DE2527505B2 - Thermischer Strömungsmeßumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsumformer mit einem ersten elektrischen Meßelement, das an die eine Oberfläche einer höchstens etwa 250 Mikron dicken Membran angrenzt, deren andere Oberfläche mit dem

t5 zu messenden Medium in unmittelbarem Wärmekoniakt steht, und mindestens einem weiteren elektrischen Meßelement, welches mit Abstand vom ersten Meßelement angeordnet ist, wobei die Meßelemente zusammen mit einer Schaltung der Messung des Durchflusses dienen.

Bei einem aus der US-PS 37 54 201 bekannten Strömungsmeßumformer dieser Art sind zwei elektrische Meßelemente vorgesehen, von denen das eine in unmittelbarem Wärmekontakt mit einer dünnen Membran steht, deren andere Fläche unmittelbar an das zu messende Medium angrenzt. Das weitere elektrische Meßelement befindet sich mit großem Abstand von dem zu messenden Medium innerhalb des Meßrohres, an dessen Spitze das erste Meßelement — gegen das Medium mit Hilfe der Membran abgeschirmt — gesetzt ist. Das weitere Meßelement, welches nicht unbedingt erforderlich ist, dient lediglich dem Kompensieren von allmählich in dem zu messenden Medium auftretenden Temperaturänderungen. Vergleichsmessungen in einem fließenden Teil und in einem stehenden Teil ein und desselben Mediums können mit der bekannten Einrichtung nicht ausgeführt werden.

Eine Vorrichtung zum Ausführen solcher Vergleichsmessungen ist zwar an sich aus der US-PS 28 59 617 bekannt. Solche Strömungsn;eßumiormer haben jedoch unter anderem den Nachteil, daß die elektrischen Meßelemente unmittelbar in das zu prüfende Medium eintauchen. Dabei kann eine Korrosion, Verunreinigungen usw. der Meßelemente nicht vermieden werden.

Diese Beeinträchtigung der Meßelemente führt dazu, daß die Meßergebnisse allmählich bei Gebrauch der Einrichtung verfälscht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmeßumformer der eingangs genannten Art zu schaffen, der mindestens zwei Meßelemente, zum Ausführen von Vergleichsmessungen im strömenden Teil und in einem toten Arm ein und desselben Mediums besitzt, wobei die Meßelemente, ohne untereinander in thermischem Kontakt zu stehen, alle so angeordnet sind, daß sie unmittelbar die Temperatur des Mediums messen können. Eine direkte Berührung des Mediums mit den Meßelementen soll dabei jedoch vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß ein strömungsführender Durchflußkanal, dem das erste elektrische Meßelement zugeordnet ist, und ein strömungsloser toter Kanal vorgesehen sind, daß die mit dem zu messenden Medium in Wärmekontakt stehende zweite Oberfläche der Membran einen Teil der Begrenzung jedes der beiden Kanäle bildet, wobei eine Membran aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,08cal/sec-cm°C oder weniger vorgesehen ist und daß ein weiteres elektrisches

Meßelement benachbart zum ersten Meßelement auf die dem toten Kanal abgewandte, erste Oberfläche der Membran aufgesetzt ist und über letztere unmittelbar mit dem Medium im toten Kanal in Wärmekontakt steht

Durch die Erfindung wird erreicht, daß in einem Strömungsmeßumformer mindestens zwei zu Vergleichsmessungen an einem Durchflußkanal und einem toten Kanal einzusetzende Meßelemente verwendet werden können, die in unmittelbarem Wärmekontakt mit dem zu messenden Medium stehen und trotzdem gegeneinander thermisch isoliert sind. Die dünne Membran aus einem Material mit der angegebenen geringen Wärmeleitfähigkeit schützt nämlich nicht nur die elektrischen MeEelemente vor direktem Kontakt is mit dem Medium und sorgt für den gewünscht guten Wärmeübergang zwischen den Meßelementen und der Flüssigkeit aufgrund der extrem geringen Dicke sondern reduziert auch den seitlichen Wärmeübergang längs der Fläche der Membran auf ein Minimum, weil die Membran die angegebene niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Diese Reduzierung der seitlichen Wärmeübertragung verbessert nicht nur die Empfindlichkeit und Ansprechzeit des Strömungsmeßumformers bei gleichzeitiger Erniedrigung seiner Leistungsaufnahme, sondern bietet auch eine einfache und wenig aufwendige Möglichkeit zur Verwendung von Halbleiterbauelementen als elektrische Meßelemente.

Anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Strömungsmeßumformer in Sprengbilddarstellung, bei der die Einzelteile in der Reihenfolge ihrer Montage deutlich werden; und

Fig.2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Gemäß Fig. I bildet ein Formkörper 10, der beispielsweise aus einem Guß- oder Spritzmetall hergestellt ist, einen Teil der Begrenzung eines strömungsführenden, ersten DurchfluQkanals bzw. »live« Kandis 12 eines Installations- oder Meßrohres 14 und nimmt eine Flüssigkeit 16 (zu messendes Medium) auf, deren Durchflußrichtung mit den Pfeil 18 angegeben ist. Der Körper 10 bildet außerdem einen Teil der Begrenzung eines strömungslosen, zweiten Kanals 20 des Meßrohrs 14, der Flüssigkeit 16 enshält. die sich in Ruhe befindet, und der gewöhnlich als »toter« Durchflußkanal bezeichnet und häufig in Durchflußmeßsystemen dazu verwandt wird, Vergleichswerte zu erhalten unter Bedingungen, bei denen absolut kein Fließen stattfindet. Der »tote« Kanal 20 ist mit dem »Iive«-Kanal 12 durch zwei nicht dargestellte enge Führungen verbunden, die das Strömen der Flüssigkeit 16 durch den Kanal 20 unterbinden, jedoch gleichzeitig noch soviel Durchfluß erlauben, daß die Temperatur der darin befindlichen Flüssigkeit 16 dieselbe ist wie die Umgebungstemperatur der die Meßstelle 14 betretenden Flüssigkeit 16. Der Körper 10 weist eine Ausnehmung 22 auf, die die Kanäle 12 und 20 schneidet, so daß Öffnungen 24 und 26 im Kanal 12 bzw. 20 entstehen.

Eine Dichtung 28, beispielsweise aus Gummi, sorgt für die Abdichtung zwischen einem Durchflußmeßumformer 30 und den Teilen des Körpers 10, die den Öffnungen 24 und 26 benachbart liegen. Die Dichtung 28 weist zwei Löcher 32 und 34 auf, die es ermöglichen, daß die Flüssigkeit 16 sowohl im Durchflußkanal 12 als auch im »toten« Kanal 20 jeweils in direkten Kontakt mit dem Meßumformer 30 gelangt.

Der Sensor oder Umformer 30 besitzt eine dünne Membrane 36 aus Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Hastelloy C oder nichtrostenden Stahl Typ 304; eine erste Oberfläche 38 der Membran befindet sich in thermischem Kontakt mit ersten und zweiten elektrischen Elementen 40 und 42 des Umformers 30, während eine zweite Oberfläche 44 der Membran an den öffnungen 24 und 26 anliegt und diese abdeckt, wodurch die Membran einen Teil der Begrenzungen der Kanäle 12 und 20 bildet. Wie aus Fig.2 hervorgeht, sind die elektrischen Elemente 40 und 42 in geeigneten öffnungen eines isolierenden Substrats 46 befestigt, beispielsweise mit Hilfe eines Epoxyharzes 48, das den Raum zwischen den elektrischen Elementen 40 und 42 und dem Substrat 46 füllt Das Epoxyharz 48 oder eine ähnliche Befestigungsart hält die Oberflächen 50 und 52 der elektrischen Elemente 40 bzw. 42 in gleichmäßiger Fortführung und fluchtend mit einer ersten Oberfläche 54 des isolierenden Substrats 46. Die erste Oberflär'-e 38 der Membran 36 liegt an der ersten Oberfläche 34 des isolierenden Substrats 46, wodurch die erste Oberfläche 38 der Membran 36 mit den Oberflächen 50 und 52 des ersten und zweiten elektrischen Elements 40 bzw. 42, die wiederum dieser anliegen, thermisch gekoppelt wird. Das Substrat 46 kann aus einem isolierenden Material bestehen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, auf dem sich ein dicker oder auch dünner Schallungsfi'm befindet; es kann aber auch die Form einer gedruckten Schaltungskarte mit einer Schaltung 56 auf einer zweiten Oberfläche 58 aufweisen, wobei, wie aus F i g. 2 hervorgeht, die elektrischen Elemente 40 und 42 über Drähte 60 mit der Schaltung verbunden sind. Die Schaltung 56, die beispielsweise aus goldplattiertem Kupfer bestehen kann, verbindet die elektrischen Elemente 40 und 42 miteinander und bildet außerdem Kontakte zur Verbindung mit einem Durchflußmeßsystem.

Die dünne Membran 36 kann aus einer dünnen Folie bestehen, die mit der ersten Oberfläche 54 des Substrats 46 verbunden wird, oder kann durch Elektroplattieren, Niederschlagen aus der Dampfphase oder Aufsprühen des Materials auf die erste Oberfläche 54 des Substrats 46 unter Anwendung bekannter Techniken hergestellt werden. Das für die Membran benutzte Material sollte niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen, ähnlich Hastelloy oder nichtrostendem Stahl. Hastelloy C und nichtrostender Stahl Typ 304 sind kommerziell erhältliche Legierungen, deren Wärmeleitfähigkeit ungefähr 0,04 bzw. 0,08cal/sec-cm°C beträgt und die besonders bevorzugte Materialien darstellen, da sie widerstandsfähig gegen Korrosion sind. Die Membran 36 soilte außerordentlich dünn sein und eine Dicke von ungefähr 250 μ oder weniger besitzen.

Die elektrische", Elemente 40 und 42 s^:nd bei einem typischen Ausführungsbeispiel Halbleiterchips, die Heiz- und Temperaturfühlelemente eines Durchflußmeßsystems umfassen. Das erste Halbleiterchip kann ein langes, dünnte integriertes Schaltungschip 40 sein, das mit seiner Oberfläche 50 der Membran 36 anliegt und sich mit seinen beiden Endbereichen der Oberfläche 50 in thermischem Kontakt mit den Abschnitten der Membran 36 befindet, die Teile der Begrenzungen der Kanäle 12 bzw. 20 bilden. Bei Verwendung dieser Anordnung können verschiedene Heiz- und Temperaturfühlelemente eines Durchflußmeßsystems thermisch mit der Flüssigkeit 16 in den verschiedenen Kanälen 12

und 20 gekoppelt werden und gleichwohl Teil desselben integrierten Schaltungschips 40 sein, da die zwischen einem bestimmten Element und der Flüssigkeit 16 geleitete Wärme nicht einfach seitlich entlang der Membran 36 weitergeleitet wird, um nicht andere Elemente in thermischem Kontakt mit der Membran 36 zu beeinflussen.

Ein Abstandhalter 62 aus isolierendem Material ist zwischen der zweiten Oberfläche 58 des Substrats 46 und einem Deckel 64, der den Durchflußme3umformer 30 schützt, vorgesehen. Die Einzelteile werden in der dargestellten Anordnung zusammengesetzt und beispielsweise durch Schrauben 66 zusammengehalten, die sich durch geeignete Bohrungen im Deckel 64. dem Abstandhalter 62, dem Umformer 30 und der Dichtung 28 bis in Gewindebohrungen im Körper 10 erstrecken.

Obwohl der erfindungsgemäße Sensoraufbau beim beschriebenen Ausführungsbeispiel als Teil eines DurchflüBir.cßumforrP^rs. d^pr Hpi7- ιιηΗ Tpmnpratiirelemente kombiniert hat. dargestellt worden ist. kann die Erfindung in jedem Bauteil eingesetzt werden, das thermisch mit einer Flüssigkeit gekoppelt werden soll, einschließlich getrennter Heiz- oder Temperaturfiihlelemente.

Die dünne Membran 36 aus Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit schützt nicht nur die elektrischen Elemente 40 und 42 des Durchflußmeßumformers 30 vor direktem Kontakt mit der Flüssigkeit 16 und sorgt für gewünscht guten Wärmeübergang zwischen den elektrischen Elementen 40 und 42 und der Flüssigkeit 16 aufgrund ihrer extrem geringen Dicke, sondern reduziert auch den seitlichen Wärmeübergang tangential durch die gesamte Membran 36 auf ein Minimum aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Diese Reduzierung der seitlichen Wärmeübertragung verbessert nicht nur die Empfindlichkeit und Ansprechzeit des Durchflußmeßumformers 28 bei gleichzeitiger Erniedrigung seiner Leistungsaufnahme, sondern bietet auch einen praktischen und ökonomischen Weg zur Verwendung von Halbleiterchips für die elektrischen Elemente 40 und 42 des Umformers 30. Da die seitliche Wärmeleitung auf ein Minimum reduziert wird, können mphrprr Hpi7- und Temneraturfühlelemente thermisch mit derselben Schutzmembran 36 gekoppelt werden, die zu einem Teil die Begrenzungen unterschiedlicher Kanäle 12 und 20 bildet: dadurch wird Gleichmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit der Produktion erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. StrömungsmeBumformer mit einem ersten elektrischen Meßelement, das an die eine Oberfläche einer höchstens etwa 250 Mikron dicken Membran angrenzt, deren andere Oberfläche mit dem zu messenden Medium in unmittelbarem Wärmekontakt steht, und mindestens einem weiteren elektrischen Meßelement, welches mit Abstand vom ersten Meßelement angeordnet ist, wobei die Meßelemente zusammen mit einer Schaltung der Messung des Durchflusses dienen, dadurch gekennzeichnet, daß ein strömungsfahrender DurchfluQkanal (12), dem das erste elektrische Meßelement zugeordnet ist, und ein strömungsloser toter Kanal (20) vorgesehen sind, daß die mit dem zu messenden Medium (16) in Wärmekontakt stehende, zweite Oberfläche (44) der Membran (36) einen Teil der Begrenzung jedes der beiden Kanäle (12, 20) bildet, wobei eine Membran (36) aus einem Material mit einer Wäimeleitfähigkeit von etwa 0,08 cal/ sec-cm°C oder weniger vorgesehen ist, und daß ein weiteres elektrisches Meßelement (42) benachbart zum ersten Meßelement (40) auf die dem toten Kanal (20) abgewandte, erste Oberfläche (38) der Membran (36) aufgesetzt ist und über letztere unmittelbar mit dem Medium im toten Kanal in Wärmekontakt steht.

2. Umformer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Meßelemente Halbleiterchips sind.

3. Umforüier nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeicnnet, daß das en::; elektrische Meßelement aus einem integrirrten Schaltungschip besteht, dessen zwei Enden sich in therr ischem Kontakt mit dem zu messenden Medium (16) jeweils in den Kanälen (12,20) befinden.

4. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (36) an eine öffnung (24, 26) in jedem der Kanäle (12, 20) angrenzt, wobei voneinander getrennte Bereiche der zweiten Oberfläche (44) der Membran (36) jeweils eine der öffnungen vollständig abdecken und das zu messende Medium (16) kontaktieren.

5. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem aus isolierendem Material bestehenden Substrat (46) die elektrischen Meßelemente befestigt sind, daß eine erste Oberfläche (54) des Substrats (46) an die erste Oberfläche (38) der Membran (36) angrenzt, daß das Substrat (46) auf einer zweiten Oberfläche (58) mit einer an die elektrischen Elemente (40, 42) angeschlossenen Schaltung versehen ist und daß die Membran (36) von der Schaltung (56) isoliert ist.

6. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membran (36) und dem Meßrohr oder der Meßstelle (14) eine Dichtung (28) mit zwei die genannten Teile der zweiten Oberfläche (44) der Membran (36) dem zu messenden Medium (16) aussetzenden öffnungen (32,34) angeordnet ist, und daß ein Deckel (64) an eine als Abstandhalter wirkende Schicht (62) aus isolierendem Material angrenzt sowie am Meßrohr (14) befestigt ist, wobei sich die Schicht (62) zwischen der zweiten Oberfläche (58) des Substrats (46) und dem Deckel

(64) befindet und damit erste (40) und zweite (42) Halbleiterchips elektrisch vom Deckel (64) isoliert.

7. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (46) aus einer gedruckten Schaltungskarte besteht.