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Title:
SENSOR FOR A THERMAL FLOWMETER, THERMAL FLOWMETER, AND METHOD FOR PRODUCING A SENSOR OF A THERMAL FLOWMETER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/028966
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sensor (10) of a thermal flowmeter, to a thermal flowmeter, and to a method for producing such a sensor (10). The sensor (10) has a sensor cup (11), spacers (15) guaranteeing a defined distance of a sensor element (30) from a cup base (13) of the sensor cup such that a good temperature transfer between the sensor (10) and a medium flowing around the sensor is ensured. Thermal contact between the cup base (13) and the sensor element (30) is established by means of a solder layer (20).

Inventors:
SCHULTHEIS, Hanno (Nassacher Str. 9, 3257 Grossaffoltern, 3257, CH)
GRÜN, Alexander (Arndtstr. 13, Lörrach, 79539, DE)
GABERTHÜEL, Stephan (Hohestr. 123b, 4104 Oberwil, 4104, CH)
Application Number:
EP2017/068367
Publication Date:
February 15, 2018
Filing Date:
July 20, 2017
Export Citation:
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Assignee:
ENDRESS+HAUSER FLOWTEC AG (Kägenstr. 7, 4153 Reinach, 4153, CH)
International Classes:
G01F1/684; G01K17/10
Foreign References:
EP2455725A12012-05-23
US20110041597A12011-02-24
US4626478A1986-12-02
DE102016111701A2016-06-27
Other References:
THOMAS HERBOTH: "Gesinterte Silber-Verbindungsschichten unter thermomechanischer Beanspruchung Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Technischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau", 2015, XP055413624, Retrieved from the Internet [retrieved on 20171010]
Attorney, Agent or Firm:
ANDRES, Angelika (Colmarer Str. 6, Endress+Hauser AG+Co. KG, Weil am Rhein, 79576, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Sensor (10) für ein thermisches Durchflussmessgerät, umfassend:

Einen Sensorbecher (1 1 ), wobei der Sensorbecher eine erste Längsachse (18) und eine Mantelfläche (12) sowie ein offenes erstes Ende (16) und ein geschlossenes zweites Ende (17) mit einem Becherboden (13) aufweist, wobei die erste Längsachse (18) das erste Ende und das zweite Ende insbesondere senkrecht schneidet, und wobei eine in Richtung des ersten Endes gerichtete Bodenfläche (14) des Becherbodens (13) im Wesentlichen eben ist; und mindestens ein Sensorelement (30), wobei das Sensorelement im Sensorbecher (1 1 ) im Bereich des Becherbodens (13) angeordnet ist; und eine Lotschicht (20), welche dazu eingerichtet ist, das Sensorelement (30) mit dem Becherboden (13) thermisch zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (30) durch mindestens einen Abstandshalter (15) definiert gegenüber der Bodenfläche (14) positioniert ist, wobei der Abstandshalter (15) eine ausgehärtete Sinterpaste aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1 , wobei der mindestens eine Abstandshalter (15) dazu eingerichtet ist, einen konstanten Abstand zwischen der Bodenfläche (14) und dem Sensorelement (30) sicherzustellen. 3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Abstandshalter (15) eine Kontaktfläche aufweist, welche Kontaktfläche insbesondere eine ringförmige, mehreckige oder kreuzförmige Struktur bildet.

4. Sensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei das Sensorelement (30) durch mindestens drei Abstandshalter (15) definiert gegenüber der Bodenfläche (14) positioniert ist, und wobei die Abstandshalter (15) ein Vieleck mit einer Eckenzahl entsprechend ihrer Anzahl aufspannen.

5. Sensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Abstandshalter (15) eine beabstandende Höhe von höchstens 200 μηη und insbesondere höchstens 150 μηη und bevorzugt höchstens 100 μηη aufweisen.

6. Sensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Abstandshalter (15) eine beabstandende Höhe mindestens 20 μηη und insbesondere mindestens 50 μηη und bevorzugt mindestens 70 μηη aufweisen. 7. Sensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei der Sensorbecher (1 1 ) im Bereich des Becherbodens (13) eine Wandstärke von höchstens 1.2 mm und insbesondere höchstens 1 mm und bevorzugt höchstens 0.8 mm aufweist.

8. Sensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei der Sensorbecher (1 1 ) im Bereich des Becherbodens (13) eine Wandstärke von mindestens 0.1 mm und mindestens 0.2 mm und bevorzugt mindestens 0.4 mm aufweist.

9. Sensor nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, wobei die Sinterpaste dazu eingerichtet ist, während des Aushärtens höchstens 20%, und insbesondere höchstens 15% und bevorzugt höchstens 13% eines Volumens vor dem Aushärten zu verringern.

10. Thermisches Durchflussmessgerät zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr mit mindestens einem erfindungsgemäßen Sensor, insbesondere nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das thermische Durchflussmessgerät umfasst: ein Messrohr (40) mit einer zweiten Längsachse; mindestens einen Sensor (10), welcher in das Messrohr (40) eingelassen ist; eine elektronische Betriebsschaltung (50), welche dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Sensor zu betreiben, 1 1. Durchflussmessgerät nach Anspruch 10, wobei das thermische Durchflussmessgerät mindestens zwei Sensoren (10) umfasst, wobei die elektronische Betriebsschaltung (50) dazu eingerichtet ist, mindestens einen ersten Sensor (10.1 ) zu beheizen, wobei die elektronische Betriebsschaltung (50) dazu eingerichtet ist, die Temperatur des Mediums mittels mindestens eines zweiten Sensors (10.2) zu bestimmen,

12. Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors für ein

thermisches Durchflussmessgerät zur Messung des Massedurchflusses eines Mediums in einem Messrohr insbesondere nach einem der vorigen Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

Anbringen mindestens eines Abstandhalters auf einer einem Becherboden

zuzuwendenden Seite eines Sensorelements, wobei der Abstandshalter eine aushärtbare Sinterpaste ist, und Aushärten des Abstandshalters;

Aufbringen einer Lotschicht auf dem Becherboden; Schmelzen der Lotschicht und Andrücken des Sensorelements mit dem Abstandshalter gegen den Becherboden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aushärten des Abstandshalters (15) ein Erhitzen des Sensorelements (30) mit Abstandshalter auf mindestens 20 °C und insbesondere mindestens 50 °C und bevorzugt mindestens 100 °C oberhalb der Schmelztemperatur des Lotmaterials umfasst.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Anbringen des Abstandshalters (30) mittels einer Schablone geschieht, welche auf einer dem Becherboden (13) zuzuwendenden Seite des Sensorelements (30) angelegt wird, wobei die Schablone mindestens ein Loch aufweist, in welches Loch die Sinterpaste eingebracht wird, wobei die Füllmenge der Sinterpaste in dem Loch durch Rakeln eingestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schablone zumindest im Bereich des Lochs elektropoliert ist, so dass die Sinterpaste beim Entfernen der Schablone von der dem Becherboden zuzuwendenden Seite des Sensorelements an der Seite des Sensorelements verbleibt.

Description:
Sensor für ein thermisches Durchflussmessgerät, ein thermisches

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 langen 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 mit dem Sensorbecher thermisch gekoppelt 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 Lotschichtdickenschwankung 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. Die noch unveröffentlichte Patentanmeldung

DE1020161 1 1701.3 umgeht dieses Problem durch Prägen eines Sensorbecherbodens dergestalt, dass die Prägungen einen definierten Abstand des Sensorelements zu einer zum Sensorelement gerichteten Seite des Sensorbecherbodens herstellen. Das Prägen des Sensorbechers ist allerdings mit großem Aufwand verbunden und geht mit

Verschleiß des dazu verwendeten Prägestempels einher.

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

Durchflussmessgerät, ein thermisches Durchflussm essgerät und ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors eines thermischen Durchflussmessgeräts vorzuschlagen, wobei der Abstand des Sensorelements zum Sensorbecher sichergestellt wird, ohne das Sensorelement oder den Sensorbecher 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 10 und ein Verfahren zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Sensors gemäß Anspruch 12.

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 erste 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 Becherbodens angeordnet ist; und eine Lotschicht, welche dazu eingerichtet ist, das Sensorelement mit dem

Becherboden thermisch zu verbinden, wobei das Sensorelement durch mindestens einen Abstandshalter definiert gegenüber der Bodenfläche positioniert ist, und wobei der Abstandshalter eine ausgehärtete Sinterpaste aufweist.

In einer Ausgestaltung des Sensors ist der mindestens eine Abstandshalter dazu eingerichtet, einen konstanten Abstand zwischen der Bodenfläche und dem

Sensorelement sicherzustellen.

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

In einer Ausgestaltung des Sensors ist das Sensorelement durch mindestens drei Abstandshalter definiert gegenüber der Bodenfläche positioniert ist, wobei die

Abstandshalter ein Vieleck mit einer Eckenzahl entsprechend ihrer Anzahl aufspannen.

In einer Ausgestaltung des Sensors weisen die Abstandshalter eine beabstandende Höhe von höchstens 200 μηη und insbesondere höchstens 150 μηη und bevorzugt höchstens 100 μηη auf. In einer Ausgestaltung des Sensors weisen die Abstandshalter eine beabstandende Höhe mindestens 20 μηη und insbesondere mindestens 50 μηη und bevorzugt mindestens 70 μηη auf.

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 ist die Sinterpaste dazu eingerichtet, während des Aushärtens höchstens 20%, und insbesondere höchstens 15% und bevorzugt höchstens 13% eines Volumens vor dem Aushärten zu verringern. Insbesondere findet die Verringerung des Volumens definiert statt, so dass alle am Sensorbecher angebrachten Abstandshalter gleichmäßig schrumpfen.

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; und eine elektronische Betriebsschaltung, welche dazu eingerichtet ist, den mindestens einen Sensor zu betreiben,

In einer Ausgestaltung des Durchflussmessgeräts umfasst das thermische

Durchflussmessgerät mindestens zwei Sensoren, wobei die elektronische Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, mindestens einen ersten Sensor zu beheizen, 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: Anbringen mindestens eines Abstandhalters auf einer einem Becherboden

zuzuwendenden Seite eines Sensorelements, wobei der Abstandshalter eine aushärtbare Sinterpaste ist, und Aushärten des Abstandshalters; Aufbringen einer Lotschicht auf dem Becherboden;

Schmelzen der Lotschicht und Andrücken des Sensorelements mit dem Abstandshalter gegen den Becherboden.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Aushärten des Abstandshalters ein Erhitzen des Sensorelements mit Abstandshalter auf mindestens 20 °C und

insbesondere mindestens 50 °C und bevorzugt mindestens 100 °C oberhalb der Schmelztemperatur des Lotmaterials.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens geschieht das Anbringen des Abstandshalters mittels einer Schablone, welche auf der dem Becherboden zuzuwendenden Seite des Sensorelements angelegt wird, wobei die Schablone mindestens ein Loch aufweist, in welches Loch die Sinterpaste eingebracht wird, wobei die Füllmenge der Sinterpaste in dem Loch durch Rakeln eingestellt wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Schablone zumindest im Bereich des Lochs elektropoliert, so dass die Sinterpaste bei Entfernen der Schablone von der dem Becherboden zuzuwendenden Seite des Sensorelements an der Seite des

Sensorelements verbleibt.

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 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 zeigt.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorelements anhand der

Abbildungen 2.1 und 2.2, wobei Abbildung 2.1 eine Aufsicht auf das Sensorelement mit daran angebrachten Abstandshaltern zeigt, und wobei Abbildung 2.2 eine Seitenansicht auf ein Sensorelement mit daran angebrachten Abstandshaltern zeigt.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes

thermisches Durchflussmessgerät. Fig. 4 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf zum Herstellen eines

erfindungsgemäßen Sensors.

Fig. 1.1 und 1.2 zeigen einen Sensorbecher 1 1 mit einer Mantelfläche 12, einem

Becherboden 13 und einer Bodenfläche 14. Der Sensorbecher ist unter

Nichtberücksichtigung von Vorsprüngen im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer ersten Längsachse 18.

Fig. 1.2 zeigt einen Sensor 10, wobei im Sensorbecher 11 ein Sensorelement 30 angeordnet ist, welches über eine Lotschicht 20 thermisch mit dem Becherboden 13 verbunden ist. Die durch die Abstandshalter 15 definierte Positionierung, insbesondere der gleichmäßige Abstand des Sensorelements 30 zum Becherboden 13 sorgt für einen gleichmäßigen Temperaturübergang mit geringen Schwankungen zwischen

verschiedenen Sensoren.

Fig. 2 zeigt ein Sensorelement 30 mit drei an einer dem Becherboden 13

zuzuwendenden Seite des Sensorelements angebrachten Abstandshaltern 15. Die Abstandshalter 15 können beispielsweise mit Hilfe einer an die dem Becherboden 13 zuzuwendende Seite des Sensorelements 30 angelegte Schablone mit mindestens einer Öffnungen angebracht werden, wobei eine aushärtbare Sinterpaste in die mindestens eine Öffnung eingebracht wird. Durch Rakeln kann dabei sichergestellt werden, dass eine dem Becherboden 13 zuzuwendende Seite der aushärtbaren

Sinterpaste glatt mit der Schablone abschließt. Somit ist eine ausreichende Genauigkeit der beabstandenden Höhe der Abstandshalter 15 sichergestellt.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes

thermisches Durchflussmessgerät mit einem Messrohr 40, zwei erfindungsgemäßen 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 erster 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. 4 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Sensors 10.

In einem ersten Verfahrensschritt 101 wird mindestens ein Abstandhalter 15 auf einer einem Becherboden 13 zuzuwendenden Seite eines Sensorelements 30 angebracht, wobei der Abstandshalter 15 eine aushärtbare Sinterpaste ist;

In einem zweiten Verfahrensschritt 101 wird der Abstandshalter 15 ausgehärtet.

In einem dritten Verfahrensschritt 103 wird die Lotschicht 20 auf dem Becherboden 13 aufgebracht; In einem vierten Verfahrensschritt 104 wird die Lotschicht 20 geschmolzen und das mindestens eine Sensorelement 30 mit dem mindestens einen Abstandshalter 15 gegen den Becherboden 13 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

Sensor

Beheizter erster Sensor

zweiter Sensor zur Temperaturmessung

Sensorbecher

Mantelfläche

Becherboden

Bodenfläche

Abstandshalter

Offenes erstes Ende

Geschlossenes zweites Ende

Erste Längsachse

Lotschicht

Sensorelement

Messrohr

Elektronische Betriebsschaltung