DE4017877A1 - Flow measurement sensor for wall mounted or in-flow use - has functional elements on tubular body mounted in measurement pin or over measurement body - Google Patents
Flow measurement sensor for wall mounted or in-flow use - has functional elements on tubular body mounted in measurement pin or over measurement bodyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur Durchfluß überwachung eines strömenden Mediums, der entweder gefertigt ist aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse, welches einen in die Strömung hineinragenden vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Meßstift aufweist, der nur zum Meßgehäuse weisend geöffnet ist und der die mit der Innen wandung des Meßstiftes in wärmeleitenden Kontakt gebrachten elektrischen Funktionselemente enthält oder der gefertigt ist aus einem von einer Strömung durchflossenen Meßrohr, dessen Außenwandung, die nicht von dem strömenden Medium berührt ist, mit den elektrischen Funktionselementen in wärmeleitenden Kontakt gebracht ist, wobei die elektrischen Funktionselemente aus mindestens zwei Temperaturmeßelementen und mindestens einem Heizelement oder einem ersten Temperatur meßelement oder einem zweiten Temperaturmeßelement, welches durch einen erhöhten Eigenstrom direkt beheizt ist, bestehen.The invention relates to a flow sensor monitoring a flowing medium that is either manufactured consists of a measuring housing that can be screwed into a wall, which preferably protrudes into the flow Has cylindrical measuring pin that only for The measuring housing is open and the one with the inside wall of the measuring pin brought into heat-conducting contact contains electrical functional elements or manufactured is made of a measuring tube through which a flow flows, its outer wall, which is not from the flowing medium is touched with the electrical functional elements in Thermally conductive contact is made, the electrical Functional elements from at least two temperature measuring elements and at least one heating element or a first temperature measuring element or a second temperature measuring element, which is directly heated by an increased own current.
Der eingangs beschriebene Meßfühler wird u. a. in kalorime trischen Strömungswächtern oder auch in sogenannten Wärme übergangsmeßgeräten verwendet. Insbesondere Strömungswächter, die aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse bestehen, welches stirnseitig mit seinem geschlossenen Ende in das strömende Medium hineinragt, wobei in diesem Bereich das Meßgehäuse zu einem vorzugsweise zylindrischen Meßstift verjüngt ist, ist grundlegend in der Patentschrift DE 32 13 902 dargelegt. Die Funktion dieses Strömungswächters besteht im Prinzip darin, daß einerseits die Temperatur des an dem Meß stift vorbeiströmenden Mediums durch einen innerhalb des Meßstiftes mit dessen Zylinder-Innenmantel in wärmeleitenden Kontakt gebrachten Temperatursensors erfolgt. An der stirnsei tigen Innenwandung des Meßstiftes sind ein weiteres Temperatur meßelement und ein zusätzliches Heizelement so miteinander verbunden, daß diese beiden Elemente elektrisch voneinander isoliert, jedoch zusammen untereinander wie auch mit der stirnseitigen Innenwandung des Meßstiftes in wärmeleitenden Kontakt gebracht sind. Durch die zusätzliche Beheizung des zweiten Temperaturmeßelementes entsteht eine Temperatur differenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor. Diese Temperaturdifferenzen werden durch die Temperatursensoren vorzugsweise in eine elektrische Widerstandsänderung umgesetzt. Es sind jedoch auch Lösungen bekannt, bei denen die Temperatur in eine temperaturproportio nale Spannung eines Halbleiterüberganges umgesetzt ist. Han delt es sich um Widerstände, wird mit Hilfe einer Brücken schaltung eine elektrische Differenzspannung erzeugt, die in nachfolgenden Verstärkern weiter verarbeitbar ist. Diese Differenzspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Tempera tursensor kann dazu benutzt werden, eine Aussage über die Wärmeabfuhr an der Meßfühlerspitze durch das vorbeiströmende Medium zu machen. Unter günstigen Bedingungen läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums auf diese Weise definieren. Das Grundkonzept der Patentschrift DE 32 13 902 beruht nun da rauf, daß die Temperaturdifferenzmessung koaxial innerhalb des Meßstiftes erfolgt, insbesondere wird für den Wärmeüber gang des zusätzlich beheizten Elementes die stirnseitige Fläche des Meßstiftes verwendet, während zur Temperaturmessung ein Teil des zylindrischen Wandungsumfanges benutzt wird. Auf diesem Prinzip basieren auch nachfolgende Anmeldungen/Patente (DE 37 13 981, DE 38 25 059, EP 03 57 903, EP 03 30 915), die im wesentlichen die technische Ausgestaltung dieser Konzeption betreffen.The sensor described above is u. a. in caloric trical flow monitors or in so-called heat transition measuring devices used. In particular flow monitors, from a measuring housing that can be screwed into a wall exist, which face with its closed end protrudes into the flowing medium, in this area the measuring housing to a preferably cylindrical measuring pin is tapered, is fundamental in the patent DE 32 13 902 spelled out. The function of this flow switch is Principle in that on the one hand the temperature of the measurement pen flowing through a medium inside the Measuring pin with its inner cylinder jacket in heat-conducting Contacted temperature sensor takes place. On the forehead term inner wall of the measuring pin are another temperature measuring element and an additional heating element so together connected that these two elements are electrically separate from each other isolated, but together with each other as well as with the frontal inner wall of the measuring pin in heat-conducting Are brought in contact. Due to the additional heating of the second temperature measuring element creates a temperature difference between the first temperature sensor and the second temperature sensor. These temperature differences will be by the temperature sensors preferably in an electrical Resistance change implemented. However, they are also solutions known in which the temperature in a temperature proportion nale voltage of a semiconductor junction is implemented. Han If there is resistance, use a bridge circuit generates an electrical differential voltage that can be further processed in subsequent amplifiers. These Differential voltage between the first and the second tempera tursensor can be used to make a statement about the Heat dissipation at the probe tip by the flowing past To make medium. Under favorable conditions, the Define the flow velocity of the medium in this way. The basic concept of patent specification DE 32 13 902 is based there now up that the temperature difference measurement is coaxial inside of the measuring pin, in particular for the heat transfer passage of the additionally heated element the front Area of the measuring pin used while measuring temperature part of the cylindrical wall circumference is used. On The following applications / patents are based on this principle (DE 37 13 981, DE 38 25 059, EP 03 57 903, EP 03 30 915), which in essentially the technical design of this concept affect.
Der Nachteil dieses oben genannten auf einem koaxialen Meßsystem innerhalb eines zylindrischen Meßstiftes beruhenden Grundkonzeptes besteht darin, daß die Kontaktflächen bzw. die Wärmeübergangswiderstände oder auch die die Sensoren umgeben den Wärmekapazitäten des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors unterschiedlich sein müssen, weil es kaum möglich ist, die Wärmeübergangswiderstände der Sensoren zur Gehäuseinnenwandung des Meßstiftes einander identisch zu gestalten, oder die die Temperatursensoren umgebenden Wärmekapazitäten einander anzugleichen. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen, wie z. B. extrem schnellen Temperaturschwankungen oder auch bei Überdeckung großer Temperaturbereiche, ergeben sich Fehlreaktionen dieser Systeme im dynamischen Temperaturübergang. Konsequenter weise ist in der Fortbildung der Grundkonzeption die Eigen masse des Meßstiftes nahezu auf Null reduziert, was dadurch geschehen kann, daß das Meßstiftinnere durch Luft oder durch einen luftähnlichen Schaum gefüllt ist. Das Problem der unterschiedlichen Wärmeübergangswiderstände der Temperatur sensoren zwischen dem Zylindermantel und dem stirnseitigen pla nen Meßstiftabschluß wird bei den genannten Lösungen dadurch näherungsweise realisiert, daß dünne Wandungen für den zylin drischen Meßstift und kleine Massen für das in diesen Meßstift eingebaute Meßsystem verwendet werden. Diese Lösungen erzwin gen daher ein mechanisch schwaches System, und begrenzen die Anwendung bei hohen Wechseldrücken, weil bei den genannten Lösungen insbesondere mechanische Spannungsspitzen an den stirnseitig rechtwinkligen Begrenzungsflächen des zylindri schen Meßfühlers auftreten.The disadvantage of this above on a coaxial Measuring system based on a cylindrical measuring pin Basic concept is that the contact areas or Heat transfer resistances or also surrounding the sensors the heat capacities of the first temperature sensor and the second temperature sensor must be different because it is hardly possible to measure the heat transfer resistance of the Sensors for the inner wall of the measuring pin each other to be identical, or the temperature sensors to match the surrounding heat capacities. Under unfavorable operating conditions such. B. extremely fast Temperature fluctuations or large overlaps Temperature ranges, this results in incorrect reactions Systems in dynamic temperature transition. More consistent wise is the characteristic in the advanced training of the basic concept mass of the measuring pin almost reduced to zero, which thereby can happen that the measuring pin inside by air or by is filled with an air-like foam. The problem of different heat transfer resistances of the temperature sensors between the cylinder jacket and the front pla NEN measuring pin termination is thereby in the solutions mentioned approximately realized that thin walls for the cylin drical measuring pin and small masses for this in this measuring pin built-in measuring system can be used. Force these solutions therefore a mechanically weak system, and limit the Use at high alternating pressures, because with the mentioned Solutions in particular mechanical stress peaks at the frontal rectangular boundary surfaces of the cylindri cal sensor occur.
Ein neuartiger Weg, der die Abkehr von dem eingangs be schriebenen asymmetrischen Meßverfahren darstellt, ist in der Patentschrift DE 35 14 491 dargelegt. Insbesondere ist hier auch die Theorie zur Behandlung von Strömungs wächtern bzw. von Wärmeübergangsmeßgeräten grundlegend abgehandelt. Die in dieser Schrift angegebene Lösung weist nach, daß es zur Erreichung einer schnellen elektrischen Reaktion eines Strömungswächters keinesfalls darauf an kommt, die Wärmeübergangswiderstände und die Wärmekapa zitäten im Bereich der Wärmeübergangswiderstände und der Heizelemente annähernd auf Null zu reduzieren. Vielmehr ist es wesentlich für die technisch korrekte Funktion eines Strömungswächters, die Meßsysteme des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch symmetrisch anzu ordnen. Die insbesondere mechanische symmetrische Anordnung wird in der oben genannten Schrift dadurch gelöst, daß der Meßfühler aus einem homogenen, einstückigen Meßteil- Material hergestellt ist, dessen zylindrischer Querschnitt an seinem Schraubteil in einem rechteckförmigen Querschnitt an seinem Stirnteil übergeht, und daß von der Schraubseite her zwei gleich tiefe und außenwandungsnahe stirnseitig die Wandung nicht durchbrechende zylindrische Sackbohrungen im Meßfühler angebracht sind.A new way to be the departure from the beginning represents asymmetrical measurement method is in the patent specification DE 35 14 491. In particular here is also the theory for treating flow guard or of heat transfer measuring devices fundamental resolved. The solution given in this document points after that it is to achieve rapid electrical The reaction of a flow switch does not respond to this comes, the heat transfer resistances and the heat capa in the area of heat transfer resistance and Reduce heating elements approximately to zero. Much more it is essential for the technically correct function of a flow switch, the measuring systems of the first Temperature sensor and the second temperature sensor not to be used only electrically, but also mechanically symmetrically organize. The particularly mechanical symmetrical arrangement is solved in the above-mentioned document in that the sensor from a homogeneous, one-piece measuring part Material is made whose cylindrical cross section on its screw part in a rectangular cross section merges with its front part, and that from the screw side forth two equally deep and near the outer wall cylindrical blind holes not breaking through the wall are attached in the sensor.
In der weiteren Fortbildung dieses Grundkonzeptes ist in der Anmeldung P 40 03 638.3, deren Offenbarungsgehalt auch für diese Anmeldung zum Offenbarungsgehalt gemacht wird, eine Lösung beschrieben, die die mechanisch konstruktiven Vorzüge der grundlegenden Schrift 32 13 902 mit den elektri schen und funktionstechnischen Vorzügen der Schrift 35 14 491 verbindet. Die konstruktiven Nachteile der in der letztgenannten Schrift angegebenen technischen Lösung besteht darin, die mechanische Symmetrie zu gewährleisten, weil für die Anbringung von Sackbohrungen in einem homoge nen Stahlkörper unter Gewährleistung völlig symmetrischer Wandungsdicken, bezogen auf die in diese Sackbohrungen eingebrachten Meßsysteme, höchste mechanische Präzision erforderlich ist. Diese Präzision ist zwar zu erreichen, erhöht jedoch die Herstellungskosten nicht unerheblich.In the further training of this basic concept is in the application P 40 03 638.3, the disclosure content of which also the disclosure content is made for this application, described a solution that the mechanically constructive Advantages of the basic font 32 13 902 with the electri technical and technical advantages of writing 35 14 491 connects. The constructive disadvantages of in technical solution specified in the latter document is to ensure mechanical symmetry because for the drilling of blind holes in a homogeneous steel body ensuring completely symmetrical Wall thicknesses, based on those in these blind holes introduced measuring systems, highest mechanical precision is required. This precision can be achieved however, increases the manufacturing costs not insignificantly.
Die wesentlichen konstruktiven Merkmale, die in der An meldung 40 03 638.3 dargelegt sind, bestehen darin, daß für den Meßfühler ein in eine Wandung einschraubbares Meßgehäuse verwendet wird, welches einen einteilig stirn seitig in die Strömung hineinragenden zylindrischen Meßstift aufweist, der stirnseitig zu dem strömenden Medium hin ge schlossen ist, und daß die Innenwandung des Zylinders mit zwei einander gegenüberliegenden Meßelementen, die mit der Innenwandung des zylindrischen Meßstiftes elektrisch iso liert, aber wärmeleitend verbunden sind, einander innerhalb dieses Zylinders bezüglich seiner Längsachse gegenüber liegen, wobei eine Lösung darin besteht, daß die Temperatur meßelemente und das Heizelement in wärmeleitenden Kontakt mit einem vorzugsweise metallischen Träger gebracht sind, der federnd zusammengedrückt in den Innenraum des Meßzy linders einsteckbar ist und daß nach Entspannen des Trägers die Meß- und Heizelemente zusammen mit dem Träger wärmeleitend in die Innenwandung des Meßzylinders gepreßt sind. Diese so beschriebene technische Lösung gewährleistet zwei wesentliche Funktionen eines Strömungswächters in der oben beschriebenen Formgebung als zylindrischer Meßstift eines Meßgehäuses: Aufgrund der gewählten Konstruktion sind grundsätzlich die Wärmeübergangswiderstände der Sensoren und/oder der Heizelemente des Meßsystems zur Zylinderinnenwandung des Meßstiftes und die diese Elemen te umgebenden Wärmekapazitäten einander gleich. Die Wan dungsstärke des zylindrischen Meßstiftes geht nicht ent scheidend in die Reaktionsgeschwindigkeit des gesamten Meßsystems ein. Ferner können mechanische Spannungen an dem Übergang von der zylindrischen Wandung in die plane stirnseitige Fläche vermieden werden dadurch, daß die Wandungsstärke in diesem Bereich erhöht und die Radien abgerundet werden können, weil die Masse in diesem Teil nicht funktionell mit dem Gesamtsystem zusammenhängt. Es ist sogar möglich, den Meßstift mit einem Gießharz zu füllen, ohne daß die Meßreaktion entscheidend beeinträch tigt wird, in diesem Fall wird jedoch die elektrische Spannung entschieden reduziert, so daß ein aufwendiger elektrischer Spannungsverstärker erforderlich ist. Was die weitere Ausbildung dieser Technik betrifft, wird auf die oben genannte Schrift verwiesen.The main design features that are described in An message 40 03 638.3 are set out that for the sensor a screwable into a wall Measuring housing is used, which has a one-piece front cylindrical measuring pin protruding into the flow on one side has, the ge towards the flowing medium is closed, and that the inner wall of the cylinder with two opposing measuring elements, with the Inner wall of the cylindrical measuring pin electrically iso lated, but are thermally connected, within each other opposite this cylinder with respect to its longitudinal axis lie, one solution being that the temperature measuring elements and the heating element in heat-conducting contact are brought with a preferably metallic support, the resiliently compressed into the interior of the measuring cylinder linders insertable and that after relaxing the Carrier the measuring and heating elements together with the carrier pressed into the inner wall of the measuring cylinder in a heat-conducting manner are. This technical solution as described guarantees two essential functions of a flow switch in the Shape described above as a cylindrical measuring pin of a measuring housing: due to the chosen construction are basically the heat transfer resistances of the Sensors and / or the heating elements of the measuring system for Inner cylinder wall of the measuring pin and these elements te surrounding heat capacities equal to each other. The wan strength of the cylindrical measuring pin is not lost divisive in the overall reaction rate Measuring system. Mechanical stresses can also occur the transition from the cylindrical wall to the plane front face can be avoided in that the Wall thickness in this area increases and the radii can be rounded off because of the mass in this part not functionally related to the overall system. It it is even possible to use a casting resin to close the measuring pin fill without significantly affecting the measurement reaction is done, but in this case the electrical Tension decidedly reduced, so that an expensive electrical voltage amplifier is required. What the further training of this technology concerns referenced above.
Während das oben genannte System sowohl elektrisch wie mechanisch alle technischen Anforderungen erfüllt, ist es erforderlich, zur Senkung der Produktionskosten technische Systeme aufzuzeigen, die eine einfache Fertigung und eine Qualitätskontrolle im Vorfelde der endgültigen Fühlerher stellung zulassen. Aufgabe der Erfindung war es daher, auf der Grundlage der Anmeldung P 40 03 638.3 eine Weiter bildung des symmetrischen Systems anzugeben und insbesonde re technische Lösungen zur vereinfachten Produktion des Meßsystems anzugeben. Überraschenderweise zeigte sich im Laufe der weiteren Entwicklung dieses Systems, daß es nicht erforderlich ist, die in dem zylindrischen Meßstift eingebrachten Funktionselemente, die vorzugsweise aus einem ersten Temperaturelement und einem zweiten Temperatur element, welches mit einem Heizelement gekoppelt ist, an die Innenwandung des zylindrischen Meßstiftes des Meßgehäu ses anzupressen. Es genügt vielmehr, die vorzugsweise auf einer Folie aufgebrachten Funktionselemente auf ein Rohr aufzukleben in der Weise, daß die Temperaturmeßelemente und ein Heizelement sich bezüglich der Senkrechten zur Rohr achse auf diesem Zylinder gegenüberliegend befinden. Die ser so mit einer Folie umwickelte Zylinder, nachfolgend Meßkörper genannt, weist jetzt einen Außendurchmesser auf, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des zylindrischen Meßstiftes des Meßfühlers. Für eine sichere Fertigungstechnik ist eine Durchmesserdifferenz von 0,1 mm völlig ausreichend. Der Spalt, der sich zwischen dem zylindrischen Meßkörper und dem Innendurchmesser des Meß stiftes bildet, wird zum Zwecke der Wärmekopplung mit einem Medium gefüllt, das die Wärmeleitung gewährleistet. Neben der üblichen Wärmeleitpaste sind auch pulverförmige Granulate hoher Leitfähigkeit möglich. Wie sie z. B. durch Aluminiumoxidkeramik oder Titandioxid realisierbar sind. Dieses pulverförmige Wärmeleitmedium weist gegenüber Wärmepaste den erheblichen Vorteil auf, daß bei dem Ein bringen des Meßkörpers aufgrund der geringen Durchmesser differenz des Meßkörpers und des Innendurchmessers des Meßstiftes, Reibungswiderstände und Blasenbildungen auf treten. Insbesondere können die Adhäsionskräfte bei kleinen Spalten nicht mehr vernachlässigt werden. Die pulverförmigen Granulate, die mit einem äußerst kleinen Korndurchmesser ausgeführt sein können, haben zudem eine schmierende Eigenschaft, so daß ein einfaches Einschieben des Meßkörpers in den inneren Teil des Meßstif tes möglich ist. Wird der Meßfühler bei diesem Einsatzvor gang gleichzeitig einer Vibration ausgesetzt, erfolgt eine Verdichtung des staubförmigen Wärmeleitpulvers. Eine Wärmenach behandlung des Gesamtsystems, die zum Sintern oder Schmelzen des Wärmeleitmediums führt, ist auch möglich. Dieses Pulver kann nach dem Einsetzvorgang abgesaugt werden. Ein ent scheidender Vorteil bei der Anwendung eines staubförmigen Wärmeleitmediums besteht erfindungsgemäß darin, daß ein in dieser Weise ausgestalteter Meßfühler auch hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, weil bei hohen Tem peraturwechsel nicht die Gefahr besteht, daß die Viskosi tät einer Wärmeleitpaste im zeitlichen Verlauf den linearen Längen und Querschnittsdehnungen nicht mehr folgen kann. Erfindungsgemäß kann neben einem pulverför migen Wärmeleitmedium auch ein flüssiges Medium eingesetzt werden, das z. B. als Silikonöl anwendbar ist. Aufgrund des geringen Spaltes zwischen dem Außendurchmesser des Meß körpers und dem Innendurchmesser des Meßzylinders wird dieses Silikonöl aufgrund der Kapillarwirkung voll schlüssig in den Spalt gesaugt. Wird zudem in den Innen raum des Meßkörpers ein Hartschaumkern vorzugsweise mit geschlossenen Poren eingepreßt, so ist auf Dauer gewähr leistet, daß das flüssige oder viskose Wärmeleitmedium nicht entweichen kann. Zur Zentrierung und Abdichtung des sich zwischen dem Außendurchmesser des Meßkörpers und dem Innendurchmesser des Meßstiftes bildenden Spaltes kann ent weder an dem Meßkörper selbst oder am Boden des Zylinders ein dichtender Zentrierring, vorzugsweise ein O-Ring, ange ordnet sein, der die exakte Zentrierung des Meßkörpers an seinem stirnseitigen, dem Meßstift zugewandten Teil, gewährleistet. Die Funktionselemente des Meßkörpers, wie es auch in den Anwendungsbeispielen dargestellt ist, bestehen aus einem ersten Temperatursensor und einem zweiten Temperatursensor, der wärmeleitend mit einem Heizelement gekoppelt ist. Die Temperatursensoren be stehen vorzugsweise aus einem Metall, welches einen näherungsweise linearen Temperaturkoeffizienten aufweist, z. B. aus Nickel. Das Heizelement kann hingegen aus Konstantan, das einen nahe Null liegenden Widerstandskoeffi zienten aufweist, gefertigt sein. Diese Widerstände können durch unterschiedliche Techniken, wie sie z. B. seit langem aus der Herstellung von Dehnungsmeßwiderständen (DMS) bekannt sind, realisiert werden. Eine Technik besteht darin, daß eine Metallfläche, die auf eine Polyimidfolie geklebt ist, in der Weise fotografisch belichtet und an schließend geätzt ist, daß sich mäanderförmige Widerstands bahnen ergeben. Erfindungsgemäß sind nun die Funktions elemente des Meßkörpers auf einer solchen Folie in der Weise angeordnet, daß die Folie die doppelte Länge des Umfanges des Meßkörpers aufweist. Auf einer Hälfte sind je ein Temperatursensor und bezogen auf den Umfang des Meßkörpers um 180° versetzt ein zweiter Temperatursensor mit einem zusätzlichen innerhalb dieses Temperatursensor mäanderförmig ausgebildeten Heizelementes aufgebracht. Die Anschlüsse der Funktionselemente sind so aus der Folie ausgeschnitten, daß nach Zusammenrollen der ersten Hälfte dieser so geäzten Folie zwei Streifenleitungen entstehen, die die Anschlußführungen der Funktions elemente erhalten, die jeweils gegenüberliegend auf der Rohrwandung zum Steckeranschluß hinführen. Dieses so ausgebildete Foliensystem wird auf den Meßkörper aufgeklebt und der nicht mit Meßelementen versehene Teil der Folie noch einmal zum Zwecke der elektrischen Isolation auf den Meßkörper aufgewickelt, so daß die Funktionselemente von dieser Folie nach dem Umwicklungs vorgang gedeckt sind. In der Regel erübrigt sich bei diesem Umwicklungsvorgang eine Zwischenfügung eines wärmeleitenden Mediums, weil der Wärmeübergangswider stand der dünnen Folie (ca. 50 Mikrometer) vernach lässigt werden kann. Von größerer Bedeutung ist bei diesem Vorgehen jedoch die sichere mechanische Haftung der Folie auf den Funktionselementen, was durch die Ein bringung eines zusätzlichen Klebers oder durch Verschweißen sichergestellt werden kann.While the above system is both electrical and mechanically it meets all technical requirements required to reduce production costs technical Show systems that are easy to manufacture and one Quality control in advance of the final feeler allow position. The object of the invention was therefore to on the basis of the application P 40 03 638.3 another Specify the formation of the symmetrical system and in particular re technical solutions for simplified production of the Specify measuring system. Surprisingly, the As this system continues to develop, it is not necessary in the cylindrical measuring pin introduced functional elements, which preferably consist of a first temperature element and a second temperature element, which is coupled to a heating element the inner wall of the cylindrical measuring pin of the measuring housing to press it. Rather, it is sufficient that preferably on a functional element applied to a tube stick in such a way that the temperature measuring elements and a heating element is perpendicular to the pipe axis on this cylinder are opposite. The ser so wrapped with a film cylinder, below Called measuring body, now has an outer diameter, which is slightly smaller than the inside diameter of the cylindrical measuring pin of the sensor. For a safe Manufacturing technology is a diameter difference of 0.1 mm completely adequate. The gap between the cylindrical measuring body and the inner diameter of the measuring pin forms, is for the purpose of heat coupling with filled with a medium that ensures heat conduction. In addition to the usual thermal grease, they are also powdered Granules with high conductivity possible. How they z. B. by Alumina ceramics or titanium dioxide can be realized. This powdery heat transfer medium faces Heat paste has the significant advantage that at the one bring the measuring body due to the small diameter difference of the measuring body and the inner diameter of the Measuring pin, frictional resistance and blistering to step. In particular, the adhesive forces can small columns can no longer be neglected. The powdered granules with an extremely small Grain diameter can also have a lubricating property, making it a simple one Insert the measuring body into the inner part of the measuring pin tes is possible. If the sensor is used for this exposed to vibration at the same time Compression of the dust-like heat conducting powder. A warmth after treatment of the entire system, for sintering or melting of the heat conducting medium is also possible. This powder can be suctioned off after the insertion process. A ent decisive advantage when using a dust-like Heat conducting medium according to the invention is that a sensors designed in this way are also high Temperatures can be exposed because at high temperatures temperature change there is no risk that the viscose a thermal paste over time linear lengths and cross-sectional strains no longer can follow. According to the invention, in addition to a powder a liquid medium is also used be the z. B. is applicable as silicone oil. Because of the small gap between the outer diameter of the measurement body and the inner diameter of the measuring cylinder this silicone oil is full due to the capillary action finally sucked into the gap. Will also be inside space of the measuring body, preferably with a rigid foam core closed pores pressed in, so is guaranteed in the long run provides that the liquid or viscous heat transfer medium cannot escape. For centering and sealing the between the outside diameter of the measuring body and the Inner diameter of the gap forming the measuring pin can be ent neither on the measuring body itself nor on the bottom of the cylinder a sealing centering ring, preferably an O-ring assigns the exact centering of the measuring body on its end part facing the measuring pin, guaranteed. The functional elements of the measuring body, as shown in the application examples, consist of a first temperature sensor and a second temperature sensor, the thermally conductive with a Heating element is coupled. The temperature sensors be are preferably made of a metal, which one has approximately linear temperature coefficients, e.g. B. made of nickel. The heating element, however, can Constantan, which has a resistance coefficient close to zero has to be manufactured. These resistors can through different techniques, such as. B. since long from the production of strain gauges (DMS) are known to be realized. There is a technique in that a metal surface that is on a polyimide film is glued, photographically exposed in the manner and on is finally etched that there is meandering resistance lanes result. According to the invention, the functions are now elements of the measuring body on such a film in the Arranged in such a way that the film is twice the length of the Has circumference of the measuring body. Are on a half One temperature sensor each and based on the scope of the Measuring body offset by 180 °, a second temperature sensor with an additional inside this temperature sensor meandering heating element applied. The connections of the functional elements are made of Cut out foil that after rolling up the first Half of this etched foil two strip lines arise that the connection guides of the functional receive items, each facing each other lead the pipe wall to the connector. This thus designed film system is on the measuring body glued on and the one not provided with measuring elements Part of the slide again for the purpose of electrical Isolation wound on the measuring body, so that the Functional elements of this film after wrapping are covered. Usually there is no need for an intermediate insertion of this heat-conducting medium because of the heat transfer resistance stood behind the thin film (approx. 50 micrometers) can be relaxed. Of greater importance is this procedure, however, the secure mechanical liability the film on the functional elements, which by the Ein bring an additional glue or through Welding can be ensured.
Dieser oben gekennzeichnete Grundgedanke der Erfindung, nämlich die Anwendung eines als Rohr ausgebildeten Meß körpers, kann auch für Systeme verwendet werden, in denen die Strömung nicht wie in den bisher beschriebenen Syste men an einem Meßstift äußerlich vorbeiströmt, sondern wo die Meßströmung durch ein Rohr hindurchfließt. In diesem Anwendungsfall wird der Meßkörper in derselben Weise, wie oben beschrieben, von einer mit Funktionselementen versehenen Folie umwickelt, die auf den Meßkörper aufgeklebt ist, und dieser Meßkörper wird über das Meßrohr herübergeschoben, durch wel ches die Strömung fließt. Der Vorteil dieser Vorgehens weise besteht darin, daß das von der Strömung durchflosse ne Meßrohr sehr präzise als mechanisches Teil gefertigt werden kann, ohne einem weiteren Produktionsprozeß, der die Aufbringung von Meßelementen beinhaltet, unterworfen zu sein. Der Meßkörper seinerseits kann dem gleichen Produktionsprozeß unterworfen werden, wie er für andere Meßfühler für Stiftanwendungen hergestellt wird. Dadurch ist nur ein Herstellungsverfahren für den Meßkörper bei zwei verschiedenen Anwendungen möglich.This basic idea of the invention characterized above, namely the use of a measuring designed as a tube body, can also be used for systems in which the flow is not as in the systems described so far men flows past a measuring pen externally, but where the measuring flow flows through a tube. In this The measuring body is used in the same way as above described, from a film provided with functional elements wrapped, which is glued to the measuring body, and this Measuring body is pushed over the measuring tube, by wel ches the current flows. The advantage of this approach it is wise that the current flows through it ne measuring tube manufactured very precisely as a mechanical part can be made without another production process that includes the application of measuring elements to be. The measuring body in turn can do the same Production process to be subjected as it is for others Sensor for pin applications is manufactured. Thereby is just a manufacturing process for the measuring body at two different applications possible.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß neben der Feststellung des Vorhandenseins einer Strömung auch ihre Richtung bestimmbar ist. Zu diesem Zweck können z. B. auf dem Meßkörper gegenüberliegend 4 Temperatursensoren aufgebracht sein. Die Temperatursensoren haben dann einen Winkelabstand von je 90°. Zwei gegenüberliegende Temperatursensoren sind zusätzlich mit einem Heizelement gekoppelt. Die elektrischen Widerstände dieser beiden indirekt beheizten Temperatursensoren werden in einer Brückenschaltung zu einer Differenzspannung verarbeitet, die bezogen auf einen mittleren Wert vorzugsweise einen positiven oder einen negativen Spannungswert liefern kann. Da der Kühleffekt einer anströmenden Strömung größer ist als der Kühleffekt einer abströmenden Strömung, kann bei richtiger Positionierung dieser zusätzlich beheizten Temperatursensoren die Strömungsrichtung bzw. deren Umkehr durch einen entsprechenden Vorzeichenwechsel der ausgewerteten Differenzspannung dieser Sensoren abge leitet werden. Die anderen beiden um 90° versetzten Tempe ratursensoren dienen der Messung der Mediumstemperatur und können in Verbindung mit einem beheizten System zum Nachweis der Strömung oder der Nichtströmung verwendet werden. Durch die Anwendung moderner Herstellungstechniken für Meßwiderstände ist es z. B. auch denkbar, die Wider stände nicht auf eine Folie, sondern direkt auf das metallische Rohr des Meßkörpers aufzubringen. Dies kann z. B. in der Weise geschehen, daß nach Aufbringung einer elektrisch isolierenden aber gut wärmeleitenden Schicht, wie es z. B. aus der Technik von Leistungstransistoren bekannt ist, die Widerstände entweder als großflächige Dickschicht oder als aufgedampfte Metallschicht aufzu bringen. Diese Schichten können bezüglich ihres thermi schen Ausdehnungsverhaltens genau dem Ausdehnungskoeffi zienten des verwendeten Metallträgerrohres angepaßt wer den. Zur elektrischen Isolation gegenüber der inneren Wandung des Stiftes wird dann eine weitere Isolations schicht auf den Meßkörper aufgebracht. Dieses System läßt sich in der Weise auslegen, daß bislang nicht erreichte Mediumstemperaturen um 150° erfaßbar werden. Insbesondere dann, wenn bei diesem Verfahren gleich zeitig zusätzliche Eichwiderstände mit auf den Meßträger aufgebracht sind. Wobei diese zusätzlichen Justier- und Abgleich-Elemente nicht zwingend diskrete Elemente sind, sondern auch in Folientechnik realisierbar sind.A further embodiment of the invention can consist in that in addition to determining the presence of a current their direction can also be determined. For this purpose you can e.g. B. on the measuring body opposite 4 temperature sensors be upset. The temperature sensors then have one Angular distance of 90 ° each. Two opposite Temperature sensors are also equipped with a heating element coupled. The electrical resistances of these two indirectly heated temperature sensors are in one Bridge circuit processed into a differential voltage, those based on an average value, preferably one provide positive or negative voltage value can. Because the cooling effect of an incoming flow is greater than the cooling effect of an outflow, can, if correctly positioned, additionally heated temperature sensors the direction of flow or their reversal by a corresponding change of sign the evaluated differential voltage of these sensors be directed. The other two Tempe offset by 90 ° Temperature sensors are used to measure the medium temperature and can be used in conjunction with a heated system Evidence of flow or non-flow used will. Through the use of modern manufacturing techniques for measuring resistors it is e.g. B. also conceivable, the cons would not stand on a slide, but directly on the Apply metallic tube of the measuring body. This can e.g. B. happen in such a way that after application of a electrically insulating but good heat-conducting layer, how it z. B. from the technology of power transistors the resistors are known as either large-area Thick film or as a vapor-deposited metal layer bring. These layers can be thermi expansion behavior exactly the expansion coefficient adapted to the used metal carrier tube the. For electrical insulation from the inner Wall of the pin then becomes another insulation layer applied to the measuring body. This system can be interpreted in such a way that not yet medium temperatures reached by 150 ° can be detected. Especially if this procedure is the same early additional calibration resistances with on the measuring carrier are upset. With these additional adjustment and Matching elements are not necessarily discrete elements, but can also be implemented using film technology.
Erfindungsgemäß hat die Einbringung eines Meßkörpers in den Meßstift oder das Aufschieben eines Meßkörpers auf ein Meßrohr noch einen entscheidenden Vorteil, der darin besteht, daß die Druckstabilität gegen einen all seits wirkenden Druck gegenüber dem Stift oder dem Meßrohr entschieden verbessert wird. Während geschlitzte feder artige Systeme dem Druck ausweichen, hält ein als Rohr aus gebildeter Meßkörper auch hohem Drücken stand und erhöht wesentlich die Druckstabilität des Meßfühlers insgesamt. Bei dieser Druckstabilisierung spielt insbesondere das in dem Rohrspalt zwischen dem Außendurchmesser des Meß körpers und dem Innendurchmesser des Meßstiftes einge brachte Wärmeleitmedium eine große Rolle. Während Flüssig keiten durch besondere Ringe und Eingießtechniken daran gehindert werden müssen, aus dem Rohrspalt auszuweichen, ergibt sich eine völlig anders geartete Kraftverteilung bei einem pulverförmigen Wärmeleitmedium. Dieses bleibt bei Druckanwendung stabil und hat nicht den Hang, aus dem Spalt auszuweichen.According to the invention, the introduction of a measuring body into the measuring pin or pushing on a measuring body a decisive advantage on a measuring tube, the is that the pressure stability against an all side acting pressure against the pin or the measuring tube is decidedly improved. While slotted feather like systems avoid the pressure, endures as a tube formed measuring body also stood at high pressures and increased essentially the pressure stability of the sensor as a whole. This plays in particular with this pressure stabilization in the pipe gap between the outside diameter of the measurement body and the inside diameter of the measuring pin heat transfer medium played a major role. While liquid with special rings and casting techniques must be prevented from escaping from the pipe gap, the force distribution is completely different with a powdery thermal medium. This remains stable when pressure is applied and does not have the tendency to to avoid the gap.
Die weitere Ausbildung der Erfindung ist auch ergänzend in den Patentansprüchen niedergelegt. Mögliche Ausgestal tungen sind in den nachfolgenden Anwendungsbeispielen beschrieben. The further development of the invention is also supplementary laid down in the claims. Possible design are in the following application examples described.
Die Ausgestaltung der Erfindung läßt unterschiedliche Lö sungsmöglichkeiten zu, was im einzelnen an den folgenden schematischen Darstellungen aufgezeigt ist.The embodiment of the invention leaves different Lö possible solutions to what is specific to the following schematic representations is shown.
Der eingangs beschriebene Meßfühler besteht aus einem Meßgehäuse (1), welches in seinem dem elektrischen An schluß abgewandten Teil eine Gehäuseverengung, den Meß stift (2), aufweist. Der Meßstift und damit das Meßge häuse sind gegenüber dem diesen Meßstift umströmenden Me dium geschlossen und einteilig aus einem homogenen Material gefertigt. Innerhalb des als Hohlkörper ausgebildeten Meß stiftes ist ein Rohr, der eigentliche Meßkörper (3), einge bracht. Das so beschriebene Rohrstück (3) ist vermittels von Wärmeleitpaste (4) in wärmeleitenden Kontakt mit der inneren Wandung des Meßstiftes (2) gebracht. Auf den Meßkörper (3) sind im Bereich des Meßstiftes (2) senkrecht zur Rohrachse gegenüberliegend zwei Temperaturmeßelemente (5, 6) aufge klebt. Die elektrischen Anschlüsse der Temperaturmeßelemente sind durch Ausschnitte in dem Rohr (8) zum elektrischen An schluß des Meßfühlers (1) herausgeführt. Wird ein Temperatur meßfühler mit einem zusätzlichen Heizstrom beaufschlagt, al so zusätzlich erwärmt, kann eine Differenztemperatur zwischen dem Temperaturmeßfühler (5) und (6) gemessen werden, auch dann, wenn der Meßkörper in den Meßstift unter Einfügung einer wärmeleitenden Verbindung zur inneren Meßstiftwandung hin eingesteckt ist. Dieses Differenztemperatur wird insbe sondere auch dann gemessen, wenn der Meßstift einem strömen den Medium ausgesetzt ist. Unter dieser Bedingung ergibt sich eine elektrische Differenzspannung zwischen den Temperatur meßelementen (5) (6), die abhängig ist von der Strömungsge schwindigkeit des Mediums. Eine entsprechende Funktion erhält man auch, wenn statt der direkten Heizung z. B. des Temperatur meßelementes (5) dieses indirekt durch eine zusätzliche Heiz schleife beheizt ist. Hierbei ist vorausgesetzt, daß sowohl die Heizschleife wie das Temperaturmeßelement und die Innen wandung des Meßstiftes in einen gleichmäßigen wärmeleitenden Kontakt gebracht sind. Die Temperatur- und Heizelemente, die nachfolgend auch als Funktionselemente bezeichnet sind, kön nen in verschiedener Weise auf den Meßkörper (3) aufgebracht werden. Dies zeigen die Abb. 3 und 5. In Abb. 3 sind die Funktionselemente auf den Meßkörper 3 geklebt und be finden sich zwischen der Innenwandung des Meßstiftes und der Außenwandung des Meßkörpers. In Abb. 5 sind die Funktions elemente innerhalb des Meßkörpers (3) aufgebracht, während der Meßkörper (3) und die Innenwandung des Meßstiftes (2) durch ein wärmeleitfähiges Medium wärmeleitend verbunden sind. Diese Anordnung ist besonders günstig, wenn bei hohen Druckanforderungen die Wandstärke des Meßstiftes künstlich verstärkt werden muß. Durch eine Präzisionspassung sowohl der Innenbohrung des Meßstiftes wie auch des Außendurchmessers des Meßkörpers kann eine recht präzise druck- und wärme schlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Rohrkörpern erfolgen. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, daß die Funktionselemente außerhalb des eigentlichen Einbauortes aufgebracht werden können und ihre elektrische Funktion sicher überprüft werden kann. Im Falle hoher elektrischer Isolationsanforderungen, wie dies z. B. im EX-Bereich auf treten kann, ist es auch möglich, anstelle eines Metall rohres in diesem Fall ein Keramikrohr zu verwenden. Ein Keramikrohr bietet auch dann sehr große Vorteile, wenn die Funktionselemente als Dickschichtelemente von außen auf dieses Rohr aufgebracht werden. Unter dieser Bedingung lassen sich sehr kostengünstige Strömungssensoren fertigen. Eine besondere Ausgestaltungsmöglichkeit zeigt Abb. 3 in Verbindung mit Abb. 7a werden drei Funktionselemente in einem Winkel von 120° auf den Meßkörper (3) aufgebracht und wird jedes Temperaturmeßelement zusätzlich mit einem Heizelement gekoppelt, so ist es durch eine elektrische vektorielle Addition der drei Einzelspannungen, die sich an den Temperaturmeßelementen (5, 6) ergeben, die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zum Meßstift des Meßfühlers bestimmen. Diese Strömungsgeschwindigkeit kann jedoch nur in einer laminaren Strömung ermittelt werden. Geht es nur darum, zwei Strömungsrichtungen zu unterschei den, so genügt es auch nach Abb. 3, die Funktionselemente so anzuordnen, daß je ein Temperaturmeßelement und ein Heiz element sich gegenüberliegend auf den Meßkörpern (3) be finden. Die Temperatur des Mediums kann dann stirnseitig an der Innenwandung des Meßstiftes ermittelt werden. Diese An ordnung hat den Vorteil, daß auch bei turbulenter Strömung, bei der keine Unterscheidung einer Richtung mehr möglich ist, das Vorhandensein des Strömungsflusses zu erfassen. In dieser Anordnung ist eine vektorielle Addition nicht erforderlich, es genügen lediglich zwei Differenzverstärker, wovon ein Verstärker die elektrische Spannungsdifferenz zwischen dem Meßsystem (5, 9) (6, 9) bestimmt, wobei das Vorzeichen der elek trischen Spannung der Strömungsrichtung zugeordnet ist, während die Differenzspannung zwischen dem System (5, 9) und (6) oder (6, 9) und (6) die Strömung des Mediums darstellt. In Abb. 4 ist ein Systemaufbau dargestellt, wie er vor allem benötigt wird, um bei kleinen Strömungsmengen die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen. In diesen Fällen strömt das Medium durch ein Meß rohr (3) hindurch. Auf dieses Meßrohr ist der eigentliche Meßkörper aufgeschoben, wobei zwischen Meßrohr und Meßkörper ein wärmeleitendes Medium (4) eingebracht ist. Der Meßkörper weist wiederum die Funktionselemente (5, 9) und (6) auf, wobei das Funktionselement (5, 9) aus einem wärmegekoppelten, aber elektrisch isolierten Meßwiderstand und einem Heizwiderstand besteht. Die Richtungsbestimmung in einem solchen Meßsystem ist bei gegenüberliegenden Funktionselementen (9, 5), (6) nicht möglich, wird jedoch dann möglich, wenn auf einer Seite des Rohres hintereinander zwei Funktionselemente (5, 9) angeordnet sind, die jeweils aus einem Heiz- und einem Temperaturmeß element bestehen, und wo das Temperaturmeßelement (6), Abb. 6, senkrecht zur Strömungsrichtung auf der gegenüberliegenden Seite des Rohres aufgebracht ist. Die Abb. 7 und 7a zeigen auf, in welcher Weise die Funktionselemente zueinander ange ordnet auf einer Isolationsschicht, vornehmlich einer Folie, wie sie aus der Technologie der Dehnungsmeßstreifen seit langem bekannt ist, aufgebracht sind. Insbesondere bei Abb. 7 ist gezeigt, daß die Isolierfolie die doppelte Länge des Meß körperumfanges aufweist. Hierbei befinden sich die Funktions elemente genau auf einer Hälfte der Folie, während der andere Teil der Folie (11) während des Klebevorganges auf die Funkti onselemente aufgewickelt wird.The sensor described above consists of a measuring housing ( 1 ), which in its part facing away from the electrical connection to a housing constriction, the measuring pin ( 2 ). The measuring pin and thus the measuring housing are closed with respect to the medium flowing around this measuring pin and are made in one piece from a homogeneous material. Within the measuring pin designed as a hollow body, a tube, the actual measuring body ( 3 ), is introduced. The pipe section ( 3 ) thus described is brought into heat-conducting contact with the inner wall of the measuring pin ( 2 ) by means of heat-conducting paste ( 4 ). On the measuring body ( 3 ) in the area of the measuring pin ( 2 ) perpendicular to the tube axis opposite two temperature measuring elements ( 5 , 6 ) sticks up. The electrical connections of the temperature measuring elements are led out through cutouts in the tube ( 8 ) for electrical connection to the sensor ( 1 ). If a temperature sensor is subjected to an additional heating current, so if it is additionally heated, a differential temperature can be measured between the temperature sensors ( 5 ) and ( 6 ), even if the measuring body is inserted into the measuring pin by inserting a heat-conducting connection to the inner measuring pin wall is. This differential temperature is measured in particular when the measuring pin is exposed to a flow of the medium. Under this condition, there is an electrical differential voltage between the temperature measuring elements ( 5 ) ( 6 ), which is dependent on the speed of the flow of the medium. A corresponding function is also obtained if, for example, instead of direct heating. B. the temperature measuring element ( 5 ) this is indirectly heated by an additional heating loop. It is assumed that both the heating loop and the temperature measuring element and the inner wall of the measuring pin are brought into a uniform heat-conducting contact. The temperature and heating elements, which are also referred to below as functional elements, can be applied to the measuring body ( 3 ) in various ways. This is shown in Figs. 3 and 5. In Fig. 3, the functional elements are glued to the measuring body 3 and be found between the inner wall of the measuring pin and the outer wall of the measuring body. In Fig. 5, the functional elements are applied within the measuring body ( 3 ), while the measuring body ( 3 ) and the inner wall of the measuring pin ( 2 ) are thermally conductively connected by a thermally conductive medium. This arrangement is particularly favorable if the wall thickness of the measuring pin has to be artificially reinforced in the case of high pressure requirements. Due to a precision fit of both the inner bore of the measuring pin and the outer diameter of the measuring body, a very precise pressure and heat-tight connection can take place between these two tubular bodies. The advantage of this technique is that the functional elements can be applied outside the actual installation location and their electrical function can be checked reliably. In the case of high electrical insulation requirements, such as. B. in the EX area, it is also possible to use a ceramic tube instead of a metal tube in this case. A ceramic tube also offers great advantages if the functional elements are applied to this tube from the outside as thick-film elements. Under this condition, very inexpensive flow sensors can be manufactured. A special design option is shown in Fig. 3 in conjunction with Fig. 7a, three functional elements are applied to the measuring body ( 3 ) at an angle of 120 ° and if each temperature measuring element is additionally coupled to a heating element, this is due to an electrical vectorial addition of the three individual voltages , which result from the temperature measuring elements ( 5 , 6 ), determine the direction of the flow velocity perpendicular to the measuring pin of the sensor. However, this flow rate can only be determined in a laminar flow. If it is only a question of distinguishing two flow directions, then it is sufficient according to Fig. 3 to arrange the functional elements so that a temperature measuring element and a heating element are located opposite each other on the measuring elements ( 3 ). The temperature of the medium can then be determined on the end face on the inner wall of the measuring pin. This arrangement has the advantage that even in the case of turbulent flow, in which it is no longer possible to distinguish between directions, the presence of the flow flow can be detected. In this arrangement, a vectorial addition is not required, only two differential amplifiers are sufficient, one amplifier of which determines the electrical voltage difference between the measuring system ( 5 , 9 ) ( 6 , 9 ), the sign of the electrical voltage being assigned to the direction of flow, while the differential voltage between the system ( 5 , 9 ) and ( 6 ) or ( 6 , 9 ) and ( 6 ) represents the flow of the medium. Fig. 4 shows a system set-up as it is primarily needed to determine the flow velocity for small flow quantities. In these cases, the medium flows through a measuring tube ( 3 ). The actual measuring body is pushed onto this measuring tube, a heat-conducting medium ( 4 ) being introduced between the measuring tube and the measuring body. The measuring body in turn has the functional elements ( 5 , 9 ) and ( 6 ), the functional element ( 5 , 9 ) consisting of a heat-coupled but electrically insulated measuring resistor and a heating resistor. The determination of the direction in such a measuring system is not possible with opposite functional elements ( 9 , 5 ), ( 6 ), but is possible if two functional elements ( 5 , 9 ) are arranged one after the other on one side of the pipe, each consisting of a heating element. and a temperature measuring element, and where the temperature measuring element ( 6 ), Fig. 6, is applied perpendicular to the direction of flow on the opposite side of the tube. Fig. 7 and 7a show how the functional elements are arranged on an insulation layer, primarily a film, as it has long been known from the technology of strain gauges, applied. In particular in Fig. 7 it is shown that the insulating film has twice the length of the measuring body circumference. Here, the functional elements are located exactly on one half of the film, while the other part of the film ( 11 ) is wound on the functional elements during the gluing process.
In Abb. 8, 9 ist der Schnitt durch einen Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums dargestellt, der aus einem in eine Wandung einschraubbaren Meßgehäuse besteht. Das Meßgehäuse (1) ist aus Edelstahl gefertigt, weist ein Gewinde auf, und verjüngt sich an seinem in die Strömung hineintauchenden Ende zu einem Meßstift (2). Meßgehäuse und Meßstift sind einteilig aus einem homogenen Material, ins besondere Edelstahl, gefertigt. Im Inneren des Meßstiftes ist ein Rohrabschnitt, der Meßkörper (3), eingeschoben. Auf diesen Meßkörper ist eine Folie gewickelt, auf die die Funktionselemente (5, 9) und (6) aufgebracht sind. Diese Folie weist die doppelte Umfanglänge des Meßkörpers (3) auf, wo bei die Funktionselemente nur auf einer Hälfte des längeren Teils dieser Folie aufgebracht sind. Die verbleibende Folien länge (15) wird um den Meßkörper (3) herumgewickelt, so daß die Funktionselemente gegenüber der Innenwandung des Stiftes (2) elektrisch isoliert sind. Die Folie ist gleichzeitig so geschnitten, daß die elektrischen Anschlüsse in Form einer Flachbandleitung (22) zum Anschluß eines Kabels (17) heraus geführt sind. Die elektrischen Leitungen sind mit einzelnen Kontakten (14) versehen. Der Innenraum des Meßkörpers (3) ist mit Hartschaum (13) aufgefüllt. Das Anschlußkabel ist direkt vermittels einer Schelle an einem Rohrabschnitt des Meßkörpers (3) festgeklemmt. Während zwischen der Innen wandung des Meßstiftes und der Außenwandung des Meßkörpers ein wärmeleitfähiges Medium eingefüllt ist, ist der rest liche Innenraum des Meßfühlers mit Gießharz aufgefüllt. Fig. 8, 9 shows the section through a sensor for monitoring the flow of a flowing medium, which consists of a measuring housing that can be screwed into a wall. The measuring housing ( 1 ) is made of stainless steel, has a thread, and tapers at its end immersed in the flow to form a measuring pin ( 2 ). Measuring housing and measuring pin are made in one piece from a homogeneous material, especially stainless steel. A pipe section, the measuring body ( 3 ), is inserted inside the measuring pin. A film is wound on this measuring body, onto which the functional elements ( 5 , 9 ) and ( 6 ) are applied. This film has twice the circumferential length of the measuring body ( 3 ), where the functional elements are only applied to one half of the longer part of this film. The remaining film length ( 15 ) is wound around the measuring body ( 3 ), so that the functional elements are electrically insulated from the inner wall of the pin ( 2 ). The film is cut so that the electrical connections in the form of a ribbon cable ( 22 ) for connecting a cable ( 17 ) are out. The electrical lines are provided with individual contacts ( 14 ). The interior of the measuring body ( 3 ) is filled with hard foam ( 13 ). The connecting cable is clamped directly to a pipe section of the measuring body ( 3 ) by means of a clamp. While a thermally conductive medium is filled between the inner wall of the measuring pin and the outer wall of the measuring body, the rest of the inner space of the sensor is filled with casting resin.
Eine für die Produktion günstige Durchführung des oben beschriebenen Meßfühlers zeigt Abb. 10 und 11. Ein aus einem metallischen Körper gefertigter Stecker (18) besitzt ein Außengewinde (19) zum Einschrauben in den Meßfühler. Die Anschlußstifte des Steckers (20) sind durch Isolierkörper hindurch in den Innen raum des Meßfühlers geführt. Der innere Isolierkörper des Steckers weist eine Bohrung (29) auf, in welches der als Rohr ausgebildete Meßkörper (3) eingesteckt ist. Die Länge des Meßkörpers ist so gewählt, daß es gerade stirn seitig mit der inneren Wandung des Meßstiftes abschließt. Im Bereich des Meßstiftes sind die auf einer Folie aufge brachten Funktionselemente (5, 9), (6) auf den Meßkörper aufgewickelt und festgeklebt. Jeweils um 180° bezogen auf den Meßkörper sind aus der Folie Streifen (22) ausge schnitten, auf welchen die Anschlüsse (14) zum Stecker herausgeführt sind. Diese Streifen sind ebenfalls auf den Meßkörper (3) geklebt. Der innere Teil des Meßkörpers ist zumindest im Bereich des Meßstiftes mit Hartschaum (13) versehen. Der elektrische Anschluß zwischen den Kontakt stiften des Steckers (20) und den Kontakten der Funktions elemente (14) erfolgt über separate Anschlußleitungen. Ein besonderer Vorteil dieses Systems, was in dieser Zeichnung nicht dargestellt ist, besteht darin, daß das Rohr, welches nicht elektrisch mit dem Meßfühlergehäuse verbunden ist, über einen besonderen Erdungsdraht an einen Steckerstift geführt ist. Dieser Steckerstift kann auf Minus oder auf das Vergleichs potential der Meßbrücke gelegt sein. Insbesondere dann, wenn elektrische Störimpulse über das metallische Meßgehäuse (1) auf die Funktionselemente (5, 9), (6) übertragen werden können, ist diese zusätzliche Systemerdung von besonderer Bedeutung. Fig. 10 and 11 show an implementation of the sensor described above which is favorable for production . A connector ( 18 ) made of a metallic body has an external thread ( 19 ) for screwing into the sensor. The connector pins of the plug ( 20 ) are guided through insulating bodies into the interior of the sensor. The inner insulating body of the plug has a bore ( 29 ) into which the measuring body ( 3 ) designed as a tube is inserted. The length of the measuring body is chosen so that it just ends on the end face with the inner wall of the measuring pin. In the area of the measuring pin, the functional elements ( 5 , 9 ), ( 6 ) placed on a film are wound onto the measuring body and glued. In each case by 180 ° based on the measuring body strips ( 22 ) are cut out of the film, on which the connections ( 14 ) are led out to the plug. These strips are also glued to the measuring body ( 3 ). The inner part of the measuring body is provided with hard foam ( 13 ) at least in the area of the measuring pin. The electrical connection between the contact pins of the plug ( 20 ) and the contacts of the functional elements ( 14 ) is made via separate connecting lines. A particular advantage of this system, which is not shown in this drawing, is that the tube, which is not electrically connected to the sensor housing, is led to a plug pin via a special ground wire. This connector pin can be set to minus or to the comparison potential of the measuring bridge. This additional system grounding is particularly important when electrical interference pulses can be transmitted to the functional elements ( 5 , 9 ), ( 6 ) via the metallic measuring housing ( 1 ).
Insbesondere auch deshalb weil die Kapazitäten zu dem Meß körper (3) durch Verwendung einer geeignet dünnen Folie groß gemacht werden können. Eine weitere Möglichkeit, den Meßkörper (3) mit der Ausnehmung in dem Steckerteil (29) zu verbinden, besteht darin, daß der Meßkörper (3) so kurz gewählt ist, daß es möglich ist, einen Kunststoffstab sowohl in den Meßkörper (3) einzukleben, wie auch als Verlängerung in die Ausnehmung (29) des Steckers (18) einzufügen.Especially because the capacities to the measuring body ( 3 ) can be made large by using a suitably thin film. Another possibility of connecting the measuring body ( 3 ) to the recess in the plug part ( 29 ) is that the measuring body ( 3 ) is chosen to be so short that it is possible to glue a plastic rod both into the measuring body ( 3 ) , as well as an extension into the recess ( 29 ) of the plug ( 18 ).
Im Falle eines von der Strömung durchflossenen Meßrohres zeigen die Abb. 12, 13 eine weitere Ausbildung der beschrie benen Erfindung. In die Bohrung eines Verschraubungsteiles (22), welches einen genormten Rohranschluß (23) aufweist, ist ein Rohr (24) gesteckt. Dieses Rohr wird durch einen O-Ring (25) nach außen hin abgedichtet. Eine durch den Rohranschluß (23) von außen einpreßbare Zylinderscheibe (26) preßt den O-Ring einerseits gegen die Bohrungswandungen des Verschraubungsteiles (22) wie auch gegen das Meßrohr (24). Das identische Verschraubungsteil befindet sich auf der anderen Seite des Meßrohres und ist hier nicht dargestellt. Auf dem Meßrohr (24) sind die Funktionselemente (5, 9), (6) aufgebracht. Auf diese Funktionselemente ist ein Rohrstück (29) geschoben, welches aus einem Schrumpfschlauchabschnitt besteht und nach dem Überschieben auf die Funktionselemente geschrumpft ist. Eine verbesserte Ausführung zeigt Abb. 13. Die Funktionselemente (5, 9), (6) sind auf einen Meßkörper (3) aufgebracht. Dieser Meßkörper ist vermittels einer Wärme leitsubstanz in wärmeleitenden Kontakt mit dem Meßrohr (24) gebracht. Diese Anordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß die Druckfestigkeit des inneren Meßrohres (24) durch das auf geschobene Rohr des Meßkörpers wesentlich erhöht ist. Insbe sondere bei der Verwendung von Präzisionsrohren, die sehr genau ineinander passen, ist die Anwendung eines Wärmeleit mediums überflüssig und es kann ein geeigneter dünnflüssiger Kleber, z. B. ein Zyano-Kleber, verwendet werden. Der schlech te Wärmewiderstand solcher Kleber ist in diesem Fall völlig belanglos, weil der Wärmeübergangswiderstand von dünnen Schichten vernachlässigt werden kann. In the case of a measuring tube through which the flow flows, FIGS. 12, 13 show a further embodiment of the described invention. A tube ( 24 ) is inserted into the bore of a screw part ( 22 ) which has a standardized pipe connection ( 23 ). This tube is sealed from the outside by an O-ring ( 25 ). A cylindrical disc ( 26 ) which can be pressed in from the outside through the pipe connection ( 23 ) presses the O-ring on the one hand against the bore walls of the screw part ( 22 ) and against the measuring tube ( 24 ). The identical screw part is on the other side of the measuring tube and is not shown here. The functional elements ( 5 , 9 ), ( 6 ) are applied to the measuring tube ( 24 ). A tube piece ( 29 ) is pushed onto these functional elements, which consists of a shrink tube section and is shrunk after being pushed onto the functional elements. An improved version is shown in Fig. 13. The functional elements ( 5 , 9 ), ( 6 ) are applied to a measuring body ( 3 ). This measuring body is brought into heat-conducting contact with the measuring tube ( 24 ) by means of a heat conducting substance. This arrangement has the essential advantage that the pressure resistance of the inner measuring tube ( 24 ) is significantly increased by the tube of the measuring body pushed onto it. In particular, when using precision tubes that fit very precisely into each other, the use of a heat-conducting medium is superfluous and a suitable low-viscosity adhesive, e.g. B. a Zyano adhesive can be used. The poor thermal resistance of such adhesives is completely irrelevant in this case because the thermal resistance of thin layers can be neglected.
Eine konsequente Weiterführung des symmetrischen im voran gehenden beschriebenen Meßsystems besteht darin, daß die Funktionselemente nicht wie bisher beschrieben, auf einer Zylinderwandung angeordnet sind, sondern daß die Funktions elemente auf eine Ebene abgewickelt sind. Dies eröffnet die Möglichkeit, auch die stirnseitige Innenfläche des Meßstiftes für ein symmetrisches System zu nutzen. Bei dieser technischen Lösung ist der Meßkörper (3) nicht entsprechend Anspruch 1 als Rohr ausgebildet, sondern als ebene Fläche, die vorzugs weise eine Kreisquerschnitt aufweist, mit einem Durchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des Meßstiftes ist (33). Die Realisierung eines solchen symmetrischen Meßsystems ist in Abb. 14 und 15 dargestellt. Der Meßstift (2) des Meßge häuses weist bei einer verstärkten Zylinderwandung, deren Dicke keinen systembedingten Einschränkungen unterliegt, stirnseitig (29) eine Wandungsdicke zwischen 0,1 und 0,7 mm auf. Auf der Innenseite dieser stirnseitigen Wandung ist ein Metallträger (33) mit einem runden Kreisquerschnitt unter Zwischenbringung eines wärmeleitenden Mediums (4) mit der stirnseitigen Fläche des Meßstiftes (2) in wärmeleitenden Kontakt gebracht. Die Funktionselemente (5, 9, 6) sind auf dem Metallträger (33) unter Zwischenbringung einer elektrisch isolierenden aber wärmeleitenden Schicht, in den Innenraum des Meßstiftes weisend, aufgebracht. Zur thermischen Iso lierung dieses Meßsystems ist innerhalb des Meßstiftes ein wärmeisolierender Zylinder (30) eingepreßt und mit einer Feder (31), die in dem Gehäuse des Meßstiftes eingehakt ist, fixiert. Der restliche freibleibende Raum des Meßstiftes ist mit einem Harz aufgefüllt. Die elektrischen Anschlüsse der Funktionselemente (14) sind zu dem elektrischen Anschluß des Meßgehäuses herausgeführt. Die Ausbildung der Funktionsele mente kann in der Weise erfolgen, wie es bereits im voran gehenden beschrieben worden ist. Insbesondere können die Funktionselemente, in diesem Beispiel bestehend aus mäander förmig gebildeten Nickelleitbahnen (5, 6, 9) die auf eine Polyimidfolie aufgeschweißt sind, bestehen. A consequent continuation of the symmetrical measuring system described above is that the functional elements are not arranged on a cylinder wall as previously described, but that the functional elements are developed on one level. This opens up the possibility of also using the end face of the measuring pin for a symmetrical system. In this technical solution, the measuring body ( 3 ) is not designed as a tube according to claim 1, but as a flat surface, which preferably has a circular cross-section, with a diameter that is smaller than the inside diameter of the measuring pin ( 33 ). The implementation of such a symmetrical measuring system is shown in Fig. 14 and 15. The measuring pin ( 2 ) of the Meßge housing has a reinforced cylinder wall, the thickness of which is not subject to any system-related restrictions, the end face ( 29 ) has a wall thickness between 0.1 and 0.7 mm. On the inside of this end wall, a metal carrier ( 33 ) with a round circular cross-section is brought into heat-conducting contact with the end face of the measuring pin ( 2 ) with the interposition of a heat-conducting medium ( 4 ). The functional elements ( 5 , 9 , 6 ) are applied to the metal carrier ( 33 ) with the interposition of an electrically insulating but heat-conducting layer, pointing into the interior of the measuring pin. For thermal insulation of this measuring system, a heat-insulating cylinder ( 30 ) is pressed inside the measuring pin and fixed with a spring ( 31 ) which is hooked into the housing of the measuring pin. The remaining free space of the measuring pin is filled with a resin. The electrical connections of the functional elements ( 14 ) are led out to the electrical connection of the measuring housing. The formation of the functional elements can be carried out in the manner as has already been described above. In particular, the functional elements, in this example consisting of meandering nickel conductors ( 5 , 6 , 9 ) which are welded onto a polyimide film, can be made.
Räumlich sind diese Leitbahnen so ausgebildet, daß sie be züglich eines Durchmessers der kreisrunden Isolierfolie spiegelbildlich angeordnet sind. Das Heizelement (9) ist auf einer Hälfte dieses Kreisquerschnittes mit einem Tem peraturmeßelement (5) elektrisch isoliert aber wärmeleitend verbunden. Diese Anordnung ist herstellungstechnisch sehr einfach zu beherrschen, und läßt auch Techniken zu, die Auf dampfverfahren benutzen. Wegen dieser einfachen geometrischen Anordnung kann der Meßkörper auch aus einer Keramikscheibe bestehen, auf die die Funktionselemente als Dickschichtwider stände aufgebracht sind. Diese Keramikscheibe kann auch aus zwei in einer Ebene liegenden, jedoch getrennten Halbkreis flächen bestehen. In Abb. 16 ist dargestellt, daß der Meß körper (33) auch als auf einer Seite geschlossener Zylinder ausgeführt sein kann, wobei der Zylindermantel (34) eine Wanddicke aufweist, die größer ist als die stirnseitige Zylin derfläche (33). Dieser einseitig geschlossene Zylinder kann entweder einteilig aus einem homogenen Werkstoff gefertigt sein, oder auch als Klebteil mit einem auf eine plane Fläche aufgeklebten zylindrischen Ring (34) gefertigt sein. Die Funktionselemente (5, 9, 6) sind entweder im Innenraum oder im Außenraum des einseitig geschlossenen Zylinders wärmelei tend auf die stirnseitige Fläche (33) aufgebracht. Im übrigen sind alle in den vorhergehend aufgeführten Anwendungsbei spielen angegebenen Lösungen für die Aufbringung und Anordnung der Funktionselemente möglich.Spatially, these interconnects are designed so that they are arranged in mirror image with respect to a diameter of the circular insulating film. The heating element ( 9 ) is electrically insulated on one half of this circular cross section with a temperature measuring element ( 5 ) but is connected in a heat-conducting manner. This arrangement is very easy to master from a manufacturing point of view, and also allows techniques that use steaming processes. Because of this simple geometric arrangement, the measuring body can also consist of a ceramic disk on which the functional elements are applied as thick-film resistors. This ceramic disc can also consist of two in one plane, but separate semicircular surfaces. In Fig. 16 it is shown that the measuring body ( 33 ) can also be designed as a closed cylinder on one side, wherein the cylinder jacket ( 34 ) has a wall thickness that is greater than the end-side cylinder surface ( 33 ). This cylinder, which is closed on one side, can either be made in one piece from a homogeneous material, or it can also be made as an adhesive part with a cylindrical ring ( 34 ) glued onto a flat surface. The functional elements ( 5 , 9 , 6 ) are applied to the end face ( 33 ) either in the interior or in the exterior of the cylinder closed on one side. Incidentally, all of the solutions for the application and arrangement of the functional elements specified in the application examples given above are possible.
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