熱流量測量裝置的製作方法

2023-05-14 22:29:21

本發明涉及一種在權利要求1的前續部分中限定的熱流量測量裝置。

背景技術：

已知根據熱測量原理工作的流量測量裝置傳感器。這種測量原理基於加熱的電阻溫度計的冷卻，後來也被稱為加熱和測量或者有源傳感器元件，通過流動的被測介質從該傳感器提取熱。通過增大電加熱電流而補償被提取的能量。以這種方式，在熱和測量因而有源傳感器元件與後來也被稱為測量或者無源傳感器元件的參考溫度傳感器之間建立恆定溫差。質量流量越大，則需要的能量越多，以便獲得這種差異。作為其結果，被測加熱電流與質量流量成比例。在過程中適當地建立熱測量原理，其中通過施加化學、物理或者生物程序由原材料或者起始材料產生產物，並且成功地在許多應用中施加該產物。尤其需要在水和其它液體，諸如油中應用這種測量原理，因為在這種情況下，與氣體相比，熱傳遞和所需的加熱功率明顯更高，並且相關的材料特性非常強烈地取決於溫度。因此，在流速＞2.5m/s的情況下，能夠經歷特徵曲線的平化，以及此外敏感性減小。此外，在給定情況下，在傳感器元件彼此的間隔較小，例如在流速＜0.2m/s的情況下能夠經歷有源傳感器元件與溫度測量傳感器元件的串擾。

已知由兩個傳感器——有源傳感器元件和無源傳感器元件組成的傳感器，每個傳感器都具有圓筒形的傳感器帽，並且從傳感器的基部表面延伸。在傳感器帽的端表面中焊接有電阻傳感器。由於圓筒形傳感器帽，傳感器元件具有良好的絕熱性，所以不發生串擾。然而，這些傳感器在水中的特性比上述傳感器差。因而，在更高流速的情況下，特性曲線相對快速地達到能夠提供的最大功率的特定飽和。一旦達到這種功率限制，即使流速更高，也沒有更多的熱被提供給流體。由於特性曲線示出測量能夠發生的介質的流速的測量範圍，所以在快速達到這種飽和的情況下，不在可能在更快的流動下測量。

de102013108099a1提出了這種問題並且描述了一種解決方案。在該公開中描述了一種傳感器元件，即通過噴嘴快速插入管道的傳感器。在這種情況下，傳感器元件不使用銷狀套管，而是使用具有帶角度表面的傳感器帽。傳感器帽的特殊幾何形狀允許其提供具有分離邊緣和限定再循環區域的流動剖面。由於徑向設置的傳感器部分的直徑大於管直徑，所以管道焊接構造非常複雜。

因而，基於de102013108099a1，本發明的目的在於實現一種熱流量測量裝置的測量範圍擴展，這種擴展也適應於較小直徑的管子或者管道系統情況。

技術實現要素：

通過權利要求1限定的熱流量測量裝置實現該目的。

用於確定和/或監測被測介質的質量流量的本發明的熱流量測量裝置包括具有測量管的傳感器元件，測量管具有管壁以及具有尤其被實施為電阻溫度計的至少第一和第二溫度傳感器元件。這些傳感器元件被布置在測量管上。溫度傳感器元件中的至少一個是可加熱的。

測量管具有縱軸以及在端部區域中具有第一管橫截面的管輪廓。這些端部區域具有普通、正常的管輪廓。端部區域尤其為測量管通過其插入過程管線的連接器區域。能夠通過焊接或者通過法蘭固定測量管。除了傳感器單元之外，熱流量測量裝置優選地包括通常被實施為發送器的測量和評估單元。傳感器單元優選地被殼體保護從而不受環境影響。

測量管另外包括具有與第一管橫截面的形式和/或面積不同的第二管橫截面的變窄部分。當然，這種差異固有地存在於變窄部分的概念中。

變窄部分被分為相對於測量管的縱軸成至少5°的角的至少兩段。以這種方式實現了例如具有分離邊緣的優化流動剖面。作為對縱軸的替選，也能夠採用正常管輪廓區域中的縱向方向的測量管路徑作為參考系。

在每種情況下，溫度傳感器元件之一在測量管管壁外部地被布置在兩段中相應一段中。溫度傳感器元件被定位成與被測介質熱接觸。這意味著它們能夠與被測介質交換熱，並且能夠通過測量管的壁確定介質的溫度。在這種情況下，金屬管壁尤其是有利的。

由於變窄部分為測量管的整體部件，並且由於該區域中的溫度傳感器元件的布置，能夠在小標稱直徑應用的情況下精確地，成本有效地產生熱流量測量裝置。由於在製造時更好地處理，所以裝置也精確地測量，並且每個流量裝置都具有恆定的測量性能。

本發明的有利實施例是從屬權利要求的主題。

為了更廣泛地優化流動剖面，將變窄部分分為至少三段——第一段、中間段和第三段是有利的，其中這些段被依次並且一個接一個地布置在流動方向s中。在這種情況下，溫度傳感器元件被布置在第一和第三段上。

出於非物質化和部件減少的原因，變窄部分為管壁的一部分是有利的。

溫度傳感器元件被布置在其上的該至少兩段尤其被實施為平的。中間段同樣有利地為平的，並且具有垂直於測量管的縱軸的表面法線。

為了良好地傳熱，測量管壁小於1cm厚，優選地小於或者等於0.5mm是有利的。另外，這種測量管的輪廓能夠更好地經歷形變形成。也可能採用具有較厚測量管壁的測量管，並且僅薄薄地構成其中布置有溫度傳感器元件的段。例如能夠使用材料清除、精加工步驟對此加以影響。

當測量管的輪廓具有小於dn20的標稱直徑時，本發明的流量測量裝置的實施例提供了特別的製造優點。

為了提供進一步優化的流動剖面，當測量管具有兩個平中間段時是有利的，兩個平中間段在測量管上徑向相對，並且具有垂直於測量管的縱軸延伸的表面法線。

能夠通過形變方法，以大規模生產可行方式實施具有其中布置有溫度傳感器元件的至少兩段的變窄部分。當然，更大的管壁區域也能夠被形變方法具體實施為具有超過兩段。

當第一段的傾斜區域的表面法線向量與縱軸(a)形成至少8°，尤其優選地10-35°之間的角(α)時是有利的。

附圖說明

現在將基於附圖更詳細地描述本發明的實施例的許多示例，附圖示出如下：

圖1是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第一實施例的透視圖；

圖2是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第一實施例的側視圖；

圖3是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第一實施例的截面圖；

圖4是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第二實施例的透視圖；

圖5是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第二實施例的側視圖；

圖6是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第二實施例的截面圖；

圖7是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第三實施例的透視圖；

圖8是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第三實施例的側視圖；

圖9是本發明的熱流量測量裝置的傳感器元件的第三實施例的截面圖。

具體實施方式

圖1-9示出熱流量測量裝置的傳感器單元1、11和21的變形。為了簡化，在圖中未示出例如發送器形式的測量和評估單元。

所以在本情況下，普通熱流量測量裝置也包括兩個儘可能被實施為相同的可加熱的電阻溫度計，其與流經測量管或者流經管道的介質熱接觸。對於工業應用，通常在測量管內包括兩個電阻溫度計；然而，電阻溫度計也能夠被直接焊接至管道。兩個電阻溫度計其中之一是通過加熱單元加熱的所謂有源傳感器元件。加熱單元為另外的電阻加熱器，或者在電阻溫度計的情況下，例如在通過電功率的轉換，例如通過測量電流的相應變化加熱的rtd(電阻溫度裝置)傳感器的情況下，為電阻元件。第二電阻溫度計是所謂的被動傳感器元件。其測量介質的溫度。

通常，在熱流量測量裝置中，可加熱的電阻溫度計被加熱為在兩個電阻溫度計之間建立固定溫差。可替選地，也已知通過控制單元提供恆定的加熱功率。

如果測量管中不存在流動，則需要每單位時間的恆定量的熱以維持預定溫差。相反，如果待測介質移動，則加熱的電阻溫度計的冷卻本質上取決於流過的介質的質量流量。由於介質比加熱的電阻溫度計冷，所以流動介質將熱從加熱的電阻溫度計帶出。因而，為了在流動介質的情況下保持兩個電阻溫度計之間的固定溫差，加熱的電阻溫度計需要更高加熱功率。更高的加熱功率是質量流量，即流經管線的質量流量的測量。

相反，如果提供恆定加熱功率，則作為介質流動的結果，電阻溫度計之間的溫差減小。則特定的溫差是流經管線，或者在該情況下為流經測量管的介質的質量流量的測量。

因而，在加熱電阻溫度計所需的加熱能量和流經管線或者流經測量管的質量流量之間存在函數關係。在熱流量測量裝置中採用熱傳遞係數與流經測量管，或者流經管線的介質的質量流量的相關性以確定質量流量。申請人以商標「t-switch」、「t-trend」和「t-mass」銷售根據這種原理操作的裝置。

在確定質量流量時，熱流量測量裝置可能在測量液體的情況下達到最高功率限制。因為與氣體相比，液體具有本質上更高的導熱係數，以更高速度從有源溫度傳感器的表面帶離更多熱能。在介質的速度更高的情況下，快速地達到測量電子設備的傳感器特徵曲線的飽和，或者功率上限，使得液體的測量範圍被限於低流速。通過圖1-9中所示的熱流量測量裝置的傳感器實施例克服這種缺點。

圖1-3中所示的傳感器單元1包括測量管2。本發明具有利用小標稱直徑範圍的測量管制造流量測量裝置的特別優點。這種範圍涉及標稱直徑小於dn20的測量管。例如，相應的測量管2能夠具有dn10、dn8或者dn6的標稱直徑。對圖4-9的實施例也是如此。

測量管2具有縱軸並且另外包括測量管在其中變窄的區域。優選地，通過形變方法將這種變窄部分引入測量管2中。確切地，在小於1cm，優選地小於5mm薄管壁的測量管的情況下，其它實施例，因而例如鑄造方法不能被應用於形成測量管。

圖1中所示的傳感器單元1的測量管2的變窄部分包括與de102013108099a1類似的特定路徑。變窄部分包括其表面法線垂直於測量管的縱軸a延伸的平中間段5。

測量管2包括變窄部分外部的管輪廓8。在大多數應用中，管輪廓為圓筒形的。然而，在一些應用中，已知具有三角形、矩形或者多邊形橫截面的管輪廓。同樣地，這些也被術語「管輪廓」所涵蓋。

測量管2在正常管輪廓8和中間段5之間的狹窄區域中包括第一和第三段6，其中第一段6被布置在入流端上，並且第三段6被布置在中間段5的出流端上。這些過渡區域由其表面法線與測量管軸線a以不等於90°的角度交叉的帶角度的表面組成。第一段6、中間段5和第三段6被布置成彼此緊挨著。

在這種情況下，圖3的截面圖中的至少第一段被實施為相對於縱軸a傾斜，並且關於測量管2的管壁7的縱向方向的角α優選地至少5°，優選地至少8°，尤其優選地為10-35°之間的平區域。圖3示出該角為20°。在這種情況下，該區域尤其能夠被實施為平的，由於表面粗糙度而具有不規則性，或者以朝著被測介質或者遠離被測介質的弧形形狀延伸。

在第一段6的管壁7上布置有具有第一電阻溫度計3的第一溫度傳感器元件，在下文基於實施例的示例更詳細地描述其的構造。優選地，電阻溫度計3被實施為薄層元件。電阻溫度計3具有三層構造，即陶瓷襯底、優選為鉑的曲折形狀金屬層或者金屬絲，以及被布置在其上的玻璃保護層。延伸至金屬絲或者金屬層的是電源和地線引線。

通過開發承載電流時的電阻的溫度相關性發生溫度測量。在這種操作狀態下，電阻溫度計4作為無源傳感器元件加以應用。上述電阻溫度計4作為無源傳感器元件測量介質的溫度，並且作為具有電流水平設置的有源傳感器元件也將熱量引入介質。在這種情況下，第一段3的電阻溫度計4是具有恆定溫度並且向流動介質輸出熱能的有源傳感器元件。

這種傳感器元件，即電阻溫度計4優選地作為板狀、薄層元件構成。在本發明的尤其優選實施例中，板狀、薄層元件本質上被定向為平行於第一段6的區域。能夠發生與平行平面小於10°，優選地小於5°的微小偏差。

現在將描述第一實施例，其中被布置在第一段3的管壁7上的第一電阻溫度計3作為有源傳感器元件運行。在這種情況下，入流端段6是流動方向s中的介質流動首先撞擊的變窄部分的段。

以與第一電阻溫度計3類似的方式，優選地，具有第二電阻溫度計3的第二溫度傳感器元件被布置在第二段6的管壁7上的傳感器元件1中。在這種情況下，第二電阻溫度計3在本第一實施例中起無源電阻溫度計的作用，以記錄介質的溫度。

與de102013108099a1的實施例相比，電阻溫度計3被直接地固定至管壁。例如，能夠通過焊接連接或者通過導熱膠發生這種固定。

在這種情況下，測量管優選地由金屬組成。從每個電阻溫度計3通往測量和評估單元(未示出)的是用於能量供應和用於信號傳輸的兩個連接線4。然而，也能夠通過分開的連接線發生能量供應和信號傳輸。

為了保護其不受外部溫度影響，具有電阻溫度計3的測量管有利地具有殼體(未示出)。

現在將更詳細地解釋傳感器1的特殊實施例與被布置在第一段6上的有源傳感器元件3的組合實現的效果。

與平表面相比，被布置在入流端上的第一段6的傾斜增大了熱邊界層厚度，並且緊鄰的邊界層成型為在表面上比較均勻地分布。這種邊界層降低了有源傳感器元件的散熱。即，邊界層的存在減小了介質和傳感器表面之間的溫度梯度，由此發生較少熱輸入。由於邊界層，所以傳感器在測量操作期間需要的功率較少。

在本發明的第二優選實施例中，下遊、第三段6的第二電阻溫度計3作為有源傳感器元件運行，並且上遊、第一段6的第一電阻溫度計3作為無源傳感器元件運行。

在流速較小的情況下，邊界層結構在傳感器的整個端面3上發生，並且尤其是在下遊區域中存在高層厚度。諸如在實施例的上述示例中所述的，這種邊界層使得能夠向介質輸入較少的熱，因此延遲介質較高流速的飽和程度。

在中間段5和第二、下遊段6之間的過渡區的後部部分中另外地產生分離邊緣，其中流動以較高速度分離。同時，在更高介質速度的情況下產生再循環，因而產生至少部分地與主流動方向相反的流動。這種再循環比主流動慢優選至少60％，然而尤其優選慢至少80％。然而，這種再循環與主流動成比例。方向與主流動相反的再循環部分在介質方向中，在過渡區域之下並且在分離邊緣之下流過第三段，並且在這種情況下吸收將比主流動的情況少的熱能。以這種方式，保持溫度需要的功率較少，並且僅在非常高的流速下發生功率飽和。

因而，傳感器的優化的幾何形狀基於兩種不同現象，即在高流速的情況下在下遊區域中形成流速相關再循環，並且在入流區域形成單一邊界層。

總而言之，與先前幾何形狀相比，新傳感器幾何形狀產生更穩定並且更可靠的測量值。

通過從一側的形變將圖1-3中所示的變窄部分引入測量管2。

在圖4-6中示出根據本發明的傳感器元件11的另一實施例。在本文中，通過使其具備變窄部分進一步開發圖1-3的變形的管壁，從一側，例如從上側，以及也從相反側，例如從下側兩者將變窄部分引入測量管。

在該實施例中，在變窄部分的區域中布置有彼此平行並且具有垂直於測量管12的縱軸的表面法線的兩個平中間段15和20。然而，中間段15和20關於沿縱軸a的傳播方向尺寸長度不同。為了與圖1-3類似地確定流量，電阻溫度計13被布置在第一和第三段16中的測量管壁17的外部上。測量管壁的外部上的布置意思是測量管壁的這種表面不是接觸介質的表面。因而，關注測量管的周界上，即測量管的外壁上的布置。

在這種情況下，兩個中間段15和20中較短的一個位於第一和第三段16之間。

在該示例中，管輪廓18也可被實施為圓筒形。在變窄部分區域中，測量管的形狀與該管輪廓不同，其中測量管橫截面變小。優選地，測量管12的管壁17以其中形成中間段的方式由形變方法加以變形。布置在中間段15和20以及管輪廓18之間的為優選為平的第一和第三段16，以及第四和第六段19。它們的表面法線具有關於縱軸不等於90°的角。特別地，段16和19的表面法線相對於縱軸不為90°。第一、第三、第四和第六段16和20尤其具有相對於測量管2的縱軸l，以及相對於測量管壁17的長度的相同傾斜角。與具有相鄰第一段16、中間段15和第三段16的第一管壁區域相對的具有相鄰第四段19、中間段20和第六段19的第二管壁區域具有比第一管壁區域更大的表面積。

第二管壁區域至測量管的引入尤其能夠在與第一管壁區域的引入共享的形變步驟中發生，並且用於另外的流量調節。

圖7-9示出本發明的傳感器元件21的實施例的進一步示例。這裡的測量管22的變窄部分也受到兩個管壁區域的影響，然而，在實施例的該示例中，兩個管壁區域尺寸相同，並且彼此徑向相對。

與圖4-6類似地，測量管同樣包括兩個平中間段25和30，偏離正常圓筒形管輪廓28的這兩個平中間段25和30被引入測量管壁27中，優選地在其中形成。

在相應中間段25和30的過渡區域中，在每種情況下都布置有傾斜的，優選平的段26和29。在管壁外部布置在這些段上的是針對能量和信號傳輸連接引線24和34從其中延伸的溫度傳感器23和33。

通過相對布置的電阻溫度計24和34，能夠補償測量誤差，並且能夠做出冗餘測量以檢查流量測量的精確性。

在本申請的上下文中全面地參考的de102013108099a1中描述並且詳細地示出了由特殊幾何形狀產生的效果。

在圖1-9中的其不同實施例中所示的傳感器元件非常適合應用於低壓，例如40巴的流量。在這種情況下，傳感器元件在變窄部分的區域中具有尤其優選為0.3-1mm，尤其是0.4-0.7mm的壁厚。針對傳感器的響應時間優化壁厚。

附圖標識

1，11，21傳感器元件

2，12，22測量管

3，13，23，33電阻溫度計

4，14，24，34信號傳輸和/或能量供應引線

5，15，25第一中間段

6，16，26第一和/或第三段

7，17，27管壁

8，18，28管輪廓

19，29第四和/或第六段

20，30第二中間段

s流動方向

a縱軸