DE4017877C2 - Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 18.

Meßfühler zur Durchflußüberwachung, die als kalorimetrische Strömungswächter arbeiten, sind aus den Schriften DE 24 47 617 A1, DE 34 19 504 A1, DE-OS 20 13 483, DE-Gbm 72 45 666 und US 4 776 214 sowie den Schriften GB 601 298, DE 30 06 584 A1, DE 88 15 826 U1 und DE-AS 14 73 158 bekannt, wobei sich die vier letztgenannten Schriften auf von einer Strömung durchflossene Meßrohre beziehen.

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, sind in der DE 32 13 902 A1 und der DE 37 13 981 A1 dargelegt. Die Funktion dieser Strömungswächter besteht im Prinzip darin, daß einerseits eine Temperaturmessung des an dem Meßstift vorbeiströmenden Mediums durch einen innerhalb des Meßstiftes mit dessen Zylinder-Innenmantel in wärmeleitenden Kontakt gebrachten Temperatursensors erfolgt. An der stirnseitigen Innenwandung des Meßstiftes sind ein weiteres Temperaturmeßelement 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 Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor. Diese Temperaturdifferenzen werden von den Temperatursensoren vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsänderung erfaßt. Das Grundkonzept der DE 32 13 902 A1 beruht darauf, daß die Temperaturdifferenzmessung koaxial innerhalb des Meßstiftes erfolgt. Insbesondere wird für den Wärmeübergang des zusätzlich beheizten Elementes die stirnseitige Fläche des Meßstiftes verwendet, während zur Temperaturmessung des vorbeiströmenden Mediums ein Teil des zylindrischen Wandungsumfanges benutzt wird. Auf diesem Prinzip basieren auch nachfolgende Schriften (DE 37 13 981 A1, DE 38 25 059 C1, EP 0 357 903 A2, EP 0 330 915 A2), die im wesentlichen die technische Ausgestaltung dieser Konzeption betreffen.

Der Nachteil dieses obengenannten auf einem koaxialen Meßsystem innerhalb eines zylindrischen Meßstiftes beruhenden Grundkonzeptes besteht darin, daß die Wärmeübergangswiderstände oder auch die die Sensoren umgebenden 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 des Mediums oder auch bei Überdeckung großer Temperaturbereiche, ergeben sich Fehlreaktionen dieser Systeme im dynamischen Temperaturübergang. Konsequenterweise ist in der Fortbildung der Grundkonzeption die Eigenmasse 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 Temperatursensoren zwischen dem Zylindermantel und dem stirnseitigen planen Meßstiftabschluß wird bei den genannten Weiterbildungen dadurch zu lösen versucht, daß dünne Wandungen für den zylindrischen Meßstift und kleine Massen für das in diesen Meßstift eingebaute Meßsystem verwendet werden. Diese Lösungen erzwingen 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 zylindrischen Meßfühlers auftreten.

Ein neuartiger Weg, der die Abkehr von dem eingangs beschriebenen asymmetrischen Meßverfahren darstellt, ist in der DE 35 14 491 A1 dargelegt. Die in dieser Schrift angegebene Lösung zeigt, daß es zur Erreichung einer schnellen elektrischen Reaktion eines Strömungswächters darauf ankommt, die Meßsysteme des ersten Temperatursensors und des zweiten Temperatursensors elektrisch und mechanisch symmetrisch anzuordnen. Die mechanische symmetrische Anordnung wird nach der DE 35 14 491 A1 dadurch verwirklicht, 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.

In der weiteren Fortbildung dieses Grundkonzeptes ist in der DE 40 03 638 A1 eine Lösung beschrieben, die die mechanisch konstruktiven Vorzüge der DE 32 13 902 A1 mit den elektrischen und funktionstechnischen Vorzügen der DE 35 14 491 A1 verbindet. Die konstruktiven Nachteile der in der letztgenannten Schrift angegebenen technischen Lösung bestehen darin, die mechanische Symmetrie zu gewährleisten, weil für die Anbringung von Sackbohrungen in einem homogenen 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.

Die wesentlichen konstruktiven Merkmale eines Meßfühlers nach der DE 40 03 638 A1 bestehen darin, daß für den Meßfühler ein in eine Wandung einschraubbares Meßgehäuse verwendet wird, welches einen einteilig stirnseitig in die Strömung hineinragenden zylindrischen Meßstift aufweist, der stirnseitig zu dem strömenden Medium hin geschlossen ist, und daß die Innenwandung des Zylinders mit zwei einander gegenüberliegenden Meßelementen, die mit der Innenwandung des zylindrischen Meßstiftes elektrisch isoliert, aber wärmeleitend verbunden sind, einander innerhalb dieses Zylinders bezüglich seiner Längsachse gegenüberliegen, wobei die Temperaturmeßelemente und das Heizelement in wärmeleitenden Kontakt mit einem vorzugsweise metallischen Träger gebracht sind, der federnd zusammengedrückt in den Innenraum des Meßzylinders einsteckbar ist und nach Entspannen des Trägers die Meß- und Heizelemente zusammen mit dem Träger wärmeleitend an 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 Elemente umgebenden Wärmekapazitäten einander gleich. Die Wandungsstärke des zylindrischen Meßstiftes geht nicht entscheidend in die Reakionsgeschwindigkeit 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 beeinträchtigt 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 obengenannte Schrift verwiesen.

Während das obengenannte 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 Vorfeld der endgültigen Fühlerherstellung zulassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Weiterbildung des symmetrischen Systems zur vereinfachten Produktion des Meßsystems anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Meßfühler mit den Merkmalen nach den Patentansprüchen 1 und 18 gelöst. Die vorzugsweise auf einer Folie aufgebrachten Funktionselemente sind auf ein Rohr aufgeklebt, in der Weise, daß die Temperaturmeßelemente und ein Heizelement sich bezüglich der Senkrechten zur Rohrachse auf diesem Zylinder gegenüberliegend befinden. Dieser so mit einer Folie umwickelte Zylinder, nachfolgend Meßkörper genannt, soll einen Außendurchmesser aufweisen, der geringfügig kleiner ist als der Innnendurchmesser 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 Meßstiftes 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 die beim Einbringen des Meßkörpers aufgrund der geringen Durchmesserdifferenz des Meßkörpers und des Innendurchmessers des Meßstiftes auftretenden Reibungswiderstände und Blasenbildungen verringert sind. Die pulverförmigen Granulate, die mit einem äußerst kleinen Korndurchmesser ausgeführt sein können, haben eine schmierende Eigenschaft, so daß ein einfaches Einschieben des Meßkörpers in den inneren Teil des Meßstiftes möglich ist. Wird der Meßfühler bei diesem Einsetzvorgang gleichzeitig einer Vibration ausgesetzt, erfolgt eine Verdichtung des feinkörnigen Wärmeleitpulvers. Eine Wärmenachbehandlung des Gesamtsystems, die zum Sintern oder Schmelzen des Wärmeleitmediums führt, ist auch möglich. Überschüssiges Pulver kann nach dem Einsatzvorgang abgesaugt werden. Ein entscheidender Vorteil bei der Anwendung eines Wärmeleitpulvers besteht darin, daß ein in dieser Weise ausgestalteter Meßfühler auch hohen Temperaturen ausgesetzt werden kann, weil bei starkem Temperaturwechsel nicht die Gefahr besteht, daß die Viskosität einer Wärmeleitpaste im zeitlichen Verlauf den linearen Längen- und Querschnittsdehnungen nicht mehr folgen kann. Neben einem pulverförmigen Wärmeleitmedium kann auch ein flüssiges Medium eingesetzt werden, z. B. Silikonöl. Aufgrund des geringen Spaltes zwischen dem Außendurchmesser des Meßkörpers und dem Innendurchmesser des Meßzylinders wird dieses Silikonöl aufgrund der Kapillarwirkung vollschlüssig in den Spalt gesaugt. Wird zudem in den Innenraum des Meßkörpers ein Hartschaumkern, vorzugsweise mit geschlossenen Poren, eingepreßt, so ist auf Dauer gewährleistet, 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 entweder an dem Meßkörper selbst oder am Boden des Zylinders ein dichtender Zentrierring, vorzugsweise ein O-Ring, angeordnet sein, der die exakte Zentrierung des Meßkörpers an seinem stirnseitigen, dem Meßstift zugewandten Teil gewährleistet. Die Funktionselemente des Meßkörpers bestehen aus einem ersten Temperatursensor und einem zweiten Temperatursensor, der wärmeleitend mit einem Heizelement gekoppelt ist. Die Temperatursensoren bestehen vorzugsweise aus einem Metall, dessen elektrischer Widerstand einen näherungsweise linearen Temperaturkoeffizienten aufweist, z. B. aus Nickel. Das Heizelement kann hingegen aus Konstantan, das einen nahe Null liegenden Widerstandskoeffizienten 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 anschließend geätzt wird, daß sich mäanderförmige Widerstandsbahnen ergeben. Die Funktionselemente des Meßkörpers können auf einer solchen Folie in der Weise angeordnet sein, 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 geätzten Folie zwei Streifenleitungen entstehen, die die Anschlußführungen der Funktionselemente tragen, 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 um den Meßkörper gewickelt, so daß die Funktionselemente von dieser Folie nach dem Umwicklungsvorgang abgedeckt sind. In der Regel erübrigt sich bei diesem Umwicklungsvorgang eine Zwischenfügung eines wärmeleitenden Mediums, weil der Wärmeübergangswiderstand der dünnen Folie (Dicke ca. 50 Mikrometer) vernachlässigt werden kann. Von größerer Bedeutung ist bei diesem Vorgehen jedoch die sichere mechanische Haftung der Folie auf den Funktionselementen, was durch die Einbringung eines zusätzlichen Klebers oder durch Verschweißen sichergestellt werden kann.

Die Anwendung eines als Rohr ausgebildeten Meßkörpers kann grundsätzlich auch für Systeme erfolgen, in denen die Strömung nicht wie in den bisher beschriebenen Systemen an einem Meßstift äußerlich vorbeiströmt, sondern durch ein Meßrohr hindurchfließt, ohne daß dies Gegenstand der Patentansprüche ist. 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 übergeschoben, durch welches die Strömung fließt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, daß das von der Strömung durchflossene 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 Meßfühler für Stiftanwendungen durchgeführt wird. Dadurch ist nur ein Herstellungsverfahren für Meßkörper für zwei verschiedene Anwendungen nötig.

Eine Ausbildung der Erfindung, die neben der Feststellung des Vorhandenseins einer Strömung auch ihre Richtung bestimmbar macht, kann darin bestehen, daß auf dem Meßkörper gegenüberliegend 4 Temperaturmeßelemente aufgebracht sind, die dann einen Winkelabstand von je 90° haben. Zwei gegenüberliegende Temperaturmeßelemente sind zusätzlich mit einem Heizelement gekoppelt. Die elektrischen Widerstände dieser beiden indirekt beheizten Temperaturmeßelemente 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 dieses zusätzlich beheizten Temperaturmeßelementes die Strömungsrichtung bzw. deren Umkehr durch einen entsprechenden Vorzeichenwechsel der ausgewerteten Differenzspannung dieser Temperaturmeßelemente abgeleitet werden. Die anderen beiden um 90° versetzten Temperaturmeßelemente 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 auch denkbar, die Widerstände nicht auf eine Folie, sondern direkt auf das metallische Rohr des Meßkörpers aufzubringen. Dies kann in der Weise geschehen, daß nach Aufbringung einer elektrisch isolierenden aber gut wärmeleitenden Schicht, wie es aus der Technik von Leistungstransistoren bekannt ist, die Widerstände entweder als großflächige Dickschicht oder als aufgedampfte Metallschicht aufgebracht werden. Diese Schichten können bezüglich ihres thermischen Ausdehnungsverhaltens genau dem Ausdehnungskoeffizienten des verwendeten Metallträgerrohres angepaßt werden. Zur elektrischen Isolation gegenüber der inneren Wandung des Meßstiftes wird dann eine weitere Isolationsschicht auf den Meßkörper aufgebracht. Dieses System läßt sich in der Weise auslegen, daß bislang nicht erreichte Mediumstemperaturen um 150° erfaßbar werden. Bei diesem Verfahren können gleichzeitig zusätzliche Eichwiderstände mit auf den Meßträger aufgebracht werden. Diese zusätzlichen Justier- und Abgleich-Elemente müssen nicht zwingend diskrete Elemente sein, sondern sind auch in Folientechnik realisierbar.

Die Einbringung eines Meßkörpers in den Meßstift (oder das Aufschieben eines Meßkörpers auf ein Meßrohr) hat noch den entscheidenden Vorteil, daß die Druckstabilität gegen einen allseits wirkenden Druck auf den Meßstift oder auf das Meßrohr entschieden verbessert wird. Während geschlitzte federartige Systeme dem Druck ausweichen, hält ein als Rohr ausgebildeter Meßkörper auch hohen Drücken stand und erhöht wesentlich die Druckstabilität des Meßfühlers insgesamt. Bei dieser Druckstabilisierung spielt das in dem Rohrspalt zwischen dem Außendurchmesser des Meßkörpers und dem Innendurchmesser des Meßstiftes eingebrachte Wärmeleitmedium eine große Rolle. Während Flüssigkeiten 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.

Weitere Ausbildungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen niedergelegt. Ausgestaltungsbeispiele sind nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3, 5, 7 bis 11 und 14 bis 16 beschrieben. Die Fig. 4, 6, 12 und 13 zeigen ergänzend Meßrohrsysteme, die nicht Gegenstand der Patentansprüche sind.

Der Meßfühler nach Fig. 1 und 2 besteht aus einem Meßgehäuse 1, welches in seinem dem elektrischen Anschluß abgewandten Teil eine Gehäuseverengung, den Meßstift 2, aufweist. Der Meßstift und damit das Meßgehäuse sind gegenüber dem diesen Meßstift umströmenden Medium geschlossen und einteilig aus einem homogenen Material gefertigt. Innerhalb des als Hohlkörper ausgebildeten Meßstiftes ist ein Rohr, der eigentliche Meßkörper 3, eingebracht. Der Meßkörper 3 ist z. B. 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 aufgeklebt. Die elektrischen Anschlüsse der Temperaturmeßelemente sind durch Ausschnitte 8 in dem Trägerrohr zum elektrischen Anschluß des Meßfühlers 1 herausgeführt. Wird ein Temperaturmeßfühler durch erhöhten Eigenstrom beheizt, 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 hineingesteckt ist. Diese Differenztemperatur wird auch dann gemessen, wenn der Meßstift einem strömenden Medium ausgesetzt ist. Dabei ergibt sich eine elektrische Differenzspannung zwischen den Temperaturmeßelementen 5, 6, die abhängig ist von der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums. Eine entsprechende Funktion erhält man auch, wenn statt der direkten Heizung eines Temperaturmeßelementes dieses indirekt durch eine zusätzliche Heizschleife beheizt wird. Hierbei ist vorausgesetzt, daß sowohl die Heizschleife wie das Temperaturmeßelement und die Innenwandung des Meßstiftes in einen gleichmäßigen wärmeleitenden Kontakt gebracht sind. Die Temperatur- und Heizelemente, die nachfolgend auch als Funktionselemente bezeichnet sind, können in verschiedener Weise auf das Trägerrohr aufgebracht werden. Dies zeigen die Fig. 3 und 5. In Fig. 3 sind die Funktionselemente auf das Trägerrohr geklebt und befinden sich zwischen der Innenwandung des Meßstiftes und der Außenwandung des Meßkörpers. In Fig. 5 sind die Funktionselemente innerhalb des Trägerrohrs 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 druck- und wärmeschlüssige 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 auftreten kann, ist es auch möglich, anstelle eines Metallrohres ein Keramikrohr zu verwenden. Ein Keramikrohr bietet auch dann sehr große Vorteile, wenn die Funktionselemente als Dickschichtelemente von außen auf dieses Rohr aufgebracht werden. So lassen sich sehr kostengünstige Strömungssensoren fertigen. Eine besondere Ausgestaltungsmöglichkeit zeigt Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 7a. Werden drei Funktionselemente in einem Winkel von 120° auf das Trägerrohr aufgebracht und wird jedes Temperaturmeßelement zusätzlich mit einem Heizelement gekoppelt, so ist es durch eine elektrisch durchführbare vektorielle Addition der drei Einzelspannungen, die sich an den Temperaturmeßelementen 5, 6 ergeben, möglich, die Richtung der Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zum Meßstift des Meßfühlers in einer laminaren Strömung zu bestimmen. Geht es nur darum, zwei Strömungsrichtungen zu unterscheiden, so genügt es, die Funktionselemente so anzuordnen, daß je ein Temperaturmeßelement und ein Heizelement sich gegenüberliegend auf dem Meßkörper 3 befinden. Die Temperatur des Mediums kann dann stirnseitig an der Innenwandung des Meßstiftes ermittelt werden (Fig. 3 Bezugszeichen 6′). Diese Anordnung hat den Vorteil, auch bei turbulenter Strömung, bei der keine Unterscheidung einer Richtung mehr möglich ist, das Vorhandensein des Strömungsflusses zuu erfassen. In dieser Anordnung ist eine vektorielle Addition von Einzelspannungen nicht erforderlich, es genügen vielmehr zwei Differenzverstärker, wovon ein Verstärker die elektrische Spannungsdifferenz zwischen den Meßsystemen 5, 9 und 6, 9 bestimmt, wobei das Vorzeichen der elektrischen Spannung der Strömungsrichtung zuordenbar ist, während die Differenzspannung zwischen dem System 5, 9 und 6′ oder 6, 9 und 6′ die Strömung des Mediums darstellt.

In Fig. 4 ist ergänzend 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 Meßrohr 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 Temperaturmeßelement bestehen, und wo das Temperaturmeßelement 6 nach Fig. 6 senkrecht zur Strömungsrichtung auf der gegenüberliegenden Seite des Rohres aufgebracht ist.

Die Fig. 7 und 7a zeigen auf, in welcher Weise die Funktionselemente zueinander angeordnet auf einer Isolationsschicht, vornehmlich einer Folie, aufgebracht sein können. In Fig. 7 ist gezeigt, daß die Isolierfolie die doppelte Länge des Meßkörperumfanges aufweist. Hierbei befinden sich die Funktionselemente auf einer Hälfte der Folie, während die andere Hälfte der Folie 11 während des Klebevorganges auf die Funktionselemente aufgewickelt wird.

In den Fig. 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 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, insbesondere Edelstahl, gefertigt. Im Inneren des Meßstiftes ist ein Rohrabschnitt, der Meßkörper 3, eingeschoben. Auf dessen Trägerrohr ist eine Folie gewickelt, auf die die Funktionselemente 5, 9 und 6 aufgebracht sind. Diese Folie weist die doppelte Umfanglänge des Trägerrohrs auf, wobei die Funktionselemente nur auf einer Hälfte dieser Folie aufgebracht sind. Die verbleibende Folienlänge 15 wird nochmals aufgewickelt, 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 an ein Kabel 17 herausgeführt 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 dem Meßkörper 3 festgeklemmt. Während zwischen der Innenwandung des Meßstiftes und der Außenwandung des Meßkörpers ein wärmeleitfähiges Medium eingefüllt ist, ist der restliche Innenraum des Meßfühlers mit Gießharz aufgefüllt.

Eine für die Produktion günstige Ausführung eines Meßfühlerinnen- und -oberteils zeigen die Fig. 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 Innenraum des Meßfühlers geführt. Der innere Isolierkörper des Steckers weist eine Bohrung 24 auf, in welche das Trägerrohr des Meßkörpers 3 eingesteckt ist. Die Länge des Meßkörpers ist so gewählt, daß es gerade stirnseitig mit der inneren Wandung des nicht dargestellten Meßstiftes abschließt. Im Bereich des Meßstiftes sind die auf einer Folie aufgebrachten Funktionselemente 5, 9, 6 auf das Trägerrohr aufgewickelt und festgeklebt. Jeweils um 180° versetzt, bezogen auf den Umfang des Meßkörpers, sind aus der Folie Streifen 22 ausgeschnitten, auf welchen die Anschlüsse 14 zum Stecker herausgeführt sind. Diese Streifen sind ebenfalls auf das Trägerrohr geklebt. Der innere Teil des Meßkörpers ist zumindest im Bereich des Meßstiftes mit Hartschaum 13 versehen. Der elektrische Anschluß zwischen den Kontaktstiften des Steckers 20 und den Kontakten der Funktionselemente 14 erfolgt über separate Anschlußleitungen. Wie in dieser Zeichnung nicht dargestellt ist, kann das Rohr, welches nicht elektrisch mit dem Meßfühlergehäuse verbunden ist, über einen besonderen Erdungsdraht an einen Steckerstift geführt werden. Dieser Steckerstift kann auf Minus oder auf das Vergleichspotential 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.

Die Kapazitäten gegenüber dem Meßkörper 3 können durch Verwendung einer geeignet dünnen Folie dabei groß gemacht werden. Eine weitere Möglichkeit, den Meßkörper 3 mit der Ausnehmung in dem Steckerteil 24 zu verbinden, besteht darin, den Meßkörper 3 so kurz zu wählen, daß es möglich ist, einen Kunststoffstab sowohl in den Meßkörper 3 einzukleben, wie auch als Verlängerung in die Ausnehmung 24 des Steckers 18 einzufügen.

Den Fall eines von der Strömung durchflossenen Meßrohres zeigen ergänzend die Fig. 12, 13. Auf dem Meßrohr 23 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 Fig. 13. Die Funktionselemente 5, 9, 6 sind auf einen Meßkörper 3 aufgebracht. Dieser Meßkörper ist vermittels einer Wärmeleitsubstanz in wärmeleitenden Kontakt mit dem Meßrohr 23 gebracht. Diese Anordnung hat den wesentlichen Vorteil, daß die Druckfestigkeit des inneren Meßrohres 23 durch das aufgeschobene Rohr des Meßkörpers wesentlich erhöht ist. Insbesondere bei der Verwendung von Präzisionsrohren, die sehr genau ineinander passen, ist die Anwendung eines Wärmeleitmediums überflüssig und es kann ein geeigneter dünnflüssiger Kleber, z. B. ein Zyano-Kleber, verwendet werden. Der schlechte Wärmewiderstand solcher Kleber ist in diesem Fall völlig belanglos, weil der Wärmeübergangswiderstand von dünnen Schichten vernachlässigt werden kann.

Eine konsequente Weiterführung des symmetrischen Meßsystems besteht darin, daß die Funktionselemente nicht wie bisher beschrieben, auf einer Zylinderwandung angeordnet sind, sondern daß die Funktionselemente 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 33 als ebene Fläche ausgebildet, die vorzugsweise einen Kreisquerschnitt mit einem Durchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des Meßstiftes ist, aufweist. Die Realisierung eines solchen symmetrischen Meßsystems ist in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Der Meßstift 2 des Meßgehäuses 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 des Meßkörpers 33 unter Zwischenbringung einer elektrisch isolierenden aber wärmeleitenden Schicht zum Innenraum des Meßstiftes weisend aufgebracht. Zur thermischen Isolierung 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 14 der Funktionselemente sind zu dem elektrischen Anschluß des Meßgehäuses herausgeführt. Die Ausbildung der Funktionselemente kann in der Weise erfolgen, wie es bereits im vorangehenden beschrieben worden ist. Insbesondere können die Funktionselemente wie in diesem Beispiel aus mäanderförmig gebildeten Nickelleitbahnen 5, 6, 9, die auf eine Polyimidfolie aufgeschweißt sind, bestehen.

Räumlich sind diese Leitbahnen so ausgebildet, daß sie bezüglich eines Durchmessers der kreisrunden Isolierfolie spiegelbildlich angeordnet sind. Das Heizelement 9 ist auf einer Hälfte dieses Kreisquerschnittes mit einem Temperaturmeßelement 5 elektrisch isoliert aber wärmeleitend verbunden. Diese Anordnung ist herstellungstechnisch sehr einfach zu beherrschen und läßt auch Techniken zu, die Aufdampfverfahren benutzen. Wegen dieser einfachen geometrischen Anordnung kann der Meßkörper auch aus einer Keramikscheibe bestehen, auf die die Funktionselemente als Dickschichtwiderstände aufgebracht sind. Diese Keramikscheibe kann auch aus zwei in einer Ebene liegenden, jedoch getrennten Halbkreisflächen bestehen. In Fig. 16 ist dargestellt, daß der Meßkörper 33 auch als auf einer Seite geschlossener Zylinder ausgeführt sein kann, wobei der Zylindermantel 34 eine Wanddicke aufweist, die größer ist als die stirnseitige Zylinderfläche. Dieser einseitig geschlossene Zylinder kann entweder einteilig aus einem homogenen Werkstoff 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 wärmeleitend auf die stirnseitige Fläche aufgebracht. Im übrigen sind alle in den vorhergehend aufgeführten Anwendungsbeispielen angegebenen Lösungen für die Aufbringung und Anordnung der Funktionselemente möglich.

Claims (27)

1. Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums aus einem in einer Wandung anbringbaren Meßgehäuse, welches einen in das strömende Medium hineinragenden zylindrisch ausgebildeten Meßstift aufweist, der nur zum Innenraum des Meßgehäuses weisend geöffnet ist und der mit seiner Innenwandung in wärmeleitenden Kontakt gebrachte elektrische Funktionselemente enthält, wobei die elektrischen Funktionselemente aus mindestens zwei Temperaturmeßelementen und mindestens einem Heizelement oder aus einem ersten Temperaturmeßelement und einem zweiten Temperaturmeßelement, welches durch einen erhöhten Eigenstrom direkt geheizt ist, bestehen und wobei die elektrischen Funktionselemente auf einem Träger aufgebracht sind, von dem sie elektrisch isoliert, mit dem sie aber wärmeleitend verbunden sind und der in den Meßstift eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Trägerrohr ist und sich die Temperaturmeßelemente auf der Trägerrohrwandung in gleicher Höhe und jeweils um gleiche Winkelintervalle entlang des Trägerrohrumfangs versetzt befinden.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgehäuse in die Wandung einschraubbar ist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr aus Metall besteht.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr über einen Erdungsdraht an einen Steckerstift angeschlossen ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr aus Keramik besteht.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerrohr hartschaumgefüllt ist.

7. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Funktionselemente auf der äußeren oder inneren Trägerrohrwandung aufgebracht sind.

8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Funktionselemente als auf eine elektrisch isolierende Folie aufgebrachte elektrische Widerstände, vorzugsweise Folienwiderstände, ausgebildet sind.

9. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektischen Funktionselemente auf dem Trägerrohr nach Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht als elektrische Widerstände aufgedampft oder als Dickschicht aufgebracht sind.

10. Meßfühler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstände jeweils mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen sind, die, voneinander elektrisch isoliert, zueinander abschnittsweise parallel verlaufen.

11. Meßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß von den parallel verlaufenden Leiterbahnen mindestens eine Leiterbahn, die vorzugsweise aus Nickel besteht, ein Temperaturmeßelement ist und mindestens eine Leiterbahn, die vorzugsweise aus Konstantan besteht, ein Heizelement ist.

12. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er vier auf dem Trägerrohr einander gegenüberliegende Temperaturmeßelemente aufweist, wovon zwei einander gegenüberliegende Temperaturmeßelemente zusätzlich mit einem Heizelement gekoppelt sind.

13. Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstände der mit einem Heizelement gekoppelten Temperaturmeßelemente in einer Brückenschaltung zu einer Differenzspannung führen, die bezogen auf einen mittleren Wert vorzugsweise einen positiven oder einen negativen Spannungswert liefert.

14. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Temperaturmeßelement mit einem Heizelement elektrisch isoliert, aber wärmeleitend verbunden ist.

15. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenwandung des Trägerrohrs und der Innenwandung des Meßstiftes (8) ein Wärmeleitmedium eingebracht ist.

16. Meßfühler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitmedium aus Wärmeleitpaste oder einem pulverförmigen Granulat hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminiumoxidkeramik oder Titandioxid, besteht oder eine flüssige Konsistenz aufweist.

17. Meßfühler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitmedium durch Wärmebehandlung gesintert oder geschmolzen ist.

18. Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums aus einem in einer Wandung anbringbaren Meßgehäuse, welches einen in das strömende Medium hineinragenden zylindrischen Meßstift aufweist, der nur zum Innenraum des Meßgehäuses weisend geöffnet ist und der mit seiner stirnseitigen Innenwandung in wärmeleitenden Kontakt gebrachte elektrische Funktionselemente enthält, wobei die elektrischen Funktionselemente aus zwei Temperaturmeßelementen und einem Heizelement bestehen und wobei die elektrischen Funktionselemente auf einem Träger aufgebracht sind, von dem sie elektrisch isoliert, mit dem sie aber wärmeleitend verbunden sind, der in den Meßstift eingeschoben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine kreisförmige Scheibe ist, daß die zwei Temperaturmeßelemente bezüglich einer Geraden, die die Fläche der Trägerscheibe in gleiche Hälften teilt, spiegelbildlich auf je einer Hälfte der Trägerscheibe angeordnet sind und daß das Heizelement auf nur einer dieser Hälften liegt und dem dortigen Temperaturmeßelement benachbart, von ihm elektrisch isoliert, aber wärmeleitend mit ihm verbunden ist.

19. Meßfühler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe aus Metall besteht.

20. Meßfühler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe aus Keramik besteht.

21. Meßfühler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheibe durch zwei voneinander getrennte Halbkreisflächen gebildet wird.

22. Meßfühler nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheibe einen zylindrisch aufgesetzten Ring aufweist.

23. Meßfühler nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Meßstiftes über der Trägerscheibe ein wärmeisolierender Zylinder eingepreßt ist, der mit einer Feder, die in dem Gehäuse des Meßstiftes eingehakt ist, fixiert ist.

24. Meßfühler nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Funktionselemente als auf eine elektrisch isolierende Folie aufgebrachte elektrische Widerstände, vorzugsweise Folienwiderstände, ausgebildet sind.

25. Meßfühler nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Funktionselemente der Trägerscheibe nach Aufbringen einer elektrischen Isolationsschicht als elektrische Widerstände aufgedampft oder als Dickschicht aufgebracht sind.

26. Meßfühler nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Widerstände jeweils mäanderförmig verlaufende Leiterbahnen sind, die, voneinander elektrisch isoliert, zueinander abschnittsweise parallel verlaufen.

27. Meßfühler nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß von den parallel verlaufenden Leiterbahnen die Temperaturmeßelemente aus Nickel bestehen und das Heizelement aus Konstantan besteht.