DE102013204470B4

DE102013204470B4 - Wärmeübergangsmessgerät

Info

Publication number: DE102013204470B4
Application number: DE102013204470.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: DE102013204470A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines aus einem Messkopf (10) und einem mit einer als zylindrischer Topf (16) ausgebildeten Trennwand (16) des Messkopfs wärmeleitend verbundenen kalorimetrischen Sensor (18) bestehenden Wärmeübergangsmessgeräts, wobei der dünnwandige, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehende Topf (16), dessen Boden eine definierte Wandstärke aufweist, innen-bodenseitig mit dem Sensor (18) wärmeleitend verbunden wird, und wobei anschließend der auf diese Weise konfektionierte Topf (16) auf einen freien Öffnungsrand (20) eines Rohransatzes (14) des Messkopfs mit nach dem Innenraum (30) des Messkopfes (10) weisendem Sensor (18) druckdicht mittels eines Laserschweißverfahrens angeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißebene derart gewählt wird, dass während des Schweißvorgangs kein Laserlicht auf den Sensor (18) trifft, und dass ein aus einem scheibenartigen Keramikkörper bestehendes Substrat (22) des Sensors (18) derart bemessen wird, dass es zumindest stellenweise, im Falle eines Vielecks mit mindestens mehreren Eckpunkten (46) des Vielecks, an der an den Topfboden anschließenden Innenwandung des Topfes anliegt, um den Sensor positionsgenau auf dem Topfboden anordnen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus einem Messkopf und einem mit einer Trennwand des Messkopfs wärmeleitend verbundenen kalorimetrischen Sensor bestehenden Wärmeübergangsmessgeräts, wobei ein dünnwandiger, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehender Topf, dessen Boden eine definierte Wandstärke aufweist, innen-bodenseitig mit dem Sensor wärmeleitend verbunden wird, und wobei anschließend der auf diese Weise konfektionierte Topf auf einen freien Öffnungsrand eines Rohransatzes des Messkopfs mit nach dem Innenraum weisendem Sensor druckdicht mittels eines Laserschweißverfahrens angeschweißt wird Die Erfindung betrifft weiter ein nach dem Verfahren hergestelltes Wärmeübergangsmessgerät.
Wärmeübergangsmessgeräte dieser Art werden vor allem als Strömungswächter zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten in strömenden Medien, als Füllstandssensoren oder als Phasendetektoren zur Überwachung 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 94 08 085 U1 ), 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 35 09 416 A1 ) 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.
Bei einer weiteren Messvorrichtung der eingangs genannten Art ( DE 196 10 885 A1 ) ist die Trennwand als vorgefertigte, dünnwandige Scheibe mit definierter Wandstärke ausgebildet, die mit einem Öffnungsrand eines am Messkopf angeordneten Rohransatzes materialschlüssig verbunden ist. Die Verbindung erfolgt mittels eines Laserschweißverfahrens. Da die Schweißnaht im Wesentlichen in der Ebene des Sensors liegt, kann es beim Schweißvorgang auftreten, dass der Sensor von dem Laserlicht getroffen wird. Man hat festgestellt, dass dies zu einer Beeinträchtigung der Sensorfunktion führen kann.
Ein gattungsgemäßes Wärmeübergangsmessgerät ist aus der DE 10 2010 061 731 A1 bekannt. Bei diesem Gerät erfolgt jedoch keine hochpräzise und in Serie reproduzierbare Positionierung des Sensors.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Wärmeübergangsmessgerät der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, bei dem die Trennwand mit dem Messkopf verbunden werden kann, ohne dass dabei die Gefahr einer Beeinträchtigung der Funktion des Sensors besteht, und bei dem die Positionierung des Sensor mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in Serie erfolgt.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Ebene, in der die Verbindung der Trennwand mit dem Messkopf erfolgt, so gewählt werden sollte, dass bei einem Laserschweißvorgang kein Laserlicht auf den Sensor trifft. Weiterhin kann die Anordnung des Sensors auf einem genau bemessenen Substrat ein genaue und reproduzierbare Positionierung des Sensors ermöglichen. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Schweißebene derart gewählt wird, dass während des Schweißvorgangs kein Laserlicht auf den Sensor trifft, und dass ein aus einem scheibenartigen Keramikkörper bestehendes Substrat des Sensors derart bemessen wird, dass es zumindest stellenweise, im Falle eines Vielecks mit mindestens mehreren Eckpunkten des Vielecks, an der an den Topfboden anschließenden Innenwandung des Topfes anliegt, um den Sensor positionsgenau auf dem Topfboden anordnen zu können. Die Ausbildung der Trennwand als Topf weist den Vorteil auf, dass der Sensor mit hoher geometrischer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auf der Trennwand angeordnet werden kann, wobei das Substrat aufgrund seiner Geometrie passgenau in den Topf eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann das Substrat eine Quadrat- oder Rechteckform aufweisen, was im Falle eines Keramikplättchens als Substrat mit großer Genauigkeit zu erzielen ist. Die Diagonale des Substrats soll dann genau dem Innendurchmesser des Topfes entsprechen, so dass das Substrat derart montiert werden kann, dass seine vier Ecken gerade an der Innenwandung des Topfes anstoßen.
Andere Grundformen des Substrats die eine präzise Anordnung auf dem Topfboden erlauben und mit der erforderlichen Genauigkeit herstellbar sind, also allgemein vorzugsweise ein Vieleck, sind selbstverständlich ebenfalls möglich. Die geometrisch genaue, reproduzierbare Anordnung des Sensors ist von großer Wichtigkeit, da schon geringe Lageverschiebungen des Sensors zu einer Abweichung der gemessenen Werte führen. Bei den bekannten Messköpfen führte dies zu einer hohen Serienstreuung.
Der Topfboden, der zweckmäßig eine Wandstärke von 0,3 bis 1,5 mm aufweist, kann hinsichtlich seiner Wandstärke mit den heutigen Fertigungsmöglichkeiten 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 dem vorgefertigten Topf leichter möglich ist als im Inneren eines Messkopfes. Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn der vorgefertigte Topf zunächst mit dem kalorimetrischen Sensor wärmeleitend verbunden wird und erst anschließend der auf diese Weise konfektionierte Topf 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 auf das Substrat aufgebracht werden und dieses auf den Topfboden wärmeleitend aufgeklebt werden.
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 ein Steuer- und Auswertegerät 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. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch ein Wärmeübergangsmessgerät;
2a und b einen Längsschnitt durch und eine Draufsicht auf die als Topf ausgebildete Trennwand des Messgeräts.
Das in der Zeichnung dargestellte Wärmeübergangsmessgerät ist als Strömungswächter zur elektrischen Erfassung von Wärmeverlusten 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 vorgefertigter dünnwandiger Topf mit einer definierten Wandstärke von etwa 0,4 mm ausgebildet, der mit dem Sensor 18 bestückt wird, bevor er an den Öffnungsrand 20 des Rohransatzes 14 angeschweißt wird. Der Sensor 18 umfasst als Substrat 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.
2a zeigt die als Topf ausgebildete Trennwand 16 in vergrößerter Darstellung. Der Sensor 18 ist auf dem Substrat 22 angeordnet, das als quadratisches Plättchen aus einem Keramikmaterial ausgebildet ist. Das Substrat 22 ist flächig mittels eines wärmeleitenden Klebstoffs auf den Boden der Trennwand 16 aufgeklebt. Da die Verschweißung der Trennwand 16 mit dem Rohransatz 14 in einer Ebene erfolgt, die einen ausreichenden axialen Abstand von dem Sensor 18 aufweist, ist sichergestellt, dass beim Laserschweißen kein Laserlicht auf den Sensor oder das Substrat 22 treffen kann. Wie aus der Draufsicht der 2b zu erkennen ist, weist das Substrat 22 eine quadratische Grundform auf, wobei die Diagonale des Quadrats so bemessen ist, dass das Substrat mit seinen vier Ecken 46 gerade die Innenwandung der Trennwand 16 berührt. Der Sensor 18 lässt sich so mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit auf der Trennwand anordnen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines aus einem Messkopf (10) und einem mit einer als zylindrischer Topf (16) ausgebildeten Trennwand (16) des Messkopfs wärmeleitend verbundenen kalorimetrischen Sensor (18) bestehenden Wärmeübergangsmessgeräts, wobei der dünnwandige, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehende Topf (16), dessen Boden eine definierte Wandstärke aufweist, innen-bodenseitig mit dem Sensor (18) wärmeleitend verbunden wird, und wobei anschließend der auf diese Weise konfektionierte Topf (16) auf einen freien Öffnungsrand (20) eines Rohransatzes (14) des Messkopfs mit nach dem Innenraum (30) des Messkopfes (10) weisendem Sensor (18) druckdicht mittels eines Laserschweißverfahrens angeschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißebene derart gewählt wird, dass während des Schweißvorgangs kein Laserlicht auf den Sensor (18) trifft, und dass ein aus einem scheibenartigen Keramikkörper bestehendes Substrat (22) des Sensors (18) derart bemessen wird, dass es zumindest stellenweise, im Falle eines Vielecks mit mindestens mehreren Eckpunkten (46) des Vielecks, an der an den Topfboden anschließenden Innenwandung des Topfes anliegt, um den Sensor positionsgenau auf dem Topfboden anordnen zu können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) an einer wohldefinierten Position auf dem Substrat (22) angeordnet wird, vorzugsweise unmittelbar in Dünnfilmtechnik.
Wärmeübergangsmessgerät, hergestellt mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, 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 in thermischem Kontakt mit der Trennwand stehenden, mindestens ein Heizelement (24) und ein Temperaturmesselement (26) enthaltenden kalorimetrischen Sensor (18) aufweist, wobei die Trennwand (16) als zylindrischer Topf ausgebildet ist, der mit einem Öffnungsrand (20) eines am Messkopf (10) angeordneten Rohransatzes (14) materialschlüssig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (16) mittels einer Laserschweißnaht mit dem Rohransatz (14) verbunden ist und die Ebene in der die Laserschweißnaht verläuft einen axialen Abstand vom Topfboden aufweist, derart dass der Sensor (18) während des Schweißvorgangs vom Laserlicht abgeschattet ist, und dass der Sensor (18) ein Substrat (22) umfasst, das zumindest stellenweise die an den Topfboden anschließende Innenwandung des Topfes (16) berührt, wobei das Substrat (22) als Vieleck ausgebildet ist, insbesondere als Quadrat oder Rechteck.
Wärmeübergangsmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) an einem ebenen, eine definierte Wandstärke aufweisenden Boden des Topfes (16) angeordnet ist.
Wärmeübergangsmessgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (16) aus Metall besteht.
Wärmeübergangsmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (22) als mit dem Topfboden flächig wärmeleitend verbundener, vorzugsweise verklebter, mit dem Heizelement (24) und dem Temperaturmesselement (26) bestückter Keramikträger ausgebildet ist.
Wärmeübergangsmessgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Topf (16) und der Rohransatz (14) des Messkopfs aus dem gleichen Metall, vorzugsweise aus Edelstahl bestehen.
Wärmeübergangsmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikträger (22) mindestens ein im Abstand von dem Temperaturmesselement (26) angeordnetes Widerstandsheizelement (24) trägt.
Wärmeübergangsmessgerät nach einem der Ansprüche 3 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 3 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 (34) angeschlossen ist.