WO2017067708A1 - Thermisches durchflussmessgerät und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Thermisches durchflussmessgerät und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2017067708A1
WO2017067708A1 PCT/EP2016/071396 EP2016071396W WO2017067708A1 WO 2017067708 A1 WO2017067708 A1 WO 2017067708A1 EP 2016071396 W EP2016071396 W EP 2016071396W WO 2017067708 A1 WO2017067708 A1 WO 2017067708A1
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pin sleeve
section
thermal flow
pin
measuring device
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PCT/EP2016/071396
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan GABERTHÜEL
Axel Pfau
Tobias Baur
Original Assignee
Endress+Hauser Flowtec Ag
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type

Definitions

  • the present invention relates to a thermal skillsesmessgerat according to the preamble of claim 1 and a method for its preparation.
  • thermal flow meters The structural design of thermal flow meters is known per se. Starting from a mostly cylindrical hollow body having a base surface, at least two cylindrical pin sleeves extend in the direction of the interior of a tube. However, these pin sleeves are usually connected by welds with the cylindrical hollow body. A typical example is shown and described in DE 10 2010 061 731 A1.
  • pipelines of process plants in or on which the thermal flow meter is used may oscillate or vibrate due to operational conditions.
  • Vibrations of the tube are then transmitted to the sensor housing, which generates a measuring error at low natural frequency due to natural oscillations. This occurs especially in sensor housings with very long pen sleeves with small diameters. It is therefore the object of the present invention to at least reduce the vibration-related measurement error of the thermal flow meter.
  • the present invention solves this problem by a thermal flow meter with the features of claim 1.
  • a thermal flow meter according to the invention comprises a sensor with a metallic sensor housing.
  • the metallic sensor housing has a hollow body for connection to a
  • a plug-in device may e.g. be a linkage, at the end of which the aforementioned sensor housing is arranged. This linkage is then inserted through an opening, which is usually located in the gravitational field at the top of a pipe in the pipe. The environment-limiting wall of the sensor housing is thus partially or completely exposed to a pipe located in the flow of a medium.
  • the metallic sensor housing can also be fixed directly or by means of a pipe extension fixed to a pipe wall.
  • the manner of fixing the sensor housing or the hollow body is only of secondary importance in the context of the present invention.
  • the aforementioned hollow body has a base.
  • This base can be any base.
  • the sensor housing has at least two pin sleeves, which protrude from the base surface and in the installed state, preferably in the inner region protrude a pipe.
  • the pen sleeves may be formed, for example, cylindrical or prismatic.
  • Each of the pin sleeves has a first portion with an end face and a lateral surface, wherein the lateral surface has a maximum distance from the longitudinal axis d1.
  • This maximum distance corresponds in the case of a cylindrical pin sleeve radius.
  • a prismatic, e.g. 6- or 8-cornered pin sleeve corresponds to the maximum distance to the distance of a corner point to the longitudinal axis in a sectional plane perpendicular to the longitudinal axis of the pin sleeve.
  • the respective pin sleeve has a further section, which preferably merges into the base surface, with a lateral surface which has a maximum distance to the longitudinal axis d2.
  • the maximum distance corresponds to the largest radius of the lateral surface, which usually at the same time forms the fictitious base surface of the truncated cone.
  • This base is of course non-existent, since the sleeve of the sensor housing is to be understood as hollow, so that a temperature sensor during assembly of the thermal flow meter on the hollow body and a terminal opening of the pin sleeve in this pin sleeve inserted and can be performed up to the first section or can be threaded.
  • Section at least 20%, preferably at least 50%, greater than the maximum distance d 1 of the lateral surface of the first portion to the longitudinal axis of the pin sleeve back.
  • the first section can advantageously have a cylindrical outer surface.
  • a particularly good connection of a heater and a temperature to the inner wall of the pin sleeve can take place.
  • the connection can be made preferably by a copper bridge, as described for example DE 10 2008 015 359 A1.
  • Inner diameter of the first section is less than or equal to 4 mm, preferably less than or equal to 3 mm. Especially with these small diameters occur in non-stepped However, pen sleeves have lower natural frequencies. These natural frequencies are advantageously increased by the stepped shape of the pin tubes according to the invention.
  • Each of the pin sleeves advantageously has in each case a terminal section with a medium-contacting end face.
  • a heater is arranged in the first pin sleeve, in particular in the terminal portion of this pin sleeve, and in the second pin sleeve, in particular in the terminal portion of this pin sleeve, is a
  • Temperature sensor arranged to determine the temperature of the medium.
  • a further heater and / or a further temperature sensors of a respective pin sleeve can also be arranged.
  • the heater and the temperature sensor are typically used for
  • each of the pin sleeves at least in the terminal portion has a wall thickness of less than 0.5 mm, preferably between 0, 1-0.4 mm.
  • the small wall thickness allows a very direct and fast heat transfer to the medium to be measured.
  • fast response times of the sensor are possible when changing the flow velocity of the measuring medium, but also decreases in thin pin cases also the natural frequency of the pin sleeve.
  • this is compensated by the stepped shape of the pin sleeve according to the invention.
  • the wall thickness advantageously varies at least in the region of the terminal section by less than 20%, preferably by less than 10%. This achieves the most uniform possible heat distribution along the pin sleeve.
  • the sensor housing made of steel and / or titanium.
  • the metallic sensor housing may be formed in one piece and the pin sleeves and the hollow body may be seamlessly, in particular free of welding, interconnected, wherein the sensor housing is particularly preferably formed as a monolithic component. Seamless means in the context of the present invention that neither a weld nor an adhesive or solder seam is present as a connection between the pin sleeves and the hollow body. When welded pin sleeves, the heat transfer changes with temperature, which can lead to a measurement error at a larger temperature change, but this is advantageously avoided in this embodiment.
  • the metallic sensor housing is formed as a monolithic component.
  • the sensor housing is made of a complete material.
  • combinations of several metals or metal alloys, eg steel and titanium, can be realized by generative manufacturing processes, these are in the Within the scope of the present invention, however, it is not preferred over a monolithic embodiment.
  • the terminal portion of the pin sleeve has a cylindrical lateral surface with a diameter and that the terminal portion extends over a length, wherein the ratio is greater than or equal to five, preferably greater than or equal to seven.
  • thermal flow meter To provide the thermal flow meter with additional functionalities, e.g.
  • the sensor housing advantageously has at least a third pin sleeve and / or a flow obstacle, which are preferably parallel to the first and / or second pin sleeve.
  • the third pin sleeve has a first portion with the end face and a lateral surface, wherein the lateral surface has a maximum distance from the longitudinal axis d1, and that the end face has a further portion which merges into the base, with a lateral surface which is a maximum distance from the longitudinal axis 62, wherein the maximum distance d2 of the lateral surface of the further section is at least 20%, preferably at least 50%, greater than the maximum distance d1 of the lateral surface of the first section to the longitudinal axis of the pin sleeve.
  • the length of the terminal portion may advantageously be at least 2 mm, preferably 3-10 mm, and the total length of a pin sleeve at least 10 mm.
  • the sensor housing of the flowmeter according to the invention can be produced by means of a generative manufacturing process, preferably by means of a jet melting process. Although corresponding sensor housing over others
  • Manufacturing process e.g. by primary molding, in particular by the metal injection
  • Fig. 2 is a sectional view of the sensor housing of Fig. 1;
  • thermometer 2a is a sectional plan view of the sensor housing of FIG. 1st
  • Conventional thermal flow measuring devices usually use two heat resisting 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 mounted directly in the pipeline.
  • One of the two resistance thermometers is a so-called active sensor element, which is heated by means of a heating unit.
  • Heating unit is provided either an additional resistance heating, 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. is heated by a corresponding variation of the measuring current.
  • RTD Resistance Temperature Device
  • the active sensor element is also often called a heater.
  • the second resistance thermometer is a so-called passive one
  • Sensor element It measures the temperature of the medium.
  • thermometer heated so that sets a fixed Tem peratu rd ifferenz 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
  • the increased heating power is a measure of the mass flow or the mass flow of the medium through the pipeline.
  • the heating power can be described by a so-called power coefficient PC.
  • the respective temperature difference is then a measure of the mass flow of the medium through the pipe or through the measuring tube.
  • Resistance 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 named by the applicant under the name 't-switch', 't-trend' or 't-mass' offered and distributed.
  • a particular variant of a thermal flow meter is shown in detail.
  • the housing of a sensor of a thermal flow meter. soft is hereinafter referred to as the sensor housing 1.
  • This housing is made of metal and may be formed as Einstecksensor or fixed, possibly with an intermediate piece to be fixed to the inner wall of a measuring tube.
  • the sensor housing 1 of a sensor described below represents only a particularly preferred embodiment of the invention and is by no means to be understood as limiting the scope of the present invention.
  • the sensor housing 1 has a hollow body 2, which directly or through a
  • Intermediate piece on a holder of a plug-in device e.g. a plug-in rod, or can be fixed to a measuring tube.
  • the hollow body 2 has a plate-shaped base surface 11, starting from which at least two, a first and a second, pinholes 3a and 3b in the lumen, so the inside of a tube, for example, the measuring tube protrude.
  • the hollow body 2 is shown in the embodiment of FIGS. 1 and 2 frustoconical. However, it can also be another form, e.g. cylindrical or
  • Fig. 1, 2 and 2a a total of four pen cases are shown. This variant is preferred, since with this housing form several functionalities, e.g. Drift detection and
  • Directional detection, in a thermal flow meter can be advantageously combined structurally.
  • FIGS. 1 and 2 shows that even more complicated sensor housing variants can be realized within the scope of the present invention.
  • the present invention may also have only the two pin sleeves 3a and 3b in a simplified embodiment.
  • the pin sleeves are connected to the hollow body in one piece and free of connecting seams, in particular in the connection region 12.
  • first and second pin sleeves 3a, 3b each have a medium-contacting end face 13. This is curved in Fig. 1 and 2, but may also be flat.
  • the pin sleeves 3a and 3b can each be stepped, whereby a better insertion and positioning of a heating element and / or a temperature sensor in the pin sleeve can be done through the terminal opening on the side facing away from the medium of the pin sleeve.
  • the geometric configuration of a respective pin sleeve 3a or 3b is such that starting from the end face 13, first a first portion 8a with cylindrical
  • Pen sleeve wall and a first continuous cylinder jacket diameter d1 follows. This is followed by a second section 8b having a cylindrical pin sleeve wall and a second cylinder barrel continuous diameter d2.
  • the first and / or second section may also have a conical shape.
  • the diameter d1 and / or d2 corresponds to an averaged value.
  • the transition region between the first and second sections 8a and 8b is not abrupt, but has a continuous increase in diameter from the first diameter d1 to a second diameter d2. It is therefore an appropriate grading 9 is not an abrupt but a gradual change in diameter.
  • the pin sleeve merges into a third section 8c, which is of frusto-conical shape and in which the diameter d gradually increases in the course of the truncated cone as far as a transition region 7 to the hollow body 2.
  • the pin sleeves 3a and 3b have a length 11 of at least 10 mm.
  • the end face 13 is assigned to the section 8a according to the definition of the present invention.
  • a heating element not shown in detail or a heater is arranged in this section 8a of a first of the two pin sleeves 3a and 3b.
  • This can e.g. also be a heated resistance thermometer.
  • the heating element need not necessarily rest on the end face or cylinder jacket surface of the pin sleeve, but may preferably be thermally coupled to the wall of the pin sleeve via a copper bridge.
  • a corresponding arrangement and its advantages are described in detail in DE 10 2008 015 359 A1.
  • section 8a of a second of the two pin sleeves 3a and 3b temperature sensor for determining the temperature of the medium is arranged.
  • This can also be designed as a heatable resistance thermometer, wherein during operation of the thermal
  • each one of the resistance thermometer actively heated and one of the resistance thermometer can be operated unheated.
  • the wall thickness of the pin sleeves 3a and 3b is at least in section 8a less than 0.5 mm, preferably less than or equal to 0.4 mm, in particular 0, 1 to 0.4 mm. by virtue of the thin wall thickness, a particularly favorable heat transfer can be achieved.
  • the length 12 of this section 8a may be at least 2 mm. but preferably 3-10 mm.
  • the ratio of the length 12 to the diameter d1 is for the first portion 8a
  • the average ratio 11 / d average for the entire pin sleeve is preferably greater than 4, wherein the diameter always refers to the respective length of the portion of the pin sleeve, in which the diameter is actually present. In the case of a truncated cone, as in Section 8c, averaging of the diameters can take place.
  • the housing 2 is made of metal.
  • metal steel can be used.
  • titanium or Hastalloy can be used as wall material.
  • the housing can then be provided with a metallic outer coating, if necessary, to increase the resistance to certain media.
  • this outer coating does not count toward the housing 2 but rather as a material layer additionally applied to the housing.
  • the embodiment variant shown in FIGS. 1 and 2 has an optional flow disturbance 5, which can be designed as a pin sleeve or as a solid element, and also a third optional pin sleeve 4.
  • the flow disturbance 5 has a different geometric cross-sectional shape than the first two pen sleeves 3a and 3b at least in one end region with an end face.
  • the end region with the end face is prismatic or prism-shaped.
  • the cross-sectional shape is formed as a triangle.
  • the flow disturbance 5 is in the illustrated first
  • the first and the second sensor sleeve form a common connection axis.
  • the first flow direction D is defined such that it is arranged at an angle of 80-100 to the connection axis, on a plane which is perpendicular to the longitudinal axes of the two aforementioned sensor sleeves and on which the connection axis lies.
  • the measuring medium in the first flow direction initially strikes the flow obstacle 4.
  • the third sensor element 5 lies partially or completely in the flow shadow of this flow obstacle 4.
  • first Flow direction D may instead of the first Flow direction D also give a second flow direction, not shown in the figures, which is opposite to the first flow direction D.
  • the thus arranged third pin sleeve 5, which also has a heater can be used for direction detection.
  • the decision coefficient DC is determined on the basis of two power coefficients or power coefficients PC1 and PC2.
  • a power coefficient PC1 refers to the heater in one of the pen sleeves 3a or 3b and a second power coefficient to the heater in the third pen sleeve 4.
  • the third pin sleeve 4 has a smaller total length 13 with respect to the total length of the first and second sleeves 3a and 3b.
  • the sleeve has, analogously to the pin sleeve 3a, 3b, an end face 13, which is associated with a first cylindrical portion 8a of the pin sleeve 4.
  • This third section is adjoined by a third section 8c, which has a conical shape analogous to the sleeves 3a and 3b.
  • a second cylindrical section 8b is missing in this pin sleeve.
  • this shorter fourth pin sleeve 4 is also a heater, e.g. a heatable resistance thermometer, arranged.
  • the flow obstacle 5 also has a smaller overall length 13 than the total length 11 of the first and second pin sleeves 3a and 3b. Due to the different planes perpendicular to the longitudinal axes of the pen sleeves on which the heaters are arranged, the flow measurement is not affected by the direction detection.
  • Power coefficient of the heater in the first or second pin sleeve 3a, 3b with the heater in the third pin sleeve 4 an assessment of the sensor pressure over the operating time of the thermal flow meter are made. Possibly. can be done a quantification of the sensor pressure and particularly preferably compensation of the sensor pressure in the fürfiusshunt done.
  • the flow obstacle 5 is used as a sensor sleeve, it can also in this Sensor sleeve, a heater or a heating element, preferably a heatable resistance thermometer, are used.
  • a heater or a heating element preferably a heatable resistance thermometer
  • the housing 1 may have a bracket 6, which spans the arrangement of the first and the second pin sleeve 3a, 3b, the optional fourth pin sleeve 4 and the pin-shaped element 5 arcuately and preferably also monolithically and seamlessly connected to the hollow body 2.
  • This bracket is preferably used as
  • a monolithic sensor housing with at least two correspondingly long thin-walled pin sleeves is also a production engineering challenge.
  • appropriate structures in cost and time-intensive manner are manufacturable.
  • the metal materials used must also be suitable for casting. For a successful investment, u.a. many aspects like the cooling rate and possibly
  • MIM metal injection molding
  • additive manufacturing processes such as jet-melting processes, such as jet-melting processes.
  • the selective laser melting which is also known as SLM process to produce such an article with correspondingly thin wall thickness and corresponding length of the pen sleeves.
  • a metal powder can be applied in a thin layer on a surface.
  • the metal powder is then completely melted locally by laser radiation and solidifies to a solid material layer in a layer thickness of typically 15-150 ⁇ . Then the surface is lowered by the amount of the layer thickness and applied a new layer of material. In this way, gradually forms the housing 1 of the sensor out. Material stresses and corrosion-susceptible seams are not present. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Ein thermisches Durchflussmessgerät umfassend einen Sensor mit einem metallischen Sensorgehäuse (1), welches einen Hohlkörper (2) zum Anschluss an eine Einsteckvorrichtung und/oder eine Rohrwandung aufweist, wobei der Hohlkörper (2) ein Grundfläche (11) aufweist; wobei das Sensorgehäuse (1) zumindest eine erste und eine zweite Stifthülse (3a, 3b) aufweist, welche ausgehend von der Grundfläche (11) hervorstehen, wobei die Stifthülsen (3a, 3b) jeweils eine Längsachse und jeweils eine endständige Stirnfläche (13) aufweisen, wobei eine jede der beiden Stifthülsen einen ersten Abschnitt (8a) aufweist mit der Stirnfläche (13) und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand (d1) zur Längsachse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Stifthülse (3a, 3b) einen weiteren Abschnitt (8c) aufweist, welcher in die Grundfläche (11) übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand (d2) zur Längsachse aufweist, wobei der maximale Abstand (d2) der Mantelfläche des weiteren Abschnitts (8c) zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand (d1) der Mantelfläche des ersten Abschnitts (8a) zur Längsachse der Stifthülse (3a, 3b) hin.

Description

Thermisches Durchfiussmessgerat und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Durchfiussmessgerat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Die konstruktive Ausgestaltung von thermischen Durchflussmessgeräten ist an sich bekannt. Ausgehend von einem meist zylindrischen Hohlkörper mit einer Grundfläche erstrecken sich zumindest zwei zylindrische Stifthülsen in Richtung des Innenraumes eines Rohres. Diese Stifthülsen sind jedoch zumeist durch Schweißnähte mit dem zylindrischen Hohlkörper verbunden. Ein typisches Beispiel ist in der DE 10 2010 061 731 A1 dargestellt und beschrieben.
In der Praxis können Rohrleitungen von Prozessanlagen, in oder an welchen das thermische Durchflussmessgerät eingesetzt wird, betriebsbedingt schwingen bzw. vibrieren. Die
Vibrationen des Rohres werden sodann auf das Sensorgehäuse übertragen, welches bei geringer Eigenfrequenz durch Eigenschwingungen einen Messfehler erzeugt. Dies tritt insbesondere bei Sensorgehäusen mit sehr langen Stifthülsen mit geringen Durchmessern auf. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung den schwingungsbedingten Messfehler des thermischen Durchflussmessgerätes zumindest zu verringern.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein thermisches Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät umfasst einen Sensor mit einem metallischen Sensorgehäuse.
Das metallische Sensorgehäuse weist einen Hohlkörper zum Anschluss an eine
Einsteckvorrichtung und/oder eine Rohrwandung auf. Eine Einsteckvorrichtung kann z.B. ein Gestänge sein, an dessen Ende das vorgenannte Sensorgehäuse angeordnet ist. Dieses Gestänge wird sodann durch eine Öffnung, die zumeist im Schwerefeld am obersten Punkt eines Rohres angeordnet ist, in das Rohr eingeführt. Die zur Umwelt begrenzende Wandung des Sensorgehäuses ist somit teilweise oder vollständig einer im Rohr befindlichen Strömung eines Messmediums ausgesetzt. Alternativ zur Einsteckvorrichtung kann das metallische Sensorgehäuse auch direkt oder mittels einer Rohrverlängerung fest an einer Rohrwandung fixiert sein. Die Art der Festlegung des Sensorgehäuses bzw. des Hohlkörpers ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nur von nachrangiger Bedeutung.
Der vorgenannte Hohlkörper weist eine Grundfläche auf. Diese Grundfläche kann
beispielsweise eben oder gewölbt ausgebildet sein.
Das Sensorgehäuse weist zumindest zwei Stifthülsen auf, welche ausgehend von der Grundfläche hervorstehen und im eingebauten Zustand vorzugsweise in den Innenbereich eines Rohres hineinragen. Die Stifthülsen können z.B. zylindrisch oder prismatisch ausgebildet sein.
Eine jede der Stifthülsen weist einen ersten Abschnitt auf mit einer Stirnfläche und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand zur Längsachse d1 aufweist. Dieser maximale Abstand entspricht im Fall einer zylindrischen Stifthülse dem Radius. Im Fall einer prismatischen, z.B. 6- oder 8-eckigen Stifthülse entspricht der maximale Abstand dem Abstand eines Eckpunktes zur Längsachse in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse der Stifthülse.
Die jeweilige Stifthülse weist einen weiteren Abschnitt auf, welcher vorzugsweise in die Grundfläche übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand zur Längsachse d2 aufweist. Bei einer kegelstumpfförmigen bzw. konischen Mantelfläche entspricht der maximale Abstand dem größten Radius der Mantelfläche, welcher üblicherweise zugleich die fiktive Grundfläche des Kegelstumpfes bildet. Diese Grundfläche ist selbstverständlich nicht existent, da die Hülse des Sensorgehäuses als durchgehend hohl zu verstehen ist, so dass ein Temperatursensor bei der Montage des thermischen Durchflussmessgerätes über den Hohlkörper und eine endständige Öffnung der Stifthülse in diese Stifthülse einführbar und bis in den ersten Abschnitt durchführbar ist bzw. eingefädelt werden kann.
Erfindungsgemäß ist dabei der maximale Abstand d2 der Mantelfläche des weiteren
Abschnitts zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand d 1 der Mantelfläche des ersten Abschnitts zur Längsachse der Stifthülse hin.
Dies ist von Vorteil, da ein Temperatursensor und ein Heizer des thermischen
Durchflussmessgerätes bei der Herstellung besser in die langen dünnen Stifthülsen einfädelbar sind.
Ein wichtiger Aspekt ist zudem, dass durch die vorbeschriebenen gestufte Anordnung zumindest zweier oder mehrerer Abschnitte die Eigenfrequenz der Stifthülsen und des Sensorgehäuses insgesamt erhöht wird. Dadurch werden Messfehler verringert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche
Der erste Abschnitt kann vorteilhaft als eine zylindrische Mantelfläche aufweisen. Dadurch kann, verglichen zu einer kegelförmigen bzw. konischen Mantelfläche, eine besonders gute Anbindung eines Heizers und eines Temperatur an die Innenwandung der Stifthülse erfolgen. Die Anbindung kann bevorzugt durch eine Kupferbrücke erfolgen, wie dies beispielsweise DE 10 2008 015 359 A1 beschrieben wird.
Damit die einzelnen Sensorelemente besonders gut thermisch entkoppelt sind und auch nur geringe Strömungsverwirbelungen erzeugen, ist es von Vorteil, wenn der maximale
Innendurchmesser des ersten Abschnitts kleiner oder gleich 4 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, ist. Gerade bei diesen geringen Durchmessern treten bei nicht-gestuften Stifthülsen jedoch tiefere Eigenfrequenzen auf. Diesen Eigenfrequenzen werden durch die gestufte Form der erfindungsgemäßen Stiftröhrchen vorteilhaftheraufgesetzt.
Jede der Stifthülsen weist vorteilhaft jeweils einen endständigen Abschnitt mit einer mediumsberührenden Stirnfläche auf. In der ersten Stifthülse, insbesondere in dem endständigen Abschnitt dieser Stifthülse, ist ein Heizer angeordnet und in der zweiten Stifthülse, insbesondere in dem endständigen Abschnitt dieser Stifthülse, ist ein
Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet. Freilich können auch ein weiterer Heizer und/oder ein weiterer Temperatursensoren einer jeweiligen Stifthülse angeordnet sein. Der Heizer und der Temperatursensor dienen typischerweise der
Durchflussmessung.
Es ist von Vorteil, wenn der weitere Abschnitt der Stifthülse eine kegelstumpfförmige
Mantelfläche aufweist. Durch die kegelförmige Ausgestaltung des zum Hohlkörper hin angeordneten Abschnitts wird zusätzlich die Eigenfrequenz der Stifthülse erhöht.
Es ist von Vorteil, wenn jede der Stifthülsen zumindest in dem endständigen Abschnitt eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0, 1-0,4 mm, aufweist. Die geringe Wandstärke ermöglicht eine sehr direkte und schnelle Wärmeübertragung an das Messmedium. Dadurch werden schnelle Ansprechzeiten des Sensors bei Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Messmediums ermöglicht, allerdings sinkt bei dünnen Stifthülsen auch zusätzlich die Eigenfrequenz der Stifthülse. Dies wird durch die gestufte Form der erfindungsgemäßen Stifthülse jedoch kompensiert.
Die Wandstärke variiert vorteilhaft zumindest im Bereich des endständigen Abschnitts um weniger als 20%, vorzugsweise um weniger als 10%. Dadurch wird eine möglichst gleichmäßige Wärmeverteilung entlang der Stifthülse erreicht.
Für eine Druckstabilität und chemische Stabilität ist es von Vorteil, wenn das Sensorgehäuse aus Stahl und/oder Titan besteht.
Das metallische Sensorgehäuse kann einstückig ausgebildet sein und die Stifthülsen und der Hohlkörper können nahtfrei, insbesondere schweißnahtfrei, miteinander verbunden sein, wobei das Sensorgehäuse besonders bevorzugt als ein monolithisches Bauteil ausgebildet ist. Nahtfrei bedeutet im Kontext der vorliegenden Erfindung, dass weder eine Schweißnaht noch eine Klebe- oder Lötnaht als Verbindung zwischen den Stifthülsen und dem Hohlkörper vorhanden ist. Bei verschweißten Stifthülsen ändern sich die Wärmeübergänge mit der Temperatur, was bei einem größeren Temperaturwechsel zu einem Messfehler führen kann, dies wird bei dieser Ausführungsvariante jedoch vorteilhaft vermieden.
Es ist insbesondere von Vorteil, wenn das metallische Sensorgehäuse als ein monolithisches Bauteil ausgebildet ist. Das bedeutet, dass das Sensorgehäuse aus komplett einem Material gefertigt ist. Zwar sind durch generative Fertigungsverfahren auch Kombinationen aus mehreren Metallen oder Metalllegierungen, z.B. Stahl und Titan, realisierbar, diese sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst, jedoch gegenüber einer monolithischen Ausführung nicht bevorzugt.
Es ist von Vorteil, wenn zumindest der endständige Abschnitt der Stifthülse eine zylindrische Mantelfläche aufweist mit einem Durchmesser und dass sich der endständige Abschnitt über eine Länge erstreckt, wobei das Verhältnis größer oder gleich fünf, vorzugsweise größer oder gleich sieben, ist.
Um das thermische Durchflussmessgerät um weitere Funktionalitäten, z.B.
Sensordrifterkennung und/oder Richtungserkennung, zu ergänzen, weist das Sensorgehäuse vorteilhaft zumindest eine dritte Stifthülse und/oder ein Strömungshindernis auf, welche vorzugsweise parallel zur ersten und/oder zweiten Stifthülse verlaufen.
Zur Erhöhung der Eigenfrequenz ist es von Vorteil, wenn die dritte Stifthülse eine
Längsachse und eine endständige Stirnfläche aufweist,
wobei die dritte Stifthülse einen ersten Abschnitt aufweist mit der Stirnfläche und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand zur Längsachse d1 aufweist, und dass die Stirnfläche einen weiteren Abschnitt aufweist, welcher in die Grundfläche übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand zur Längsachse 62 aufweist, wobei der maximale Abstand d2 der Mantelfläche des weiteren Abschnitts zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand d1 der Mantelfläche des ersten Abschnitts zur Längsachse der Stifthülse hin.
Die Länge des endständigen Abschnitts kann vorteilhaft zumindest 2 mm, vorzugsweise 3-10 mm, und die Gesamtlänge einer Stifthülse zumindest 10 mm betragen.
Das Sensorgehäuse des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes kann mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, vorzugsweise mittels eines Strahlschmelzverfahrens hergestellt werden. Zwar sind entsprechende Sensorgehäuse auch über andere
Fertigungsverfahren, so z.B. durch Urformverfahren, insbesondere durch das Metal Injection
Molding realisierbar, allerdings hat sich gezeigt, dass besonders gute Fertigungstoleranzen und besonders dünnwandige Bauteile mit den vorgenannten bevorzugten
Fertigungsverfahren erreichbar sind. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese Beschreibung und die Figuren sind exemplarisch zu verstehen und in keinster Weise einschränkend für den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
Perspektivdarstellung eines Sensorgehäuses eines erfindungsgemäßei thermischen Durchflusssensors; und
Fig. 2 Schnittansicht des Sensorgehäuses der Fig. 1 ; und
Fig. 2a geschnittene Draufsicht des Sensorgehäuses der Fig. 1 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. Im Bereich der thermischen Durchflussmessung wird das aktive Sensorelement auch oft Heizer genannt. 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 Tem peratu rd ifferenz 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 Widerstandsthermometers 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. Die Heizleistung kann durch einen sogenannten Leistungskoeffizienten PC beschrieben werden.
Wird hingegen eine konstante Heizleistung eingespeist, so verringert sich infolge des Durchflusses des Mediums die Te m pe ratu rd iff e renz 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.
In Fig. 1 , 2 und 2a ist eine besondere Variante eines thermischen Durchflussmessgerätes näher dargestellt. Dabei erkennt man insbesondere das Gehäuse eines Messaufnehmers eines thermischen Durchflussmessgerätes. weiches nachfolgend als Sensorgehäuse 1 bezeichnet wird. Dieses Gehäuse ist aus Metall und kann als Einstecksensor ausgebildet sein oder fest, ggf. mit einem Zwischenstück, an der Innenwandung eines Messrohres festgelegt sein.
Zusätzlich zum Messaufnehmer weist das thermische Durchflussmessgerät
selbstverständlich auch eine Auswerteeinheit auf, welche jedoch aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist.
Das nachfolgend beschriebene Sensorgehäuse 1 eines Messaufnehmers stellt lediglich eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung dar und ist keineswegs beschränkend für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verstehen.
Das Sensorgehäuse 1 weist einen Hohlkörper 2 auf, welcher direkt oder durch ein
Zwischenstück an einer Halterung einer Einsteckvorrichtung, z.B. einer Einsteckstange, oder an einem Messrohr festgelegt werden kann.
Der Hohlkörper 2 weist eine plattenförmige Grundfläche 11 auf, ausgehend von welcher zumindest zwei, eine erste und eine zweite, Stifthülsen 3a und 3b in das Lumen, also das Innere eines Rohres, beispielsweise des Messrohres, hineinragen.
Der Hohlkörper 2 ist in der Ausführungsvariante der Fig. 1 und 2 kegelstumpfförmig dargestellt. Er kann allerdings auch eine andere Form, z.B. zylindrisch oder
pyramidenstumpfförmig, aufweisen.
In Fig. 1 , 2 und 2a sind insgesamt vier Stifthülsen dargestellt. Diese Variante ist bevorzugt, da mit dieser Gehäuseform mehrere Funktionalitäten, z.B. Drifterkennung und
Richtungserkennung, in einem thermischen Durchflussmessgerät vorteilhaft konstruktiv vereinigt werden können.
Zugleich zeigt die Ausführungsvariante der Fig. 1 und 2, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch kompliziertere Sensorgehäusevarianten realisierbar sind.
Die vorliegende Erfindung kann in einer vereinfachten Ausführungsvariante auch lediglich die zwei Stifthülsen 3a und 3b aufweisen. Die Stifthülsen sind mit dem Hohlkörper einstückig und verbindungsnahtfrei, insbesondere im Verbindungsbereich 12, verbunden. Als
Verbindungsnaht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißnaht, Klebenaht, Lötnaht und dergleichen zu verstehen. Besonders bevorzugt sind ist das Gehäuse, also die Gesamtheit aus Stifthülsen und Hohlkörper, monolithisch ausgebildet. Die erste und zweite Stifthülse 3a, 3b weisen jeweils eine mediumsberührende Stirnfläche 13 auf. Diese ist in Fig. 1 und 2 gewölbt, kann allerdings auch eben ausgebildet sein.
Die Stifthülsen 3a und 3b können jeweils gestuft ausgebildet sein, wodurch ein besseres Einführen und Positionieren eines Heizelements und/oder eines Temperatursensors in der Stifthülse durch die endständige Öffnung auf der mediumsabgewandten Seite der Stifthülse erfolgen kann.
Die geometrische Ausgestaltung einer jeweiligen Stifthülse 3a oder 3b ist dergestalt, dass ausgehend von der Stirnfläche 13 zunächst ein erster Abschnitt 8a mit zylindrischer
Stifthülsenwandung und einem ersten kontinuierlichen Zylindermanteldurchmesser d1 folgt. Sodann folgt ein zweiter Abschnitt 8b mit einer zylindrischen Stifthülsenwandung und einem zweiten kontinuierlichen Zylindermanteldurchmesser d2.
Alternativ kann auch der erste und/oder zweite Abschnitt eine konische Form aufweisen. In diesem Fall entspricht der Durchmesser d1 und/oder d2 einem gemittelten Wert.
Der Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 8a und 8b ist nicht abrupt, sondern weist ein kontinuierliches Anwachsen des Durchmessers vom ersten Durchmesser d1 auf einen zweiten Durchmesser d2 auf. Es handelt sich bei einer entsprechenden Stufung 9 daher nicht um einen abrupten sondern einen allmählichen Wechsel des Durchmessers. Sodann geht die Stifthülse in einem Übergangsbereich 10 in einen dritten Abschnitt 8c über, welcher kegelstumpfförmig ausgebildet ist und bei welchem der Durchmesser d allmählich im Verlauf des Kegelstumpfs bis zu einem Übergangsbereich 7 zum Hohlkörper 2 allmählich anwächst. Die Stifthülsen 3a und 3b weisen eine Länge 11 von zumindest 10 mm aufweisen.
Dem Abschnitt 8a ist gemäß der Definition der vorliegenden Erfindung die Stirnfläche 13 zugeordnet. In diesem Abschnitt 8a eines ersten der beiden Stifthülsen 3a und 3b ist ein nicht näher dargestelltes Heizelement bzw. ein Heizer angeordnet. Dies kann z.B. auch ein beheizbares Widerstandsthermometer sein. Das Heizelement muss nicht zwingend an der Stirnfläche oder Zylindermantelfläche der Stifthülse anliegen sondern kann vorzugsweise über eine Kupferbrücke mit der Wandung der Stifthülse thermisch gekoppelt sein. Gleiches gilt auch für die weiteren optionalen Stifthülsen. Eine entsprechende Anordnung und deren Vorteile sind in der DE 10 2008 015 359 A1 im Detail beschrieben.
Im Abschnitt 8a eines zweiten der beiden Stifthülsen 3a und 3b ist Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet. Dieser kann ebenfalls als beheizbares Widerstandsthermometer ausgebildet sein, wobei im Betrieb des thermischen
Durchflussmessgerätes vorzugsweise jeweils eines der Widerstandsthermometer aktiv beheizt und eines der Widerstandsthermometer unbeheizt betrieben werden kann.
Die Wandstärke der Stifthülsen 3a und 3b beträgt zumindest im Abschnitt 8a weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger oder gleich als 0,4 mm, insbesondere 0, 1 bis 0,4 mm. Aufgrund der dünnen Wandstärke kann ein besonders günstiger Wärmeübergang erreicht werden.
Die Länge 12 dieses Abschnitts 8a kann zumindest 2 mm. vorzugsweise jedoch 3-10 mm betragen.
Das Verhältnis der Länge 12 zum Durchmesser d1 ist für den ersten Abschnitt 8a
vorzugsweise größer als 5, besonders bevorzugt gleich oder größer als 7.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung beträgt das durchschnittliche Verhältnis 11/ d Mittelwert für die gesamte Stifthülse vorzugsweise größer als 4, wobei sich der Durchmesser immer auf die jeweilige Länge des Abschnitts der Stifthülse bezieht, in welchem der Durchmesser tatsächlich vorhanden ist. Im Falle eines Kegelstumpfes, wie in Abschnitt 8c, kann eine Mittelwertbildung der Durchmesser erfolgen.
Das Gehäuse 2 ist aus Metali gefertigt. Als besonders bevorzugtes Metall kann Stahl genutzt werden. Alternativ kann, z.B. für stark-korrosive Medien, auch Titan oder Hastalloy als Wandungsmaterial genutzt werden.
Zusätzlich kann das Gehäuse sodann noch mit einer metallischen Außenbeschichtung versehen werden, um ggf. die Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Medien zu erhöhen. Diese Außenbeschichtung zählt gemäß der vorliegenden Erfindung jedoch nicht zum Gehäuse 2 sondern als zusätzlich auf das Gehäuse aufgebrachte Materiallage.
Abweichend von der vorbeschriebenen Grundform für ein erfindungsgemäßes thermisches Durchflussmessgerät weist die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsvariante eine optionale Strömungsstörung 5 auf, welche als Stifthülse oder als Massivelement ausgebildet sein kann, sowie eine ebenfalls optionale dritte Stifthülse 4.
Die Strömungsstörung 5 weist gegenüber den ersten beiden Stifthülsen 3a und 3b zumindest in einem Endbereich mit einer Stirnfläche eine andere geometrische Querschnittsform auf. Insbesondere ist der Endbereich mit der Stirnfläche prismatisch bzw. prismenförmig ausgebildet. In der Ausführungsvariante der Fig. 1 und 2 ist die Querschnittsform als ein Dreieck ausgebildet. Die Strömungsstörung 5 ist in der dargestellten ersten
Strömungsrichtung D vor der dritten Stifthülse 5 angeordnet.
Die erste und die zweite Sensorhülse bilden eine gemeinsame Verbindungsachse aus. Die erste Strömungsrichtung D ist derart definiert, dass sie in einem Winkel von 80-100 zu der Verbindungsachse, auf einer Ebene die senkrecht zu den Längsachsen der beiden vorgenannten Sensorhülsen verläuft und auf der die Verbindungsachse liegt, angeordnet ist. Das Messmedium in der ersten Strömungsrichtung trifft zunächst auf das Strömungshindernis 4. Das dritte Sensorelement 5 liegt teilweise oder vollständig im Strömungsschatten dieses Strömungshindernisses 4.
Je nach Positionierung des Sensors in der Mediumsströmung kann es anstatt der ersten Strömungsrichtung D auch eine zweite in den Figuren nicht dargestellte Strömungsrichtung geben, welche zur ersten Strömungsrichtung D entgegengesetzt ist. In dieser
Strömungsrichtung wird die dritte Stifthülse direkt angeströmt.
Die derart angeordnete dritte Stifthülse 5, welche ebenfalls einen Heizer aufweist, kann zur Richtungserkennung genutzt werden.
Das allgemeine Verfahren zur Strömungsrichtungserkennung ist in den Druckschriften DE 10 2009 045 956 A1 und DE 10 2010 040 285 A1 beschrieben, auf welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollumfänglich Bezug genommen wird.
Es erfolgt dabei die Ermittlung eines Entscheidungskoeffizienten DC auf Grundlage zweier Leistungskoeffizienten bzw. Powerkoeffizienten PC1 und PC2. Im vorliegenden Fall bezieht sich ein Leistungskoeffizient PC1 auf den Heizer in einer der Stifthülsen 3a oder 3b und ein zweiter Leistungskoeffizient auf den Heizer in der dritten Stifthülse 4. Der
Entscheidungskoeffizient ermittelt sich wie folgt DC= (PC2-PC1 )/PC2. Durch Abgleich des Entscheidungskoeffizienten mit einem Grenzwert kann sodann entschieden werden, von welcher Richtung die Strömung D durch ein Rohr bzw. Messrohr fließt. Es ist klar, dass der Leistungskoeffizient des Heizers der dritten Stifthülse sich ändern wird, je nachdem ob sich die Stifthülse im Strömungsschatten des Strömungshindernisses 5 aufhält oder ob sie direkt angeströmt wird.
Wie man aus Fig. 1 und 2 erkennt, weist die dritte Stifthülse 4 eine geringere Gesamtlänge 13 gegenüber der Gesamtlänge der ersten und zweiten Hülsen 3a und 3b auf. Die Hülse weist, analog zu den Stifthülse 3a, 3b eine Stirnfläche 13 auf, welche einem ersten zylindrischen Abschnitt 8a der Stifthülse 4 zugeordnet ist. An diesen ersten Abschnitt schließt sich ein dritter Abschnitt 8c an, welcher analog zu den Hülsen 3a und 3b kegelförmig ausgebildet ist. Ein zweiter zylinderischer Abschnitt 8b fehlt bei dieser Stifthülse. In dieser kürzeren vierten Stifthülse 4 ist ebenfalls ein Heizer, z.B. ein beheizbares Widerstandsthermometer, angeordnet. Zudem weist das Strömungshindernis 5 auch eine geringere Gesamtlänge 13 auf als die Gesamtlänge 11 der ersten und der zweiten Stifthülse 3a und 3b. Durch die unterschiedlichen Ebenen senkrecht zu den Längsachsen der Stifthülsen auf welchem die Heizer angeordnet sind, wird die Durchflussmessung durch die Richtungserkennung nicht beeinflusst.
Es ist verständlich, dass die kürzere dritte Stifthülse 4 auch einen anderen
Anschmutzungsgrad aufweist. Daher kann auch durch Verhältnisbildung z.B. der
Leistungskoeffizienten des Heizers in der ersten oder zweiten Stifthülse 3a, 3b mit dem Heizer in der dritten Stifthülse 4 eine Einschätzung des Sensordrifts über die Betriebszeit des thermischen Durchflussmessgerätes getroffen werden. Ggf. kann eine Quantifizierung des Sensordrifts erfolgen und besonders bevorzugt Kompensation des Sensordrifts bei der Durchfiussmessung erfolgen.
Sofern das Strömungshindernis 5 als Sensorhülse genutzt wird, so kann auch in dieser Sensorhülse ein Heizer bzw. ein Heizelement, vorzugsweise ein beheizbares Widerstandsthermometer, eingesetzt werden. Bereits aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Form ist ein anderes Anschmutzungsverhalten dieser Stifthülse zu erwarten und damit ein anderer Sensordrift im Verlauf der Betriebsdauer des thermischen
Durchflussmessgerats. Beispielsweise durch Differenzbildung der Leistungskoeffizienten der verschiedenen Heizelemente kann verglichen werden, um wieviel Prozent die Differenzen während des Messbetriebes ändern, so dass ein Sensordrift noch zuverlässiger detektierbar und kompensierbar ist.
Optional kann das Gehäuse 1 einen Bügel 6 aufweisen, welcher die Anordnung der ersten und der zweiten Stifthülse 3a, 3b, der optionalen vierten Stifthülse 4 und des stiftförmige Element 5 bogenförmig überspannt und mit dem Hohlkörper 2 vorzugsweise ebenfalls monolithisch und nahtfrei verbunden ist. Dieser Bügel dient vorzugsweise als
strömungsführendes Element.
Ein monolithisches Sensorgehäuse mit zumindest zwei entsprechend langen dünnwandigen Stifthülsen ist zudem eine fertigungstechnische Herausforderung. Mittels Feinguss sind entsprechende Strukturen in kosten- und zeitintensiver Weise fertigbar. Die verwendeten Metallmaterialien müssen zudem auch für den Guss geeigneten sein. Für einen gelungenen Feinguss müssen u.a. viele Aspekte wie die Abkühlungsgeschwindigkeit und ggf.
Nach bearbeitungssch ritte zur Oberflächenbearbeitung beachtet werden. Ähnliche Nachteile treten auch bei Urformverfahren, z.B. dem sogenannten Metal Injection Molding (MIM) auf, welches grundsätzlich auch im Rahmen der Erfindung zur Herstellung des Sensorgehäuses genutzt werden kann. Der besondere Vorteil des MIM-Verfahrens ist eine vergleichsweise hohe Fertigungsgeschwindigkeit.
Besonders bevorzugt sind generative Fertigungsverfahren, wie Strahlschmelzverfahren, wie z.B. das selektives Laserschmelzen, welches auch als SLM-Verfahren bekannt ist, um einen derartigen Gegenstand mit entsprechend-dünner Wandstärke und entsprechender Länge der Stifthülsen zu fertigen.
Beim SLM-Verfahren kann ein Metallpulver in einer dünnen Schicht auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Das Metallpulver wird sodann durch Laserstrahlung lokal vollständig geschmolzen und erstarrt zu einer festen Materialschicht in einer Schichtdicke von typischerweise 15-150 μιτι. Sodann wird die Oberfläche um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und eine neue Materialschicht aufgetragen. Auf diese Weise bildet sich allmählich das Gehäuse 1 des Messaufnehmers heraus. Materialspannungen und korrosionsanfällige Nahtstellen sind dabei nicht vorhanden. Bezugszeichenliste
1 Sensorgehäuse
2 Hohlkörper
3a, 3b erste und zweite Stifthülse
4 dritte Stifthülse
5 Strömungsstörung
6 Bügel
7 Übergangsbereich
8a, 8b, 8c erster, zweiter und dritter Abschnitt
9 Stufung
10 Übergangsbereich
1 1 Grundfläche
12 Übergangsbereich
13 Stirnfläche d1 erster Durchmesser
d2 zweiter Durchmesser
11 Gesamtlänge der ersten oder zweiten Stifthülse
12 Länge des endständigen Abschnitts
13 Länge der dritten Stifthülse
D Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
Thermisches Durchflussmessgerat umfassend einen Sensor mit einem metallischen Sensorgehäuse (1 ), welches einen Hohlkörper (2) zum Anschluss an eine
Einsteckvorrichtung und/oder eine Rohrwandung aufweist, wobei der Hohlkörper (2) ein Grundfläche (1 1 ) aufweist;
wobei das Sensorgehäuse (1 ) zumindest eine erste und eine zweite Stifthülse (3a, 3b) aufweist, welche ausgehend von der Grundfläche (1 1 ) hervorstehen,
wobei die Stifthülsen (3a, 3b) jeweils eine Längsachse und jeweils eine endständige Stirnfläche (13) aufweisen,
wobei eine jede der beiden Stifthülsen einen ersten Abschnitt (8a) aufweist mit der Stirnfläche (13) und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand (d1 ) zur Längsachse aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Stifthülse (3a, 3b) einen weiteren Abschnitt (8c) aufweist, welcher in die Grundfläche (1 1 ) übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand (d2) zur Längsachse aufweist,
wobei der maximale Abstand
(d2) der Mantelfläche des weiteren Abschnitts (8c) zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand (d1 ) der Mantelfläche des ersten Abschnitts (8a) zur Längsachse der Stifthülse (3a, 3b) hin.
Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (8a) eine zylindrische Mantelfläche aufweist.
3. Thermisches Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Innendurchmesser des ersten Abschnitts (8a) kleiner oder gleich 4 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, ist.
4. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stifthülse (3a), insbesondere in dem endständigen Abschnitt (8a) dieser Stifthülse (3a), ein Heizer angeordnet ist und dass in der zweiten Stifthülse (3b), insbesondere in dem endständigen Abschnitt (8a) dieser Stifthülse (3b), ein Temperatursensor zur Ermittlung der Mediumstemperatur angeordnet ist.
5. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abschnitt (8c) der Stifthülse (3a, 3b) eine
kegelstumpfförmige Mantelfläche aufweist.
6. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass jede der Stifthülsen (3a, 3b) zumindest in dem endständigen Abschnitt (8a) eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 -0,4 mm, aufweist.
7. Thermisches Durchflussmessgerat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke zumindest im Bereich des endständigen Abschnitts (8a) um weniger als 20%, vorzugsweise um weniger als 10%, variiert.
8. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1 ) aus Stahl und/oder Titan und/oder Hastalloy besteht.
9. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Sensorgehäuse (1 ) einstückig ausgebildet ist und dass die Stifthülsen (3a, 3b) und der Hohlkörper (1 1 ) nahtfrei, insbesondere
schweißnahtfrei, miteinander verbunden sind, wobei das Sensorgehäuse besonders bevorzugt als ein monolithisches Bauteil ausgebildet ist.
10. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der endständige Abschnitt (8a) der Stifthülse (3a, 3b) eine zylindrische Mantelfläche aufweist mit einem Durchmesser (d1 ) und dass sich der endständige Abschnitt über eine Länge (12) erstreckt, wobei das Verhältnis (12/dl ) größer oder gleich fünf, vorzugsweise größer oder gleich sieben, ist.
1 1. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1 ) zumindest eine dritte Stifthülse (4) und/oder ein Strömungshindernis (5) aufweist, welche vorzugsweise parallel zur ersten und/oder zweiten Stifthülse (3a, 3b) verlaufen.
12. Thermisches Durchflussmessgerät, nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Stifthülse (5) eine Längsachse und eine endständige Stirnfläche (13) aufweist, wobei die dritte Stifthülse (5) einen ersten Abschnitt (8a) aufweist mit der Stirnfläche (13) und einer Mantelfläche, wobei die Mantelfläche einen maximalen Abstand zur
Längsachse (d1 ) aufweist,
wobei die Stifthülse (3a, 3b) einen weiteren Abschnitt (8c) aufweist, welcher in die Grundfläche (1 1 ) übergeht, mit einer Mantelfläche die einen maximalen Abstand zur Längsachse (d2) aufweist,
wobei der maximale Abstand (d2) der Mantelfläche des weiteren Abschnitts (8c) zumindest 20%, vorzugsweise zumindest 50%, größer ist als der maximale Abstand (d1 ) der Mantelfläche des ersten Abschnitts (8a) zur Längsachse der Stifthülse (3a, 3b) hin.
13. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (12) des endständigen Abschnitts (8a) zumindest 2 mm, vorzugsweise 3-10 mm, beträgt.
14. Thermisches Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge (11 ) einer Stifthülse (3a, 3b) zumindest 10 mm beträgt.
15. Verfahren zur Herstellung eines thermischen Durchflussmessgerätes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (1 ) mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, vorzugsweise mittels eines
Strahlschmelzverfahrens hergestellt wird.
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