Durchflussmessgerät und ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts

Die Erfindung betrifft einen Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät, ein thermisches Durchflussmessgerät mit einem erfindungsgemäßen Sensor und ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Sensors eines thermischen

Durchflussmessgeräts.

Thermische Durchflussmessgeräte werden seit langem dazu verwendet, den

Massed urchfluss eines Mediums durch eine Rohrleitung zu bestimmen. Dabei greifen solche Geräte im Wesentlichen auf zwei Messprinzipien zurück.

Bei einem ersten Messprinzip wird ein Sensor im durch die Rohrleitung strömenden Medium derart beheizt, dass seine Temperatur konstant bleibt. Unter Voraussetzung gleichbleibender Medieneigenschaften wie Temperatur, Dichte oder Zusammensetzung lässt sich über den zum Halten der Temperatur notwendigen Heizstrom auf den

Massedurchfluss des Mediums schließen. Bei variabler Medientemperatur bietet sich an, einen zweiten Sensor zur Temperaturmessung des Mediums zu verwenden.

Bei einem zweiten Messprinzip wird das strömende Medium mit einer konstanten Heizleistung beheizt und die Temperatur des Mediums stromabwärts gemessen. Ein höherer Massedurchfluss führt zu einer geringeren Messtemperatur und umgekehrt. Auch hier kann ein Sensor zur Temperaturüberwachung des Mediums sinnvoll sein. Bei den beheizten Sensoren ist eine reproduzierbare Fertigung wichtig um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Variiert die Lotschichtdicke von Sensor zu Sensor, so variiert auch der benötigte Heizstrom. Damit die Durchflussmessung korrekt funktioniert, ist es zwingend notwendig, dass die Temperaturanpassung zwischen Sensor und Medium schnell funktioniert und dass Schwankungen hinsichtlich dieser Größe zwischen einzelnen Sensoren möglichst gering ausfallen.

Ein typischer Sensor weist dabei einen Sensorbecher auf, in welchem ein

Sensorelement angeordnet ist und per Lotschicht an den Sensorbecher angeordnet ist. Hierbei ist eine gleichmäßige Dicke der Lotschicht zwischen Sensorbecher und

Sensorelement erwünscht, um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen. Aus dem technischen Bereich des Lötens sind Lösungen bekannt, welche zu einer geringen Totschichtdickenschwankung führen, jedoch nicht in zufriedenstellendem Ausmaß oder auf eine für Sensoren eines thermischen Durchflussmessgeräts unvorteilhafte Art und Weise. So zeigt die Patentschrift US4626478 einen Gegenstand mit Auswölbungen, welche einen Abstand zwischen dem Gegenstand und einem Substrat sicherstellen. Es ist jedoch sehr aufwendig, ein Sensorelement mit solchen Auswölbungen zu versehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor für ein thermisches

Durchflussmessgerät, ein thermisches Durchflussmessgerät und ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts vorzuschlagen, wobei der Abstand des Sensorelements zum Sensorbecher sichergestellt wird, ohne das Sensorelement aufwendig bearbeiten zu müssen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Sensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie ein thermisches Durchflussmessgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Sensors gemäß Anspruch 13.

Der erfindungsgemäße Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät umfasst: einen Sensorbecher, wobei der Sensorbecher eine erste Längsachse und eine

Mantelfläche sowie ein offenes Ende und ein geschlossenes zweites Ende mit einem Becherboden aufweist, wobei die Längsachse das erste Ende und das zweite Ende insbesondere senkrecht schneidet, und wobei eine in Richtung des ersten Endes gerichtete Bodenfläche des Becherbodens im Wesentlichen eben ist; und mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement im Sensorbecher im Bereich des Sensorbecherbodens angeordnet ist; und eine Lotschicht, welche dazu eingerichtet ist, das Sensorelement mit dem

Becherboden thermisch zu verbinden, wobei aus der Bodenfläche mindestens ein Vorsprung hervorsteht, welcher Vorsprung dazu eingerichtet ist, das Sensorelement definiert gegenüber der Bodenfläche zu positionieren, wobei das Sensorelement in direktem Kontakt zu dem mindestens einen Vorsprung steht. In einer Ausgestaltung weist der Sensorbecher bezüglich einer Querschnittsfläche senkrecht zur ersten Längsachse einen Innendurchmesser auf, wobei die

Querschnittsfläche einen in Richtung des offenen Endes höchsten Punkt eines

Vorsprungs enthält, wobei der Vorsprung einen Abstand zur ersten Längsachse aufweist, wobei der

Abstand kleiner als ein Drittel des Werts des Innendurchmessers ist,

In einer Ausgestaltung ist der mindestens eine Vorsprung dazu eingerichtet, einen konstanten Abstand zwischen der Bodenfläche und dem Sensorelement

sicherzustellen.

In einer Ausgestaltung des Sensors weist der Vorsprung eine Kontaktfläche auf, welche Kontaktfläche insbesondere eine ringförmige, mehreckige oder kreuzförmige Struktur bildet.

In einer Ausgestaltung des Sensors stehen aus der Bodenfläche mindestens zwei Vorsprünge hervor, wobei ein erster Vorsprung eine Linienvorsprung und ein zweiter Vorsprung ein Punktvorsprung oder ein Linienvorsprung ist. Ein Punktvorsprung hat dabei eine Geometrie, welche bei streng mathematischer Betrachtung eine

nulldimensionale punktförmige Auflage für das Sensorelement zur Folge hat. Bei Berücksichtigung physikalischer Gegebenheiten ist klar, dass die Punktförmigkeit der Auflage nur unter grober Vereinfachung dieser Gegebenheiten denkbar ist, so dass real eine flächige Auflage vorliegt, wobei diese flächige Auflage weniger als 1 % und insbesondere weniger als 1%o einer Grundfläche des Sensorelements einnimmt.

Äquivalent gilt für einen Linienvorsprung, dass dessen Geometrie bei streng

mathematischer Betrachtung eine eindimensionale linienförmige Auflagefläche zur Folge hat, wobei real eine flächige Auflage vorliegt, wobei diese flächige Auflage weniger als 5% und insbesondere weniger als 5%o einer Grundfläche des Sensorelements einnimmt

In einer Ausgestaltung des Sensors stehen aus der Bodenfläche drei Punktvorsprünge hervor, welche ein Dreieck aufspannen. In einer Ausgestaltung des Sensors steht der Vorsprung höchstens 200 μηη und insbesondere höchstens 150 μηη und bevorzugt höchstens 100 μηη aus der

Bodenfläche hervor.

In einer Ausgestaltung des Sensors steht der Vorsprung mindestens 20 μηη und insbesondere mindestens 50 μηη und bevorzugt mindestens 70 μηη aus der

Bodenfläche hervor.

In einer Ausgestaltung des Sensors weist der Sensorbecher im Bereich des

Becherbodens eine Wandstärke von höchstens 1.2 mm und insbesondere höchstens 1 mm und bevorzugt höchstens 0.8 mm auf.

In einer Ausgestaltung des Sensors weist der Sensorbecher im Bereich des

Becherbodens eine Wandstärke von mindestens 0.1 mm und mindestens 0.2 mm und bevorzugt mindestens 0.4 mm auf.

In einer Ausgestaltung des Sensors weist das Sensorelement einen Thermistor auf.

In einer Ausgestaltung des Sensors ist der Sensorbecher unter Nichtberücksichtigung des mindestens einen Vorsprungs im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Das erfindungsgemäße thermische Durchflussmessgerät zur Messung des

Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr mit mindestens einem erfindungsgemäßen Sensor umfasst: ein Messrohr mit einer zweiten Längsachse; mindestens einen Sensor, welcher in das Messrohr eingelassen ist; eine elektronische Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Sensor zu betreiben. In einer Ausgestaltung des Durchflussmessgerats umfasst das Durchflussmessgerät mindestens zwei Sensoren, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, mindestens einen ersten Sensor zu beheizen, insbesondere mit einem Heizstrom zu speisen, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Mediums mittels mindestens eines zweiten Sensors zu bestimmen,

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors für ein thermisches Durchflussmessgerät zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr weist dabei folgende Verfahrensschritte auf: Erzeugen von mindestens einem Vorsprung aus einer Bodenfläche eines

Becherbodens eines Sensorbechers;

Aufbringen einer Lotschicht auf dem Becherboden;

Schmelzen der Lotschicht und Andrücken eines Sensorelements gegen den Vorsprung, wobei das Sensorelement mittels einer Sensorelementgrundfläche Kontakt mit dem Vorsprung aufnimmt.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Erzeugen des Vorsprungs durch Prägen des Becherbodens mittels eines Gesenks, wobei das Gesenk eine Einkerbung aufweist, welche Einkerbung invers zum Vorsprung ist.

In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren zur Herstellung des Sensorbechers Tiefziehen, wobei der Becher aus einem Blech geformt wird.

Es werden also durch die vorliegende Erfindung ein Sensor eines thermischen

Durchflussmessgeräts, ein thermisches Durchflussmessgerät und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr vorgeschlagen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Sensorbechers sowie des Sensors anhand der Abbildungen 1.1 und 1.2, wobei Abbildung 1.1 eine schematische räumliche Darstellung auf einen längs geschnittenen Sensorbecher eines erfindungsgemäßen Sensors und Abbildung 1.2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor mit Sensorbecher und installiertem Sensorelement zeigt.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes

thermisches Durchflussmessgerät.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf zum Herstellen eines

erfindungsgemäßen Sensors. Fig. 1 , Abbildung 1.1 zeigt einen Sensorbecher 1 1 mit einer Mantelfläche 12, einem Becherboden 13 und einer Bodenfläche 14, wobei der Becherboden 13 Vorsprünge 15 aufweist, welche aus der Bodenfläche 14 des Becherbodens 13 in Richtung des offenen Endes 16 des Sensorbechers hervorstehen. Der Sensorbecher ist unter

Nichtberücksichtigung der Vorsprünge im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer ersten Längsachse 18, siehe Fig. 1 , Abbildung 1.2.

Fig. 1 Abbildung 1.2 zeigt einen Sensor 10, wobei im Sensorbecher 1 1 ein

Sensorelement 30 angeordnet ist, welches über eine Lotschicht 20 thermisch mit dem Becherboden 13 verbunden ist. Die durch die Vorsprünge 15 sichergestellte definierte Positionierung, insbesondere der gleichmäßige Abstand des Sensorelements 30 zum Becherboden 13 sorgt für einen gleichmäßigen Temperaturübergang mit geringen Schwankungen zwischen verschiedenen Sensoren, wobei das Sensorelement über eine Sensorelementgrundfläche in direktem Kontakt mit dem mindestens einen

Vorsprung steht, um einen thermischen Übergangswiderstand zwischen Sensorelement 30 und einem den Sensorbecher umströmenden Medium zu verringern. Idealerweise wird der Sensor dabei nicht über einen Außenbereich der Sensorelementgrundfläche auf dem mindestens einen Vorsprung gelagert. Insbesondere ragt der mindestens eine Vorsprung 15 aus einem Zentralbereich des Becherbodens hervor, wobei ein Abstand des mindestens einen Vorsprungs zur ersten Längsachse 18 weniger als ein Drittel eines Innendurchmessers der Bodenfläche 14 ist. Dadurch lässt sich eine Zerstörung des Sensorelements bei Anbringen des Sensorelements durch das Erzeugen von Biegemomenten im Sensorelement vermeiden.

Der Innendurchmesser bezieht sich dabei auf eine Querschnittsfläche senkrecht zur ersten Längsachse, wobei die Querschnittsfläche einen in Richtung des offenen Endes 16 höchsten Punkt zumindest eines Vorsprungs berührt,

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes

thermisches Durchflussmessgerät mit einem Messrohr 40, zwei erfindungsgemäße Sensoren 10, welche im Lumen des Messrohrs 40 angeordnet sind, und einer elektronischen Betriebsschaltung 50, welche dazu eingerichtet ist, die Sensoren zu betreiben.

Um den Massedurchfluss eines Mediums durch das Messrohr 40 zu messen, wird beispielsweise ein Sensor 10.1 im durch das Messrohr 40 strömenden Medium derart beheizt, dass eine Temperaturdifferenz gegenüber der Medientemperatur konstant bleibt. Es bietet sich an, einen zweiten Sensor 10.2 zur Temperaturmessung des Mediums zu verwenden, welcher vor oder wie in Fig. 2 gezeigt neben dem beheizten Sensor 10.1 angeordnet ist, um die Temperaturdifferenz zu halten. Unter

Voraussetzung gleichbleibender Medieneigenschaften wie Dichte oder

Zusammensetzung lässt sich über den zum Halten der Temperatur notwendigen Heizstrom auf den Massedurchfluss des Mediums schließen. Fig. 3 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Sensors 10.

In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird mindestens ein Vorsprung aus der

Bodenfläche 14 des Becherbodens 13 des Sensorbechers 1 1 erzeugt. Dies geschieht beispielsweise durch Prägen, wobei der Sensorbecher beispielsweise durch ein Tiefziehverfahren aus einem Blech hergestellt ist;

In einem zweiten Verfahrensschritt 102 wird die Lotschicht 20 auf dem Becherboden 13 aufgebracht; In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird die Lotschicht 20 geschmolzen und das mindestens eine Sensorelement 30 gegen den mindestens einen Vorsprung 15 gedrückt;

Bei nachfolgendem Abkühlen der Lotschicht 20 unter deren Schmelzpunkt behält das Sensorelement 30 einen festen Abstand zum Becherboden 13 bei und ist mit diesem über die Lotschicht 20 thermisch verbunden.

Bezugszeichenliste

10 Sensor

10.1 Beheizter Sensor

10.2 Sensor zur Temperaturmessung

1 1 Sensorbecher

12 Mantelfläche

13 Becherboden

14 Bodenfläche

15 Vorsprung

15.1 Punktvorsprung

16 Offenes Ende

17 Geschlossenes Ende

18 Erste Längsachse

20 Lotschicht

30 Sensorelement

40 Messrohr

50 Elektronische Betriebsschaltung