Durchflussmessgeräts zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr und ein Sensor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts und einen Sensor.

Sensoren zur Messung eines Massestroms werden seit langer Zeit im Wesentlichen auf zwei verschiedene Arten eingesetzt. In einem Fall wird eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Sensoren in einem Massestrom konstant gehalten. In einem zweiten Fall wird durch ein oder mehrere aktive Sensorelemente in einen Massestrom eine

Wärmemenge eingeführt, welche Wärmemenge stromabwärts durch ein oder mehrere passive Sensorelemente registriert werden, siehe beispielsweise die

Offenlegungsschrift DE102009028848A1.

Sensoren weisen üblicherweise eine metallische Hülle auf, welche mit dem durch das Messrohr strömenden Medium in Kontakt tritt. Die metallische Hülle weist in ihrem Inneren ein Sensorelement auf, wobei für die Temperaturmessung häufig auf die Messung eines temperaturabhängigen Widerstands zurückgegriffen wird.

Der Stand der Technik umfasst Sensoren, bei denen ein Sensorkern in eine Hülle eingeführt wird, wobei die Hülle einen geringfügig größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Sensorkerns aufweist. In Folge dessen bestehen Probleme bei der Herstellung eines ausreichend guten thermischen Kontakts zwischen der

metallischen Hülle und dem Sensorkern, wodurch der Einsatz einer Vergussmasse notwendig wird.

Eine Möglichkeit auf den Einsatz einer Vergussmasse zu verzichten entsteht dadurch, dass die Metallhülle durch Einwirken eines hohen Außendrucks auf den Sensorkern gepresst wird. So kann ein ausreichend guter thermischer Kontakt hergestellt werden. Beispielsweise zeigt die Offenlegungsschrift US5880365A einen Sensor, bei dem eine metallische Hülle durch Hydroforming auf ein Sensorkern gepresst wird. Jedoch besteht bei dieser Herstellungsmethode die Gefahr, dass sich die Pressung während des Pressvorgangs ungleichmäßig ausbildet und somit das Sensorelement aufgrund ungleichmäßiger mechanischer Belastung beschädigt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts und einen Sensor vorzuschlagen, bei welchem auf den Einsatz einer Vergussmasse verzichtet werden kann und das Risiko einer

Beschädigung während der Herstellung minimiert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß dem

unabhängigen Anspruch 1 und durch einen Sensor gemäß dem unabhängigen

Anspruch 8. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Sensors weist dabei folgende Verfahrensschritte auf:

Herstellen einer metallischen Ummantelung mittels eines

Metallpulverspritzgußverfahrens, wobei die Ummantelung mindestens ein erstes Sackloch aufweist, wobei ein erstes Ende der Ummantelung offen ist, und wobei ein zweites Ende der Ummantelung geschlossen ist;

Einbringen eines Sensorkerns in das erste Sackloch der metallischen Ummantelung durch das erste Ende, wobei die Ummantelung den Sensorkern vollständig umfasst;

Sintern der metallischen Ummantelung, wobei der Sensorkern umfasst: mindestens einen keramischen Kern, welcher mindestens eine Mantelfläche aufweist; und mindestens einen metallischen Draht, welcher um die Mantelfläche des

keramischen Kerns herumgewickelt ist; und mindestens eine elektrisch isolierende Schicht, welche dazu eingerichtet ist, den metallischen Draht von der metallischen Ummantelung elektrisch zu isolieren. In einer Ausgestaltung des Verfahrens schrumpft die Ummantelung durch das Sintern, wobei der Querschnitt des ersten Sacklochs vor Sintern der Ummantelung größer ist als der Querschnitt des Sensorkerns, und wobei nach Sintern der Ummantelung der Querschnitt des ersten Sacklochs gleich dem Querschnitt des Sensorkerns ist, und wobei die Ummantelung nach dem Sintern den Sensorkern vollständig umfasst und einen thermischen Kontakt zum Sensorkern herstellt. In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfordert nach Sintern ein Lösen des

Sensorkerns von der Ummantelung eine Zugkraft von mindestens 1 N und

insbesondere mindestens 10 N und bevorzugt mindestens 100 N.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist das Metallpulver zur Herstellung der Ummantelung mittels eines Metallpulverspritzgußverfahrens eine Korngröße kleiner als 6 Mikrometer, und insbesondere kleiner als 4 Mikrometer und bevorzugt kleiner als 2 Mikrometer auf. Die Korngröße hat einen starken Einfluss auf die Dichtheit und

Festigkeit der gesinterten metallischen Ummantelung, je kleiner die Korngröße desto dichter und desto stärker wirkt sich die Kohäsion zwischen einzelnen Körnern der metallischen Ummantelung aus. Es hat sich gezeigt, dass ab einer Korngröße von 6 Mikrometern und kleiner eine ausreichende Dichtheit und Stabilität der metallischen Ummantelung gegeben ist.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens nimmt das Volumen der Ummantelung durch das Sintern nach Einsetzen des Sensorkerns weniger als 40% und insbesondere weniger als 30% und bevorzugt weniger als 20% ab. In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist der keramische Kern eine hohlzylindrische Struktur mit einem offenen dritten Ende und einem offenen vierten Ende auf, wobei der metallische Draht durch das vierte Ende zum dritten Ende geführt ist, und wobei das dritte Ende des keramischen Kerns zum offenen ersten Ende der Ummantelung zeigt und wobei das vierte Ende des keramischen Kerns zum

geschlossenen zweiten Ende der Ummantelung zeigt.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens weist der keramische Kern eine hohlzylindrische Struktur mit einem zweiten Sackloch und einem offenen dritten Ende und einem fünften Ende auf, wobei der keramische Kern des Weiteren im Bereich des fünften Endes eine radiale Bohrung zum zweiten Sackloch aufweist, wobei der metallische Draht durch die radiale Bohrung zum dritten Ende geführt ist, und wobei das dritte Ende des keramischen Kerns zum offenen ersten Ende der Ummantelung zeigt und wobei das fünfte Ende des keramischen Kerns zum

geschlossenen zweiten Ende der Ummantelung zeigt. Das fünfte Ende kann dabei offen oder geschlossen sein.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr mittels eines thermischen Durchflussmessgeräts umfasst dabei: mindestens eine metallische Ummantelung, wobei die Ummantelung mindestens ein erstes Sackloch aufweist, wobei ein erstes Ende der Ummantelung offen ist, und wobei ein zweites Ende der Ummantelung geschlossen ist; und mindestens einen Sensorkern mit mindestens einen keramischen Kern, welcher mindestens eine Mantelfläche aufweist, und mit mindestens einen metallischen Draht, welcher um die Mantelfläche des keramischen Kerns herumgewickelt ist; wobei der Sensorkern in das erste Sackloch eingebracht ist, so dass die Ummantelung den Sensorkern vollständig umfasst; wobei der Sensorkern mindestens eine elektrisch isolierende Schicht aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den metallischen Draht von der metallischen Ummantelung elektrisch zu isolieren. In einer Ausgestaltung des Sensors weist die Wicklung mindestens 10 und

insbesondere mindestens 30 und bevorzugt mindestens 50 Windungen auf.

Idealerweise ist der Draht im Bereich der Wicklung eng gewunden, so dass eine Widerstandskonzentration in einem kleinen Bereich des Sensorkerns stattfindet. Der Draht kann zumindest im Bereich der Wicklung eine isolierende Schicht aufweisen, so dass im Bereich der Wicklung die Windungen seitlichen Kontakt annehmen können, ohne einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Windungen herzustellen.

In einer Ausgestaltung des Sensors ist die elektrisch isolierende Schicht ein

keramisches Pulver oder eine keramische Paste. In einer Ausgestaltung des Sensors ist der keramische Kern ein Hohlzylinder und weist ein offenes drittes Ende und ein offenes viertes Ende auf, wobei der metallische Draht durch das vierte Ende zum dritten Ende geführt ist, und wobei das dritte Ende des keramischen Kerns zum offenen ersten Ende der Ummantelung zeigt und wobei das vierte Ende des keramischen Kerns zum

geschlossenen zweiten Ende der Ummantelung zeigt.

In einer Ausgestaltung des Sensors weist der keramische Kern eine hohlzylindrische Struktur mit einem zweiten Sackloch und einem offenen dritten Ende und einem fünften Ende auf, wobei der keramische Kern des Weiteren im Bereich des fünften Endes eine radiale Bohrung zum zweiten Sackloch aufweist, wobei der metallische Draht durch die radiale Bohrung zum dritten Ende geführt ist, und wobei das dritte Ende des keramischen Kerns zum offenen ersten Ende der Ummantelung zeigt und wobei das fünfte Ende des keramischen Kerns zum

geschlossenen zweiten Ende der Ummantelung zeigt. Das fünfte Ende kann dabei offen oder geschlossen sein.

In einer Ausgestaltung des Sensors ist der Draht aus einem Metall oder einer Legierung mit einer Schmelztemperatur größer als 1300 °C und insbesondere größer als 1500 °C und bevorzugt größer als 1800 °C wie beispielsweise Platin oder Wolfram oder Tantal gefertigt. In einer Ausgestaltung des Sensors ist der Durchmesser des Drahts im Bereich der

Wicklung kleiner als 0.3 mm und insbesondere kleiner als 0.1 mm und bevorzugt kleiner als 0.05 mm. Durch einen verkleinerten Drahtdurchmesser im Bereich der Wicklung kann der Widerstand im Bereich der Wicklung im Vergleich zum restlichen Draht weiter erhöht werden, so dass eine weitere Widerstandskonzentration im Bereich der Wicklung erreicht wird.

In einer Ausgestaltung des Sensors ist der äußere Durchmesser des keramischen Kerns kleiner als 5 mm und insbesondere kleiner als 4 mm und bevorzugt kleiner als 2.5 mm. In einer Ausgestaltung des Sensors weist der keramische Kern eine Längsachse auf, wobei die Länge des keramischen Kerns entlang der Längsachse mindestens 3 mm und bevorzugt mindestens 5 mm und insbesondere mindestens 10 mm und höchstens 100 mm und insbesondere höchstens 60 mm und bevorzugt höchstens 30 mm ist. In einer Ausgestaltung des Sensors ist die Wicklung im Bereich des vierten Endes angeordnet und weist entlang der Längsachse eine Ausdehnung von höchstens 7 mm und bevorzugt höchstens 5 mm und insbesondere höchstens 3 mm auf. Durch eine kleine Ausdehnung des Wicklungsbereichs lässt sich die Temperatur des Medium punktuell auslesen. In einer Ausgestaltung des Sensors ist die Wandstärke der Ummantelung mindestens 0.05 mm und insbesondere mindestens 0.1 mm und bevorzugt mindestens 0.15 mm und höchstens 1 mm und insbesondere höchstens 0.6 mm und bevorzugt höchstens 0.3 mm.

Es werden also durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr und ein Sensor eines thermischen

Durchflussmessgeräts vorgeschlagen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf zum Herstellen eines

erfindungsgemäßen Temperatursensors.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße metallische Ummantelung mit Sensorkern vor und nach dem Sintern.

Fig. 3a zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Sensorkern gemäß einer ersten Ausführungsform. Fig. 3b zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Sensorkern gemäß einer zweiten Ausführungsform. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrensablaufs 100 zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Temperatursensors. In einem ersten Schritt 101 wird dabei eine metallische Ummantelung 10 für einen Sensorkern 50, 51 eines Sensors 60 für ein thermisches Durchflussmessgerät mittels eines Metallpulverspritzgußverfahrens hergestellt. In einem zweiten Schritt 102 wird der Sensorkern 50, 51 in die metallische Ummantelung 10 eingebracht. Durch Sintern der metallischen Ummantelung 10 in einem dritten Schritt 103 mit eingebrachtem Sensorkern 50, 51 schrumpft die metallische Ummantelung 10 bis sie den Sensorkern 50, 51 fest hält und einen guten thermischen Kontakt sicherstellt. Der Sensorkern lässt sich dabei erst durch Zugkräfte von mindestens 1 N von der metallischen Ummantelung 10 lösen.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform den Sensor 60 vor und nach dem Sintern. Fig. 2a zeigt den Sensor 60 vor dem Sintern, wobei die metallische Ummantelung 10 den Sensorkern 50, 51 vollständig umfasst aber nicht festhält. Ein Draht 30 wird dabei durch ein offenes erstes Ende 12 der metallischen Ummantelung 10, welche ein Sackloch 1 1 ausbildet geführt und zu einer Betriebselektronik geführt, welche Betriebselektronik dazu eingerichtet ist, den Sensor 60 zu betreiben. Idealerweise ist der Sensorkern 50, 51 bei Beginn des Sinterns in Kontakt mit einem geschlossenen zweiten Ende 13 der metallischen Ummantelung 10. Durch Sintern schrumpft die metallische Ummantelung 10, bis der Innendurchmesser der metallischen Ummantelung die Größe des

Außendurchmessers des Sensorkerns 60 annimmt, siehe Fig. 2b.

Fig. 3 zeigt schematisch zwei erfindungsgemäße Ausführungsformen des Sensorkerns 50, 51. Fig. 3a zeigt einen Sensorkern 50 mit einem keramischen Kern 40 mit einer Mantelfläche 47. Der keramische Kern 40 weist eine hohlzylindrische Struktur mit einem offenen dritten Ende 42 und mit einem offenen vierten Ende 43 auf, wobei der metallische Draht 30 von der Mantelfläche 47 durch das vierte Ende 43 zum dritten

Ende 42 geführt ist. Fig. 3a zeigt einen Sensorkern 51 , dessen keramischer Kern 40 im Gegensatz zur in Fig. 3a gezeigten Ausführungsform im Bereich des fünften Endes 44 eine Bohrung 45 aufweist, durch welche Bohrung 45 der Draht 30 von der Mantelfläche zum offenen dritten Ende 42 geführt wird. Das fünfte Ende 42 kann dabei auch ein geschlossenes Ende sein. Die Wicklung des Drahts 30 um die Mantelfläche 47 des keramischen Kerns 50, 51 konzentriert sich dabei in beiden Ausführungsformen auf einen begrenzten Bereich, um eine Widerstandskonzentration innerhalb des Bereichs zu bewirken. Der Sensor 60 lässt sich auf mehrere Arten und Weisen betreiben.

Einerseits kann er zürn Erwärmen eines ihn umströmenden Mediums verwendet werden, andererseits kann er zürn Messen der Temperatur des Mediums und/oder des Sensors verwendet werden. In allen Fällen ist eine Widerstandskonzentration auf einen begrenzten Bereich vorteilhaft. Der Sensorkern 50, 51 weist eine elektrisch isolierende Schicht 20 auf, welche den Draht 30 von der metallischen Ummantelung 10 elektrisch isoliert, wobei die elektrisch isolierende Schicht 20 ein keramisches Pulver oder eine keramische Paste ist.

Bezugszeichenliste

Metallische Ummantelung 10

Erstes Sackloch 1 1 Erstes Ende 12

Zweites Ende 13

Elektrisch isolierende Schicht 20

Draht 30

Keramischer Kern 40 Drittes Ende 42

Viertes Ende 43

Fünftes Ende 44

Radiale Bohrung 45

Längsachse 46 Mantelfläche 47

Sensorkern 50, 51

Sensor 60