseitigen Punkt (Pc) des stromabwärtigen zweiten Seitensegments (43c) zur zweiten Knickkante (44c).
6. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (43, 53) aus einem Metallblech, welche zwischen dem Messmedium und den Temperaturfühlerelementen (48, 58) angeordnet ist und wobei das Metallblech zwische 0,5 bis 0,7 mm dick ist.
7. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Strömungsrichtung (S) des Mediums an das Mittelsegment
(43b, 53b) an jedem Ende des Mittelsegments, jeweils ein das Mittelsegment stabilisierendes Stützsegment (43d, 43e, 53d, 53e) angrenzt.
8. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stabilisierende Stützsegment (43d, 43e, 53d, 53e) gegenüber der Ebene des Mittelsegments (43b, 53b) in einem Winkel (γ) zwischen 10-80°, besonders bevorzugt in einem Winkel von 50-70° abgewinkelt ist.
9. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturfühlerelement als plattenformiges Dünnschichtelement ausgebildet ist.
10. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Temperaturfühlerelement im Wesentlichen parallel zu der Fläche des ersten Segments 3a ausgerichtet sind.
1 1. Thermisches Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelsegment 3b eine Fläche mit einem Flächennormalenvektor aufweist, welcher entlang der Längsachse verläuft.
12. Thermisches Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment zumindest 5%, vorzugsweise zumindest 15%, insbesondere 20-40% der Stirnfläche bildet.
13. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment bestimmt ist zur Ausbildung einer thermischen Grenzschicht mit erhöhter Grenzschichtdicke.
14. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Segment bestimmt ist zur Ausbildung einer Rezirkulation in einem strömenden Medium.
15. Thermisches Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Temperaturfühlerelement beheizbar sind und jeweils über zwei Betriebszustände verfügen, wobei in einem ersten Betriebszustand das jeweilige Temperaturfühlerelement auf eine konstante Temperatur eingestellt wird und in einem zweiten Betriebszustand das jeweilige Temperaturfühler die Mediumstemperatur ermittelt, wobei das erste Temperaturfühlerelement sich im ersten Betriebszustand befindet, sofern sich das zweite Temperaturfühlerelement im zweiten Betriebszustand befindet und das erste Temperaturfühlerelement sich im zweiten Betriebszustand befindet, sofern sich das zweite Temperaturfühlerelement im ersten Betriebszustand befindet und wobei das thermische Durchflussmessgerät eine Schaltung aufweist zum Umschalten des ersten und des zweiten Temperaturfühlerelements zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszustand.
16. Thermisches Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Sensorkorpus und eine Sensorkappe aufweist, wobei die endständige Stirnfläche auf der Sensorkappe angeordnet ist.
17. Verwendung eines thermischen Durchflussmessgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung und/oder Überwachung des thermischen Massedurchflusses einer durch ein Messrohr strömenden Flüssigkeit.
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