DE20309694U1 - Flow meter has heater and temperature sensor in single cover - Google Patents
Flow meter has heater and temperature sensor in single coverInfo
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Abstract
Description
Gesthuysen, von Rohr & EggertGesthuysen, by Rohr & Eggert
03.0399.7.se Essen, den 23. Juni 200303.0399.7.se Essen, 23 June 2003
der Firmathe company
i fm electronic gmbh Teichstraße 4i fm electronic gmbh Teichstrasse 4
45127 Essen45127 Essen
mit der Bezeichnungwith the label
"Strömungssensor und Baueinheit aus einem Strömungssensor und einem geraden Leitungsstück""Flow sensor and assembly consisting of a flow sensor and a straight pipe section"
i"vii"vi
Strömungssensor und Baueinheit aus einem Strömungssensor und einem geraden LeitungsstückFlow sensor and assembly consisting of a flow sensor and a straight pipe section
Die Erfindung betrifft einen Strömungssensor für strömende Medien, mit einem ein Meßgehäuse, mindestens ein Heizelement und mindestens ein Temperaturmeßelement aufweisenden Meßkopf und mit einem direkt oder indirekt mit dem Meßkopf verbundenen, eine Steuer- und Auswerteelektronik und ggf. eine Anzeigeeinrichtung aufweisenden Sensorgehäuse. Daneben betrifft die Erfindung noch eine Baueinheit aus einem Strömungssensor und einem geraden Leitungsstück, durch das das strömende Medium fließt.The invention relates to a flow sensor for flowing media, with a measuring head having a measuring housing, at least one heating element and at least one temperature measuring element and with a sensor housing connected directly or indirectly to the measuring head and having control and evaluation electronics and, if necessary, a display device. In addition, the invention also relates to a structural unit comprising a flow sensor and a straight line section through which the flowing medium flows.
Eingangs ist gesagt worden, daß die Erfindung einen Strömungssensor betrifft. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dabei der Begriff "Strömungssensor" ganz allgemein verstanden; umfaßt werden soll sowohl eine Ausführungsform, bei der eine Strömung lediglich kontrolliert wird, bei der also lediglich das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein einer bestimmten Strömung festgestellt wird, als auch eine Ausfuhrungsform, bei der eine Strömung gemessen wird, d.h. ein der Strömung entsprechender analoger oder digitaler Meßwert gewonnen wird. Derartige Strömungssensoren werden häufig auch als Strömungswächter oder aufgrund ihres Funktionsprinzips als Wärmeübergangsmeßgerät bezeichnet.It was said at the beginning that the invention relates to a flow sensor. In the context of the present invention, the term "flow sensor" is understood in a very general sense; it is intended to include both an embodiment in which a flow is merely monitored, i.e. in which only the presence or absence of a certain flow is determined, and an embodiment in which a flow is measured, i.e. an analog or digital measurement value corresponding to the flow is obtained. Such flow sensors are often also referred to as flow monitors or, due to their operating principle, as heat transfer measuring devices.
Die in Rede stehenden Strömungssensoren arbeiten nach dem kalorimetrischen Prinzip, bei dem Temperaturänderungen aufgrund des in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit auftretenden Wärmetransports bestimmt werden. Im allgemeinen arbeitet man mit einer Differenztemperaturmessung. Ein erstes Temperaturmeßelement mißt die eigentliche Meßtemperatur, wobei sich die Meßtemperatur aus der Heizleistung des Heizelementes, der Temperatur des strömenden Mediums und der strömungsabhängigen Wärmetransportkapazität des strömenden Mediums ergibt. Weiter mißt häufig ein zweites Temperaturmeßelement eine Referenztemperatur. Für die Lehre der Erfindung ist jedoch die Messung der Referenztemperatur nicht zwingend erforderlich; sie kann entfallen, wenn die Temperatur des strömenden Mediums bekannt ist.The flow sensors in question work according to the calorimetric principle, in which temperature changes are determined based on the heat transport that occurs as a function of the flow speed. In general, differential temperature measurement is used. A first temperature measuring element measures the actual measuring temperature, whereby the measuring temperature results from the heating power of the heating element, the temperature of the flowing medium and the flow-dependent heat transport capacity of the flowing medium. Furthermore, a second temperature measuring element often measures a reference temperature. However, the measurement of the reference temperature is not absolutely necessary for the teaching of the invention; it can be omitted if the temperature of the flowing medium is known.
Einleitend ist gesagt worden, daß zum Gegenstand der Erfindung mindestens ein Heizelement und mindestens ein Temperaturmeßelement gehören. Dabei kann das Heizelement auch die Funktion des zuvor erläuterten zweiten Temperaturmeßelements übernehmen, so daß es sich dann um ein Heiz- und Temperaturmeßelement handelt.It was said at the outset that the subject matter of the invention includes at least one heating element and at least one temperature measuring element. The heating element can also take on the function of the second temperature measuring element explained above, so that it is then a heating and temperature measuring element.
Außerdem ist gesagt worden, daß zu dem Strömungssensor eine direkt oder indirekt mit dem Meßkopf verbundene Steuer- und Auswerteelektronik und ggf. eine Anzeigeeinrichtung gehört. Sind die Steuer- und Auswerteelektronik undIt has also been stated that the flow sensor includes control and evaluation electronics that are directly or indirectly connected to the measuring head and, if necessary, a display device. If the control and evaluation electronics and
&iacgr;&ogr; die Anzeigeeinrichtung direkt mit dem Meßkopf verbunden, so bezeichnet man den Strömungssensor auch als Kompaktgerät, d. h. Meßkopf und Auswerte- bzw. Anzeigeeinheit sind in einem Gerät realisiert. Daneben ist es jedoch auch möglich, daß der Meßkopf und die Auswerte- bzw. Anzeigeeinheit durch zwei oder drei - separate Geräte gebildet werden, wobei dann der Meßkopf mit der an einem anderen Ort angeordneten - Auswerteeinheit über ein Kabel verbunden ist.If the display device is connected directly to the measuring head, the flow sensor is also referred to as a compact device, i.e. the measuring head and the evaluation or display unit are implemented in one device. However, it is also possible for the measuring head and the evaluation or display unit to be formed by two or three separate devices, in which case the measuring head is connected to the evaluation unit located at a different location via a cable.
Ein in Rede stehender Strömungssensor ist aus der DE 195 12 111 C2 oder der DE 196 10 885 Al bekannt. Beiden Strömungssensoren ist gemeinsam, daß das Temperaturmeßelement und das Heizelement vollständig innerhalb des Meßgehäuses angeordnet sind und daß das Meßgehäuse jedenfalls teilweise in das strömende Medium, d.h. in das Innere eines Rohres, in dem das strömende Medium geführt wird, hineinragt. Das Meßgehäuse dient dabei zum einen zur Aufnahme und Fixierung des Temperaturmeßelements und des Heizelements, zum anderen zum Schutz der beiden Elemente gegen mechanische Zerstörung.A flow sensor in question is known from DE 195 12 111 C2 or DE 196 10 885 A1. Both flow sensors have in common that the temperature measuring element and the heating element are arranged completely within the measuring housing and that the measuring housing at least partially protrudes into the flowing medium, i.e. into the interior of a pipe in which the flowing medium is guided. The measuring housing serves on the one hand to accommodate and fix the temperature measuring element and the heating element, and on the other hand to protect the two elements against mechanical damage.
Bezüglich der Einbautiefe des Meßkopfes in das Rohr gibt es in der Praxis zwei unterschiedliche Varianten. Gemäß einer ersten Variante ragt das Meßgehäuse so weit in das Rohr hinein, daß das Heizelement und das Temperaturmeßelement im wesentlichen in der Mitte des Rohres angeordnet sind. Diese Anordnung wird deshalb gewählt, da die Strömung des zu überwachenden Mediums in der Regel in der Mitte des Rohres am größten ist, so daß dort auch das größte Meßsignal gewonnen werden kann. Bei der zweiten Variante beträgt die Einbautiefe des Meßgehäuses etwa 1/3 des Rohrdurchmessers. Diese Einbaulage hat den Vorteil, daß bei dieser Position innerhalb des Rohres die Strömungsgeschwindigkeit für laminare und für turbulente Strömungen etwa gleich ist.In practice, there are two different variants regarding the installation depth of the measuring head in the pipe. According to the first variant, the measuring housing extends so far into the pipe that the heating element and the temperature measuring element are essentially located in the middle of the pipe. This arrangement is chosen because the flow of the medium to be monitored is usually greatest in the middle of the pipe, so that the largest measurement signal can be obtained there. In the second variant, the installation depth of the measuring housing is about 1/3 of the pipe diameter. This installation position has the advantage that in this position within the pipe the flow velocity for laminar and turbulent flows is approximately the same.
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Nachteilig bei den bekannten Strömungssensoren ist jedoch, daß sie eine relativ lange Reaktionszeit bzw. ein relativ langes Ansprechverhalten bezüglich Strömungsänderungen und nur eine unzureichende Empfindlichkeit, insbesondere bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten, aufweisen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannten Strömungssensoren bezüglich der Meßgenauigkeit zu verbessern.However, the disadvantage of the known flow sensors is that they have a relatively long reaction time or a relatively long response behavior with regard to flow changes and only an insufficient sensitivity, especially at low flow velocities. The present invention is therefore based on the object of improving the known flow sensors with regard to the measurement accuracy.
Die zuvor genannte Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Strömungssensor zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß lediglich das Heizelement undThe above-mentioned object is achieved in the flow sensor according to the invention first and foremost by the fact that only the heating element and
&iacgr;&ogr; das Temperaturmeßelement in das strömende Medium hineinragen, während das Meßgehäuse nicht in das strömende Medium hineinragt. Erfindungsgemäß wird somit eine Einbautiefe für das Heizelement und das Temperaturmeßelement vorgeschlagen, die von den beiden bisherigen Prinzipien abweicht. Es ist nämlich erkannt worden, daß dadurch, daß zumindest ein Teil des Meßrohrs in das strömende Medium hineinragt, eine Strömungsabrißkante erzeugt wird, die zu nachteiligen, das Meßergebnis verfälschenden Verwirbelungen bzw. zu Nichtlinearitäten in der Meßkurve führt. Dadurch, daß nun erfindungsgemäß der Strömungssensor derart ausgebildet und angeordnet ist, daß das Meßrohr nicht in das strömende Medium hineinragt, wird die Ausbildung der zuvor beschriebenen Strömungsabrißkante verhindert. Dabei kann das Meßrohr entweder bündig mit dem Rohr, durch das das Medium fließt, oder bezogen auf das strömende Medium nach hinten versetzt in dem Rohr eingebaut sein. In Abhängigkeit vom Rohrquerschnitt und der Länge des Heizelements und des Temperaturmeßelements kann die Einbautiefe des Heizelements und des Temperaturmeßelements somit bei dem erfindungsgemäßen Strömungssensor unterschiedlich sein.“ the temperature measuring element protrudes into the flowing medium, while the measuring housing does not protrude into the flowing medium. According to the invention, an installation depth for the heating element and the temperature measuring element is proposed which deviates from the two previous principles. It has been recognized that because at least part of the measuring tube protrudes into the flowing medium, a flow separation edge is created which leads to disadvantageous turbulence which distorts the measurement result or to non-linearities in the measurement curve. Because the flow sensor is now designed and arranged in such a way that the measuring tube does not protrude into the flowing medium, the formation of the previously described flow separation edge is prevented. The measuring tube can be installed either flush with the pipe through which the medium flows or offset to the rear in relation to the flowing medium. Depending on the pipe cross-section and the length of the heating element and the temperature measuring element, the installation depth of the heating element and the temperature measuring element can therefore be different in the flow sensor according to the invention.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors sind das Heizelement und das Temperaturmeßelement auf einem keramisehen Substrat, insbesondere auf jeweils einem separaten keramischen Substrat angeordnet. Insbesondere durch die Anordnung des Heizelements und des Temperaturmeßelements auf jeweils einem separaten keramischen Substrat, insbesondere auf einem Substrat aus Zirkonoxid, ergibt sich eine gute thermische Entkopplung sowohl zwischen dem Heizelement und dem Temperaturmeßelement als auch zwischen den beiden Elementen und dem Meßgehäuse. Die Verwendung eines Substrats aus Zirkonoxid hat gegenüber den ansonsten bekanntenAccording to a preferred embodiment of the flow sensor according to the invention, the heating element and the temperature measuring element are arranged on a ceramic substrate, in particular on a separate ceramic substrate. In particular, the arrangement of the heating element and the temperature measuring element on a separate ceramic substrate, in particular on a substrate made of zirconium oxide, results in good thermal decoupling both between the heating element and the temperature measuring element and between the two elements and the measuring housing. The use of a substrate made of zirconium oxide has advantages over the otherwise known
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Substraten, beispielsweise aus Glas, den Vorteil, daß das Substrat wesentlich stabiler ist und damit die Gefahr der mechanischen Zerstörung des Heizelements und des Temperaturmeßelements deutlich verringert wird.Substrates, for example made of glass, have the advantage that the substrate is much more stable and thus the risk of mechanical destruction of the heating element and the temperature measuring element is significantly reduced.
Das Auftreten von ungewollten Verwirbelungen in dem strömenden Medium kann dadurch weiter verringert werden, daß sowohl das Heizelement als auch das Temperaturmeßelement direkt, d.h. ohne ein das Heizelement und das Temperaturmeßelement vollständig umgebendes Schutzgehäuse in das strömende Medium hineinragen. Dadurch wird außerdem die Meßgenauigkeit und insbesondere die Empfindlichkeit und die Reaktionszeit des Strömungssensors wesentlich verbessert, da im Unterschied zu den bekannten Strömungssensoren, bei denen das Heizelement und das Temperaturmeßelement vollständig von dem Meßgehäuse umgeben sind, die zu beheizende Masse deutlich geringer ist. Die Reaktionszeit und die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Strömungssensors kann dadurch vorteilhafterweise weiter verbessert werden, daß das Substrat eine sehr geringe Dicke und damit auch eine sehr geringe Masse aufweist. Das Substrat kann dabei plättchenförmig ausgebildet, wobei je nach Bauform die Länge des Substrats 5 mm bis 15 mm, vorzugsweise 10 mm, die Breite ca. 1 mm bis 3 mm, vorzugsweise ca. 2 mm und die Dicke weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,2 mm beträgt.The occurrence of unwanted turbulence in the flowing medium can be further reduced by the fact that both the heating element and the temperature measuring element protrude directly into the flowing medium, i.e. without a protective housing completely surrounding the heating element and the temperature measuring element. This also significantly improves the measuring accuracy and in particular the sensitivity and response time of the flow sensor, since in contrast to the known flow sensors in which the heating element and the temperature measuring element are completely surrounded by the measuring housing, the mass to be heated is significantly smaller. The response time and the sensitivity of the flow sensor according to the invention can advantageously be further improved by the substrate having a very small thickness and thus also a very small mass. The substrate can be designed in the form of a plate, whereby, depending on the design, the length of the substrate is 5 mm to 15 mm, preferably 10 mm, the width is approximately 1 mm to 3 mm, preferably approximately 2 mm, and the thickness is less than 0.5 mm, preferably less than 0.2 mm.
Zum mechanischen Schutz des Heizelements und des Temperaturmeßelements beim Zusammenbau und beim Einbau des Strömungssensors sind das Heizelement und das Temperaturmeßelement vorzugsweise von einem in Strömungsrichtung offenen Schutzelement umgeben. Das Schutzelement, das beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall besteht, ist etwa ringförmig ausgebildet, so daß das strömende Medium in Strömungsrichtung vor dem Heizelement und dem Temperaturmeßelement durch das Schutzelement nicht beeinträchtigt wird. Dadurch wird verhindert, daß es zu einer unerwünschten Strömungsabrißkante vor dem Heizelement bzw. dem Temperaturmeßelement durch das Schutzelement kommt. Weist das Schutzelement eine Breite auf, die etwas größer als die Breite des Heizelements bzw. des Temperaturmeßelements ist, so bewirkt das Schutzelement einen ausreichenden mechanischen Berührschutz, durch den eine mechanische Beschädigung des Heizelements oder des Temperaturmeßelements sicher verhindert wird.To mechanically protect the heating element and the temperature measuring element during assembly and installation of the flow sensor, the heating element and the temperature measuring element are preferably surrounded by a protective element that is open in the direction of flow. The protective element, which is made of plastic or metal, for example, is approximately ring-shaped so that the flowing medium in the direction of flow in front of the heating element and the temperature measuring element is not affected by the protective element. This prevents the protective element from causing an undesirable flow separation edge in front of the heating element or the temperature measuring element. If the protective element has a width that is slightly larger than the width of the heating element or the temperature measuring element, the protective element provides sufficient mechanical contact protection, which reliably prevents mechanical damage to the heating element or the temperature measuring element.
Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungssensors, die hier noch kurz erläutert werden soll, weist der Strömungssensor zwei Heizelemente auf, wobei die beiden Heizelemente und das Temperaturmeßelement bezogen auf die Strömungsrichtung des strömenden Mediums derart hintereinander angeordnet sind, daß sich das Temperaturmeßelement zwischen den beiden Heizelementen befindet. Durch eine derartige Ausgestaltung und Anordnung ist es möglich, nicht nur die Strömungsgeschwindigkeit sondern auch die Strömungsrichtung des zu überwachenden Mediums zu messen. Eine derartige Anordnung von zwei Heizelementen und einem Temperaturmeßelement ist grundsätzlich auch bei einem Strömungssensor von Vorteil, bei dem das Meßgehäuse in das strömende Medium hineinragt, da auch dann die Strömungsrichtung des zu überwachenden Mediums gemessen werden kann.According to a final advantageous embodiment of the flow sensor according to the invention, which will be explained briefly here, the flow sensor has two heating elements, the two heating elements and the temperature measuring element being arranged one behind the other in relation to the flow direction of the flowing medium in such a way that the temperature measuring element is located between the two heating elements. With such a design and arrangement, it is possible to measure not only the flow speed but also the flow direction of the medium to be monitored. Such an arrangement of two heating elements and a temperature measuring element is also fundamentally advantageous for a flow sensor in which the measuring housing protrudes into the flowing medium, since the flow direction of the medium to be monitored can then also be measured.
Bei der eingangs beschriebenen Baueinheit aus einem Strömungssensor und einem Leitungsstück ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ebenfalls dadurch gelöst, daß lediglich das Heizelement und das Temperaturmeßelement in das strömende Medium hineinragen, während das Meßgehäuse nicht in das strömende Medium hineinragt. Neben den zuvor bereits beschriebenen Vorteilen bezüglich des Strömungssensors ermöglicht die erfindungsgemäße Baueinheit eine einfache und dennoch zuverlässige, insbesondere druckdichte Verbindung des Strömungssensors mit dem strömenden Medium. Durch die Verwendung eines geraden Leitungsstücks, das in die eigentliche Rohrleitung der zu überwachenden Anlage eingefügt wird, werden am Ort der Strömungsmessung durch den Strömungssensor definierte Bedingungen geschaffen, so daß auf eine Eichung des Strömungssensors im eingebauten Zustand verzichtet werden kann.In the initially described unit comprising a flow sensor and a pipe section, the problem underlying the invention is also solved in that only the heating element and the temperature measuring element protrude into the flowing medium, while the measuring housing does not protrude into the flowing medium. In addition to the previously described advantages with regard to the flow sensor, the unit according to the invention enables a simple and yet reliable, in particular pressure-tight, connection of the flow sensor to the flowing medium. By using a straight pipe section that is inserted into the actual pipeline of the system to be monitored, defined conditions are created at the location of the flow measurement by the flow sensor, so that calibration of the flow sensor in the installed state is not necessary.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Baueinheit zusätzlich noch einen Adapter auf, wobei der Strömungssensor mittels des Adapters so an dem Leitungsstück befestigbar ist, daß lediglich das Heizelement und das Temperaturmeßelement in das strömende Medium hineinragen, während das Meßgehäuse nicht in das strömende Medium hineinragt. Der Adapter ermöglicht dabei eine einfache Fixierung des Strömungssensors an dem geraden Leitungsstück, wobei durch die Verwendung entsprechend gestalteter Adapter ein Strömungssensor an unterschiedliche Leitungsstücke mit unterschiedlichem Leitungsquerschnitt angeschlossen werden kann.According to a particularly preferred embodiment, the assembly additionally has an adapter, whereby the flow sensor can be attached to the line section by means of the adapter in such a way that only the heating element and the temperature measuring element protrude into the flowing medium, while the measuring housing does not protrude into the flowing medium. The adapter enables the flow sensor to be easily attached to the straight line section, whereby a flow sensor can be connected to different line sections with different line cross-sections by using appropriately designed adapters.
Zur Montage des Adapters auf dem Leitungsstück weist der Adapter zunächst eine in Längsrichtung des Adapters ausgebildete Ausnehmung auf, deren Kontur an den Außendurchmesser des Leitungsstücks angepaßt ist. Durch eine entsprechende Durchführungsöffhung im Adapter und eine korrespondierende Einführ-Öffnung im Leitungsstück kann das Meßgehäuse des auf der dem Leitungsstück abgewandten Seite des Adapters befestigten Strömungssensors so weit eingeführt werden, daß lediglich das Heizelement und das Temperaturmeßelement in das Innere des Leitungsrohres und damit in das strömende Medium hineinragen.To mount the adapter on the pipe section, the adapter first has a recess formed in the longitudinal direction of the adapter, the contour of which is adapted to the outer diameter of the pipe section. Through a corresponding feed-through opening in the adapter and a corresponding insertion opening in the pipe section, the measuring housing of the flow sensor attached to the side of the adapter facing away from the pipe section can be inserted so far that only the heating element and the temperature measuring element protrude into the interior of the pipe and thus into the flowing medium.
&iacgr;&ogr; Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baueinheit weist das Leitungsstück eine Nut auf, in die zur druckdichten Verbindung von Meßgehäuse und Leitungsstück oder von Adapter und Leitungsstück ein Dichtelement, insbesondere ein O-Ring, einlegbar ist. Durch eine entsprechende Wahl des Querschnitts des Dichtelements kann trotz der gekrümmten Oberfläche des Leitungsstücks eine druckdichte Verbindung zwischen dem Meßgehäuse bzw. dem Adapter und dem Leitungsstück auf besonders einfache Art und Weise realisiert werden. Die Ausbildung der Nut in dem Leitungsstück ist grundsätzlich auch bei einer Baueinheit von Vorteil, bei der das Meßgehäuse in das strömende Medium hineinragt, da durch das Zusammenwirken der Nut und des Dichtelements ganz allgemein eine besonders einfache aber dennoch druckdichte Verbindung zwischen dem Meßgehäuse und dem Leitungsstück realisiert werden kann.&iacgr;&ogr; According to a particularly advantageous embodiment of the structural unit according to the invention, the line section has a groove into which a sealing element, in particular an O-ring, can be inserted for the pressure-tight connection of the measuring housing and line section or of the adapter and line section. By selecting the cross-section of the sealing element accordingly, a pressure-tight connection between the measuring housing or the adapter and the line section can be achieved in a particularly simple manner despite the curved surface of the line section. The formation of the groove in the line section is also fundamentally advantageous in a structural unit in which the measuring housing protrudes into the flowing medium, since the interaction of the groove and the sealing element generally makes it possible to achieve a particularly simple but nevertheless pressure-tight connection between the measuring housing and the line section.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baueinheit ist der Adapter mit dem Leitungsstück und der Strömungssensor mit dem Adapter verschraubbar. Hierdurch ist eine besonders einfache Montage der Baueinheit möglich. Weist der Adapter auf der dem Strömungssensor zugewandten Seite eine Nut zur Aufnahme eines weiteren Dichtelements auf, so kann dadurch zusätzlich auch die Abdichtung zwischen dem Strömungssensor und dem Adapter weiter erhöht werden. Der Strömungssensor und der Adapter weisen bevorzugt eine im wesentlichen gleiche Grundfläche auf, so daß insgesamt eine sehr kompakte Baueinheit realisierbar ist.According to a further advantageous embodiment of the structural unit according to the invention, the adapter can be screwed to the line section and the flow sensor to the adapter. This makes it particularly easy to assemble the structural unit. If the adapter has a groove on the side facing the flow sensor for receiving a further sealing element, this can also further increase the seal between the flow sensor and the adapter. The flow sensor and the adapter preferably have essentially the same base area, so that a very compact structural unit can be realized overall.
Durch die Erfindung wird insgesamt ein Strömungssensor, insbesondere ein Druckluftwächter, zur Verfügung gestellt, der eine hohe Meßgenauigkeit auch über einen großen Meßbereich und eine kurze Reaktionszeit aufweist, so daßThe invention provides a flow sensor, in particular a compressed air monitor, which has a high measuring accuracy even over a large measuring range and a short response time, so that
auch geringe Strömungsänderungen und geringe Strömungsgeschwindigkeiten gemessen werden können. Der erfindungsgemäße Strömungssensor ist insbesondere als "Druckluftzähler" einsetzbar, so daß die Menge an verbrauchter Druckluft innerhalb eines eigentlich geschlossenen Leitungssystems erfaßbar ist. Dadurch können undichte Leitungen erfaßt und somit die Menge der verbrauchten Druckluft reduziert werden.even small flow changes and low flow speeds can be measured. The flow sensor according to the invention can be used in particular as a "compressed air meter" so that the amount of compressed air used can be recorded within an actually closed pipe system. This makes it possible to detect leaky pipes and thus reduce the amount of compressed air used.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Strömungssensor sowie die erfindungsgemäße Baueinheit auszugestalten &iacgr;&ogr; und weiterzubilden. Dazu wird sowohl auf die den unabhängigen Schutzansprüchen nachgeordneten Schutzansprüche als auch auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:In detail, there are now a number of possibilities for designing and developing the flow sensor according to the invention and the structural unit according to the invention. For this purpose, reference is made both to the claims subordinate to the independent claims and to the following detailed description of preferred embodiments with reference to the drawing. In the drawing:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines bekannten StrömungssensorsFig. 1 a simplified representation of a known flow sensor
und eines erfindungsgemäßen Strömungssensors, jeweils im eingebauten Zustand,and a flow sensor according to the invention, each in the installed state,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strömungssensors,Fig. 2 shows an embodiment of a flow sensor according to the invention,
im Längsschnitt und von vorne,in longitudinal section and from the front,
Fig. 3 den Meßkopf eines erfindungsgemäßen Strömungssensors, vonFig. 3 the measuring head of a flow sensor according to the invention, from
vorne und von der Seite,front and side,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen BaueinFig. 4 is a perspective view of a construction according to the invention
heit aus einem Strömungssensor, einem Adapter und einem Leitungsstück, unit consisting of a flow sensor, an adapter and a pipe section,
Fig. 5 die Baueinheit gemäß Fig. 4, von vorne,Fig. 5 the assembly according to Fig. 4, from the front,
Fig. 6 die Baueinheit gemäß den Fig. 4 und 5 von der Seite, teilweise geFig. 6 the assembly according to Fig. 4 and 5 from the side, partially
schnitten undcut and
Fig. 7 das Leitungsstück einer erfindungsgemäßen Baueinheit, im LängsFig. 7 the line section of a structural unit according to the invention, in longitudinal
schnitt und von oben.cut and from above.
Die Figuren zeigen einen Strömungssensor 1 zur Überwachung bzw. Messung eines in einem Rohr 2 strömenden Mediums, bei dem es sich entweder um eine Flüssigkeit oder um ein Gas, insbesondere um Druckluft handeln kann. Zu dem Strömungssensor 1 gehört ein Meßgehäuse 3, in dem ein Heizelement 4 und ein Temperaturmeßelement 5 angeordnet und gehalten sind, wobei das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5 jeweils plättchenformig ausgebildet sind. Das Heizelement 4 wird dabei durch einen auf einem Substrat, insbesondere einem Zirkonoxid-Substrat, angeordneten Pt 2000 Widerstand und das Temperaturmeßelement 5 durch einen ebenfalls auf einem Substrat, insbesondere einemThe figures show a flow sensor 1 for monitoring or measuring a medium flowing in a pipe 2, which can be either a liquid or a gas, in particular compressed air. The flow sensor 1 includes a measuring housing 3 in which a heating element 4 and a temperature measuring element 5 are arranged and held, the heating element 4 and the temperature measuring element 5 each being designed in the form of a plate. The heating element 4 is thereby provided by a Pt 2000 resistor arranged on a substrate, in particular a zirconium oxide substrate, and the temperature measuring element 5 is provided by a resistor also arranged on a substrate, in particular a
&iacgr;&ogr; Zirkonoxid-Substrat, angeordneten Pt 100 Widerstand gebildet, wobei vorzugsweise eine dünne Schutzschicht aus Glas oder Platin auf der Oberfläche des Heizelements 4 und des Temperaturmeßelements 5 aufgebracht ist. Das Meßgehäuse 3 mit dem Heizelement 4 und dem Temperaturmeßelement 5 bilden den eigentlichen Meßkopf 6 des Strömungssensors 1.Î zirconium oxide substrate, arranged Pt 100 resistor, wherein preferably a thin protective layer of glass or platinum is applied to the surface of the heating element 4 and the temperature measuring element 5. The measuring housing 3 with the heating element 4 and the temperature measuring element 5 form the actual measuring head 6 of the flow sensor 1.
Darüber hinaus weist der insbesondere in der Fig. 2 dargestellte Strömungssensor 1 noch eine Steuer- und Auswerteelektronik 7, eine Anzeigeeinrichtung 8 und einen Steckeranschluß 9 auf, die in einem Sensorgehäuse 10 angeordnet sind. Die elektrische Verbindung des Meßkopfes 6 mit der Auswerteelektronik 7 erfolgt dabei durch die als Steckkontakte ausgebildeten Anschlüsse 11 des Meßkopfes 6, die mit einem Teil der Auswerteelektronik 7 elektrisch leitend verbunden, beispielsweise in eine Leiterplatte eingelötet sind. Daneben ist es jedoch auch möglich, was hier jedoch nicht dargestellt ist, daß der Strömungssensor 1 nicht als Kompaktmodul ausgebildet ist, sondern daß der Meßkopf 6 und die Auswerteelektronik 7 bzw. die Anzeigeeinrichtung 8 voneinander getrennt sind, so daß dann der Meßkopf 6 mittels eines Kabels mit der Auswerteelektronik 7 bzw. der Anzeigeeinrichtung 8 verbunden ist.In addition, the flow sensor 1 shown in particular in Fig. 2 also has control and evaluation electronics 7, a display device 8 and a plug connection 9, which are arranged in a sensor housing 10. The electrical connection of the measuring head 6 to the evaluation electronics 7 is made by the connections 11 of the measuring head 6, which are designed as plug contacts and are electrically connected to part of the evaluation electronics 7, for example soldered into a circuit board. In addition, it is also possible, although this is not shown here, that the flow sensor 1 is not designed as a compact module, but that the measuring head 6 and the evaluation electronics 7 or the display device 8 are separate from one another, so that the measuring head 6 is then connected to the evaluation electronics 7 or the display device 8 by means of a cable.
In Fig. 1 ist nun der grundliegende Unterschied zwischen einem aus dem Stand der Technik bekannten Strömungssensor &Ggr; und dem erfindungsgemäßen Strömungssensor 1 dargestellt. Während bei dem aus dem Stand der Technik bekannten, in Fig. la dargestellten, Strömungssensor &Ggr; das das Heizelement und das Temperaturmeßelement aufnehmende Meßgehäuse 3 zumindest teilweise in das Innere des Rohres 2 und somit in das strömende Medium hineinragt, ragen bei dem erfindungsgemäßen Strömungssensor 1, der in Fig. Ib dargestellt ist, lediglich das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5, d. h. lediglich dieIn Fig. 1, the fundamental difference between a flow sensor Γ known from the prior art and the flow sensor 1 according to the invention is shown. While in the flow sensor Γ known from the prior art, shown in Fig. la, the measuring housing 3 accommodating the heating element and the temperature measuring element protrudes at least partially into the interior of the pipe 2 and thus into the flowing medium, in the flow sensor 1 according to the invention, which is shown in Fig. 1b, only the heating element 4 and the temperature measuring element 5 protrude, i.e. only the
Spitze des Meßkopfes 6, nicht jedoch das Meßgehäuse 3, in das strömende Medium hinein. Dadurch wird erreicht, daß sich im Unterschied zu dem bekannten Strömungssensor &Ggr; an der Unterkante des Meßgehäuses 3 keine oder jedenfalls nur eine deutlich geringere Strömungsabrißkante SA bildet, so daß das Meßsignal verfälschende Verwirbelungen in dem strömenden Medium aufgrund des in das strömende Medium hineinragenden Meßgehäuses 3 weitestgehend vermieden werden. Bei dem erfindungsgemäßen Strömungssensor 1, bei dem das Auftreten der zuvor genannten Strömungsabrißkante dadurch verhindert wird, daß das Meßgehäuse 3 nicht in das strömende Medium hineinragt, so daß die Strömung S nicht oder nur unwesentlich verändert wird, ergibt sich eine wesentlich linearere Kennlinie, so daß eine höhere Meßgenauigkeit erreichbar ist.Tip of the measuring head 6, but not the measuring housing 3, into the flowing medium. This ensures that, in contrast to the known flow sensor Γ, no or at least only a significantly smaller flow separation edge SA forms on the lower edge of the measuring housing 3, so that turbulences in the flowing medium that distort the measurement signal are largely avoided due to the measuring housing 3 protruding into the flowing medium. In the flow sensor 1 according to the invention, in which the occurrence of the aforementioned flow separation edge is prevented by the measuring housing 3 not protruding into the flowing medium, so that the flow S is not or only insignificantly changed, a significantly more linear characteristic curve results, so that a higher measurement accuracy can be achieved.
Insbesondere aus den Fig. 2b, 3a und 5 ist erkennbar, daß das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5 direkt, d.h. ohne ein das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5 umgebendes Schutzgehäuse, in das strömende Medium hineinragen. Dabei sind das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5 so in dem Strömungssensor 1 bzw. dem Rohr 2 angeordnet, daß nur die Schmalseite des Heizelements 4 bzw. des Temperaturmeßelements 5 gegen die Strömungsrichtung des strömenden Mediums ausgerichtet ist, wodurch sich ein tangentiales Anströmen des Heizelements 4 und des Temperaturmeßelements 5 ergibt. Hierdurch wird die Verschmutzungsneigung und die Gefahr von Anhaftungen am Heizelement 4 bzw. am Temperaturmeßelement 5 deutlich verringert. In particular, it can be seen from Fig. 2b, 3a and 5 that the heating element 4 and the temperature measuring element 5 protrude directly into the flowing medium, i.e. without a protective housing surrounding the heating element 4 and the temperature measuring element 5. The heating element 4 and the temperature measuring element 5 are arranged in the flow sensor 1 or the pipe 2 in such a way that only the narrow side of the heating element 4 or the temperature measuring element 5 is aligned against the flow direction of the flowing medium, which results in a tangential flow to the heating element 4 and the temperature measuring element 5. This significantly reduces the tendency to become dirty and the risk of adhesions to the heating element 4 or the temperature measuring element 5.
Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5 von einem etwa ringförmigen Schutzelement 12 umgeben, wobei das Schutzelement 12 so ausgebildet und angeordnet ist, daß es in Strömungsrichtung des strömenden Mediums offen ist, so daß es nicht zu einer die Strömung S vor dem Heizelement 4 und dem Temperaturmeßelement 5 beeinträchtigenden Strömungsabrißkante SA kommt. Das Schutzelement 12, welches beispielsweise aus einem Kunststoff besteht, dient in erster Linie zum Schutz des Heizelements 4 und des Temperaturmeßelements 5 bei der Montage und beim Einbau des Strömungssensors 1, wozu die Breite des Schutzelements 12 etwas größer als die Breite des Heizelements 4 und des Temperaturmeßelements 5 ist.As can be seen in particular from Fig. 2 and 3, the heating element 4 and the temperature measuring element 5 are surrounded by an approximately ring-shaped protective element 12, the protective element 12 being designed and arranged such that it is open in the flow direction of the flowing medium, so that there is no flow separation edge SA that impairs the flow S in front of the heating element 4 and the temperature measuring element 5. The protective element 12, which consists for example of a plastic, serves primarily to protect the heating element 4 and the temperature measuring element 5 during assembly and installation of the flow sensor 1, for which purpose the width of the protective element 12 is slightly larger than the width of the heating element 4 and the temperature measuring element 5.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baueinheit bestehend aus einem Strömungssensor 1, einem Adapter 13 und einem geraden Leitungsstück 14. Die vormontierte Baueinheit wird in die eigentliche Rohrleitung einer Anlage eingebaut, durch die das zu überwachende Medium fließt. Durch die Verwendung des geraden Leitungsstücks 14 wird gewährleistet, daß durch den definierten Einlauf in das Leitungsstück 14 und den definierten Auslauf aus dem Leitungsstück 14 eine Strömungsberuhigung im Bereich des Strömungssensors 1 sichergestellt ist. Darüber hinaus erhöht sich durch die definierte Dimension des Leitungsstücks 14, insbesondere durchFig. 4 to 6 show a preferred embodiment of a structural unit according to the invention consisting of a flow sensor 1, an adapter 13 and a straight pipe section 14. The pre-assembled structural unit is installed in the actual pipeline of a system through which the medium to be monitored flows. The use of the straight pipe section 14 ensures that the defined inlet into the pipe section 14 and the defined outlet from the pipe section 14 ensure that the flow is calmed in the area of the flow sensor 1. In addition, the defined dimension of the pipe section 14, in particular
&iacgr;&ogr; dessen bekannten Durchmesser, die Meßgenauigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Strömungssensors 1 erzielbaren Meßergebnisses. Grundsätzlich kann dabei die Baueinheit auch ohne den Adapter 13 realisiert sein. Dann ist die Unterseite des Sensorgehäuses entsprechend an die Kontur des Leitungsstücks 14 angepaßt, so daß eine einfach und dennoch zuverlässige, insbesondere druckdichte Verbindung des Strömungssensors 1 mit dem strömenden Medium erreicht wird.γ its known diameter, the measuring accuracy of the measurement result achievable with the flow sensor 1 according to the invention. In principle, the structural unit can also be realized without the adapter 13. The underside of the sensor housing is then adapted accordingly to the contour of the line section 14, so that a simple and yet reliable, in particular pressure-tight connection of the flow sensor 1 with the flowing medium is achieved.
Wie aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, weisen der Adapter 13 eine Durchführungsöffnung 15 und das Leitungsstück 14 eine Einführungsöffhung 16 auf. Im montierten Zustand des Strömungssensors 1 erstreckt sich dann der Meßkopf 6 durch die Durchführungsöffhung 15 des Adapters 13 und die Einführungsöffnung 16 des Leitungsstücks 14 so weit ins Innere des Leitungsstücks 14, daß nur das Heizelement 4 und das Temperaturmeßelement 5 bzw. das Schutzelement 12, nicht jedoch das Meßgehäuse 3 in das strömende Medium hineinragen. Das Meßgehäuse 3 des Strömungssensors 1 kann dabei entweder bündig mit der Wandung des Leitungsstücks 14 angeordnet sein oder oberhalb der Wandung, im Bereich der Durchfuhrungsöffnung 15 des Adapters 13, enden.As can be seen from Fig. 6 and 7, the adapter 13 has a through-opening 15 and the line section 14 has an inlet opening 16. When the flow sensor 1 is mounted, the measuring head 6 extends through the through-opening 15 of the adapter 13 and the inlet opening 16 of the line section 14 so far into the interior of the line section 14 that only the heating element 4 and the temperature measuring element 5 or the protective element 12, but not the measuring housing 3, protrude into the flowing medium. The measuring housing 3 of the flow sensor 1 can either be arranged flush with the wall of the line section 14 or end above the wall, in the area of the through-opening 15 of the adapter 13.
Zur Erzielung einer druckdichten Verbindung zwischen dem Strömungssensor 1 bzw. dem Adapter 13 und dem Leitungsstück 14 ist in dem Leitungsstück 14 eine Nut 17 ausgebildet, wobei die Nut 17 so angeordnet ist, daß sie die Einführungsöffnung 16 umschließt. Die druckdichte Verbindung zwischen dem Adapter 13 und dem Leitungsstück 14 kann nun einfach dadurch realisiert werden, daß in die Nut 17 ein Dichtelement 18, beispielsweise ein O-Ring, eingelegt wird, wobei der Querschnitt des Dichtelements 18 etwas größer als die Tiefe der Nut 17 ist. Wird nun der Adapter 13 mit seiner der Außenkontur des Leitungs-To achieve a pressure-tight connection between the flow sensor 1 or the adapter 13 and the line section 14, a groove 17 is formed in the line section 14, the groove 17 being arranged so that it encloses the insertion opening 16. The pressure-tight connection between the adapter 13 and the line section 14 can now be easily achieved by inserting a sealing element 18, for example an O-ring, into the groove 17, the cross section of the sealing element 18 being slightly larger than the depth of the groove 17. If the adapter 13 is now inserted with its outer contour of the line section
stücks 14 angepaßten Unterseite auf das Leitungsstück 14 aufgeschraubt, so wird durch die damit verbundene Einspannung des Dichtelements 18 die druckdichte Verbindung zwischen dem Adapter 13 und dem Leitungsstück 14 realisiert. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem auf der dem Strömungssensor 1 zugewandten Seite des Adapters 13 eine Nut zur Aufnahme eines weiteren Dichtelements 20 ausgebildet. Dadurch erfolgt eine zusätzlichen Abdichtung zwischen dem Strömungssensor 1 und dem Adapter 13piece 14 is screwed onto the line piece 14, the associated clamping of the sealing element 18 creates a pressure-tight connection between the adapter 13 and the line piece 14. In the embodiment shown in Fig. 6, a groove for receiving a further sealing element 20 is also formed on the side of the adapter 13 facing the flow sensor 1. This creates an additional seal between the flow sensor 1 and the adapter 13.
Die Montage der Baueinheit erfolgt nun derart, daß zunächst der Adapter 13 mit &iacgr;&ogr; dem Leitungsstück 14 befestigt wird, wozu nach dem Einlegen des Dichtelements 18 in die Nut 17 der Adapter 13 mit dem Leitungsstück 14 verschraubt wird. Hierzu sind an dem Leitungsstück 14 zwei Gewindebuchsen 21 ausgebildet, die jeweils ein Innengewinde aufweisen, in das zwei in dem Adapter 13 versenkbare Schrauben eingeschraubt werden. Anschließend wird das Dichtelement 20 in die Nut 19 in dem Adapter 13 eingelegt und dann der Strömungssensor 1 mit Hilfe der Schrauben 22 mit dem Adapter 13 verschraubt.The assembly of the unit is now carried out in such a way that the adapter 13 is first fastened to the line section 14, for which purpose the adapter 13 is screwed to the line section 14 after the sealing element 18 has been inserted into the groove 17. For this purpose, two threaded bushings 21 are formed on the line section 14, each of which has an internal thread into which two screws that can be countersunk in the adapter 13 are screwed. The sealing element 20 is then inserted into the groove 19 in the adapter 13 and then the flow sensor 1 is screwed to the adapter 13 using the screws 22.
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