DE19610885B4

DE19610885B4 - Wärmeübergangsmeßgerät

Info

Publication number: DE19610885B4
Application number: DE1996110885
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Wind
Original assignee: Wind Ferdinand Dipl-Ing
Current assignee: AFM-SENSORIK GMBH, DE
Priority date: 1996-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2016-03-21
Also published as: DE19610885A1

Abstract

Wärmeübergangsmeßgerät mit einem von einem strömenden Meßfluid (38) beaufschlagbaren Meßkopf (10), der einen über eine wärmeleitende Trennwand (16) druckdicht gegenüber dem Meßfluid abgedichteten Innenraum (30) und einen im Innenraum (30) in thermischem Kontakt mit der Trennwand (16) stehenden, mindestens ein Heizelement (24) und ein Temperaturmeßelement (26) enthaltenden kalorimetrischen Sensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (16) als vorgefertigte dünnwandige Scheibe mit definierter Wandstärke ausgebildet ist, die mit einem Öffnungsrand (20) eines am Meßkopf (10) angeordneten Rohransatzes (14) materialschlüssig verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübergangsmessgerät mit einem von einem strömenden Messfluid beaufschlagbaren Messkopf, der einen über eine wärmeleitende Trennwand druckdicht gegenüber dem Messfluid abgedichteten Innenraum und einen im Innenraum angeordneten, in thermischem Kontakt mit der Trennwand stehenden, mindestens ein Heizelement und ein Temperaturmesselement enthaltenden, kalorimetrischen Sensor aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeübergangsmessgeräts.

Wärmeübergangsmessgeräte dieser Art werden vor allem als Strömungswächter zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten in strömenden Medien, als Füllstandssensoren oder als Phasendetektoren zur Übenrwachung des Wechsels von Dampf- und Flüssigkeitszuständen eingesetzt. Sie arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei welchem Temperaturänderungen aufgrund eines definierten Wärmeeintrags bestimmt und computergestützt ausgewertet werden. Bei bekannten Wärmeübergangsmessgeräten lässt vor allem die Herstellung des Messkopfes mit einer reproduzierbar ansprechenden wärmeübertragenden Trennwand zu wünschen übrig.

Weiter ist ein Messfühler zur Durchflussüberwachung eines strömenden Mediums bekannt (DE-U-9408085), der ein in eine Wandung einschraubbares Messgehäuse aufweist, das an einem Messteil einen in die Strömung hineinragenden, zylindrisch ausgebildeten Messstift aufweist. Der Messfühler enthält mit einer Innenwandung des Messstiftes in wärmeleitenden Kontakt gebrachte elektrische Funktionselemente, wobei die elektrischen Funktionselemente aus mindestens zwei Temperaturmesselementen und mindestens einem Heizelement oder einem ersten Temperaturmesselement und einem zweiten Temperaturmesselement, welches durch einen erhöhten Eigenstrom direkt geheizt ist, bestehen. Weitere Funktionselemente sind auf einen Träger eingebracht, der in einen zylindrischen Teil des in die Strömung hineinragenden Messstiftes von innen eingeschoben ist.

Bei einer weiteren Messvorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines strömenden Mediums (DE-A-3509416) ist sowohl ein in einem strömenden Medium angeordneter Strömungssensor als auch ein in einem nicht strömenden Medium angeordneter Referenzsensor vorgesehen, die in einer gemeinsamen schlanken Messsonde integriert sind. Die gemeinsame Messsonde ist dabei derart in das strömende Medium eingetaucht, dass der Strömungssensor dem strömenden Medium zugewandt ist, während der Referenzsensor im Gehäuseinnenraum der gemeinsamen Messsonde angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeübergangsmessgerät der eingangs angegebenen Art sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu entwickeln, dessen Messkopf einfach herstellbar ist und besonders gute und reproduzierbare Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Trennwand als vorgefertigte dünnwandige Scheibe mit definierter Wandstärke ausgebildet ist, deren Außenrand umlaufend mit einem Öffnungsrand eines am Meßkopf angeordneten Rohransatzes materialschlüssig verbunden ist. Die dünnwandige Scheibe kann dabei am Rohransatz beispielsweise durch Laserschweißen angeschweißt oder angelötet werden. Sie besteht zweckmäßig aus Metall, vorzugsweise aus dem gleichen Edelstahl wie das Rohrstück des Meßkopfs.

Die dünnwandige Scheibe, die zweckmäßig eine Wandstärke von 0,3 bis 0,5 mm aufweist, kann hinsichtlich ihrer Wandstärke sehr genau dimensioniert werden, so daß man bei der Herstellung der Wärmeübergangsmeßgeräte reproduzierbare Wärmeübergangseigenschaften erhält. Dies gilt umso mehr, als auch die Anbringung des kalorimetrischen Sensors an der vorgefertigten Scheibe leichter möglich ist als im Inneren eines Meßkopfes. Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn die vorgefertigte dünnwandige Scheibe zunächst mit dem kalorimetrischen Sensor wärmeleitend verbunden wird und erst anschließend die auf diese Weise konfektionierte Scheibe unter Bildung der Trennwand auf den freien Öffnungsrand des Rohransatzes mit nach dem Inneren des Meßkopfes weisendem Sensor druckdicht angeschweißt wird.

Der kalorimetrische Sensor kann dabei beispielsweise in Dickschichttechnik oder Dünnfilmtechnik vorgefertigt und auf die Scheibe wärmeleitend aufgeklebt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, den Sensor in Dünnfilmtechnik unmittelbar auf die metallische Scheibe aufzubringen.

Der Sensor weist zweckmäßig einen Keramikträger mit zwei im Abstand voneinander und von dem Temperaturmeßelement angeordneten Widerstandsheizelementen auf. Als Temperaturmeßelement kann ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC oder PTC) verwendet werden, der an eine externe Meßbrücke angeschlossen werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Meßkopf ein den Rohransatz tragendes, mit einem Außengewinde versehenes rotationssymmetrisches Gehäuseteil aufweist, das in eine Gewindebohrung eines flüssigkeitsdurchströmten Rohres druckdicht eingeschraubt werden kann. Im Innenraum des Gehäuseteils kann im Abstand von der Trennwand ein Anschlußstück angeordnet werden, das mit dem Heizelement und dem Temperaturmeßelement des Sensors galvanisch verbunden ist und an dem ein nach außen geführtes Anschlußkabel angeschlossen ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch ein Wärmeübergangsmeßgerät.
Das in der Zeichnung dargestellte Wärmeübergangsmeßgerät ist als Strömungswächter zur elektrischen Erfassung von Wärme verlusten in strömenden Medien, als Füllstandssonde oder als Phasendetektor zur Wasserdampferkennung bestimmt. Es besteht aus einem Meßkopf 10 mit einem rotationssymmetrischen Gehäuseteil 12 und einem stirnseitig über das Gehäuseteil 12 überstehenden Rohransatz 14, einer den Rohransatz 14 stirnseitig verschließenden dünnwandigen Trennwand 16 und einem auf der Innenseite der Trennwand 16 in wärmeleitender Verbindung mit dieser angeordneten kalorimetrischen Sensor 18. Die Trennwand 16 ist als vorgefertigte dünnwandige Metallscheibe mit einer definierten Wandstärke von etwa 0,4 mm ausgebildet, die mit dem Sensor 18 bestückt wird, bevor sie an den Öffnungsrand 20 des Rohransatzes 14 angeschweißt wird. Der Sensor 18 umfaßt einen Keramikträger 22, mindestens ein auf dem Keramikträger angeordnetes Widerstands-Heizelement 24 und ein Temperaturmeßelement 26. Das Heizelement 24 und das Temperaturmeßelement 26 sind über die Drähte 28 mit einem im Innenraum 30 des Gehäuseteils 12 angeordneten Anschlußstück 32 verbunden, an welchem seinerseits ein nach außen geführtes Kabel 34 angeschlossen ist. Der Meßkopf 10 weist im Bereich seines Gehäuseteils 12 ein Außengewinde 36 auf, mit dem es in eine entsprechende Gewindebohrung eines mit dem Meßfluid in Richtung des Pfeils 38 durchströmten Rohres 40 flüssigkeitsdicht einsetzbar ist. Der Meßkopf 10 ist über das Kabel 34 an ein externes Steuer- und Auswertegerät 42 anschließbar.

Claims

Wärmeübergangsmeßgerät mit einem von einem strömenden Meßfluid (38) beaufschlagbaren Meßkopf (10), der einen über eine wärmeleitende Trennwand (16) druckdicht gegenüber dem Meßfluid abgedichteten Innenraum (30) und einen im Innenraum (30) in thermischem Kontakt mit der Trennwand (16) stehenden, mindestens ein Heizelement (24) und ein Temperaturmeßelement (26) enthaltenden kalorimetrischen Sensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (16) als vorgefertigte dünnwandige Scheibe mit definierter Wandstärke ausgebildet ist, die mit einem Öffnungsrand (20) eines am Meßkopf (10) angeordneten Rohransatzes (14) materialschlüssig verbunden ist.
Wärmeübergangsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Scheibe (16) am Rohransatz (14) angeschweißt oder angelötet ist.
Wärmeübergangsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Scheibe (16) aus Metall besteht.
Wärmeübergangsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Scheibe (16) mittels einer Laserschweißnaht mit dem Rohransatz (14) verbunden ist.
Wärmeübergangsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgefertigte dünnwandige Scheibe (16) mit dem Sensor (18) bestückt ist.
Wärmeübergangsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Scheibe (16) und der Rohransatz (14) des Meßkopfs (10) aus dem gleichen Metall, vorzugsweise aus Edelstahl bestehen.
Wärmeübergangsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen mit der dünnwandigen Scheibe (14) flächig wärmeleitend verbundenen, vorzugsweise verklebten, mit dem Heizelement und dem Temperaturmeßelement bestückten Keramikträger (22) aufweist.
Wärmeübergangsmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikträger (22) zwei im Abstand voneinander und von dem Temperaturmeßelement (26) angeordnete Widerstandsheizelemente (24) trägt.
Wärmeübergangsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (10) ein den Rohransatz (14) tragendes, mit einem Außengewinde (36) versehenes rotationssymmetrisches Gehäuseteil (12) aufweist.
Wärmeübergangsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (30) des Meßkopfs (10) im Abstand von der Trennwand (16) ein Anschlußstück (32) angeordnet ist, das mit dem Sensor (18) galvanisch verbunden ist und an dem ein nach außen geführtes Anschlußkabel (36) angeschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung eines aus einem Meßkopf (10) und einem mit einer Trennwand (16) des Meßkopfs (10) wärmeleitend verbundenen kalorimetrischen Sensor (18) bestehenden Wärmeübergangsmeßgeräts, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünnwandige, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehende Scheibe (16) mit definierter Wandstärke einseitig mit dem Sensor (18) wärmeleitend verbunden wird, und daß anschließend die auf diese Weise konfektionierte Scheibe unter Bildung der Trennwand (16) auf einen freien Öffnungsrand (20) eines Rohransatzes (14) des Meßkopfs (10) mit nach dem Innenraum weisendem Sensor (18) druckdicht angeschweißt, angelötet oder angeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (16) mittels eines Laserstrahls am Rohransatz (14) angeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der in Dickschichttechnik oder Dünnfilmtechnik vorgefertigte Sensor (18) auf die vorgefertigte Scheibe (16) aufgeklebt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (18) in Dünnfilmtechnik unmittelbar auf die Scheibe (16) aufgebracht wird.