DE102021105148A1 - Device for a sensor device, sensor device and method for producing the sensor device - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums (13) durch ein Rohrstück (3) einer Rohrleitung, miteiner Messeinheit (10) für eine Coriolis-Massendurchflussmessung, welche ihrerseits eine vom fluiden Medium (13) umströmbare mechanische Schwingungseinheit (11), mindestens einen Schwingungssensor (8) und mindestens einen Schwingungserreger (9) umfasst, und elektrischen Kontakten (6) zur äußeren Kontaktierung des mindestens einen Schwingungserregers (9) und/oder des mindestens einen Schwingungssensors (8) außerhalb der Rohrleitung.Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Leiterplatte (2) aufweist, deren Fläche sich in einen ersten Teil (I), einen zweiten Teil (II) und einen dritten Teil (III) aufteilen lässt, wobei auf dem ersten Teil (I) die elektrischen Kontakte (6) angeordnet sind, der dritte Teil (III) die Messeinheit (10) oder zumindest deren Schwingungseinheit (11) bildet und der zweite Teil (II) einen Verbindungsteil zwischen dem ersten Teil (I) und dem dritten Teil (III) bildet.Die Erfindung betrifft weiterhin eine einer Sensoreinrichtung (1) mit einer derartigen Vorrichtung und einem Rohrstück (3) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Sensoreinrichtung (1).The invention relates to a device for determining the flow of a fluid medium (13) through a pipe section (3) of a pipeline, with a measuring unit (10) for a Coriolis mass flow measurement, which in turn has a mechanical vibration unit (11) around which the fluid medium (13) can flow. , comprises at least one vibration sensor (8) and at least one vibration exciter (9), and electrical contacts (6) for external contacting of the at least one vibration exciter (9) and / or the at least one vibration sensor (8) outside the pipeline. that the device has a printed circuit board (2), the surface of which can be divided into a first part (I), a second part (II) and a third part (III), the electrical contacts (6 ) are arranged, the third part (III) forms the measuring unit (10) or at least its vibration unit (11) and the second part (II) forms a connecting part between which it The invention also relates to a sensor device (1) with such a device and a pipe section (3) and a method for producing such a sensor device (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch ein Rohrstück mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13.The present invention relates to a device for determining the flow of a fluid medium through a pipe section with the features of the preamble of claim 1, a sensor device for determining the flow of a fluid medium through a pipeline with the features of claim 9 and a method for producing such Sensor device with the features of claim 13.

Herkömmliche Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung, sogenannte Massendurchflussmesser, insbesondere Coriolis-Massendurchflussmesser, dienen zur Bestimmung des Massendurchsatzes eines fluiden Mediums durch den Querschnitt der Rohrleitung. Derartige Sensoreinrichtungen werden in der Regel als Einrohr- oder Zweirohrmesssysteme realisiert und sind so aufgebaut, dass ein Messrohr, beispielsweise ein Rohrbogen, durch Aktoren in eine definierte Schwingung versetzt wird. Die Drehachse liegt dabei auf einer gedachten Achse zwischen Zu- und Ablauf. Die Strömung des durchfließenden Mediums, dessen Strömungsrichtung senkrecht zur Schwingungsrichtung und parallel zur Drehachse erfolgt, wirkt auf das schwingende Messrohr. Dem Trägheitsgesetz zugrunde verzögert sich das fluide Medium und erzeugt somit eine Phasenverschiebung der ursprünglich am Messrohr angeregten Schwingung. Die Schwingungsfrequenz ist dabei abhängig von der Masse des Mediums, der Flussgeschwindigkeit sowie von den temperaturbestimmten Rohreigenschaften. Der mittels Schwingungssensor messbare Phasenunterschied ist direkt proportional zum Massestrom, sodass eine Aussage über den Massendurchfluss getroffen werden kann. Mit dieser Methode kann der Massendurchfluss direkt gemessen werden, sodass indirekte Messungen, beispielsweise über die Dichte oder das Volumen, nicht mehr notwendig sind.Conventional sensor devices for determining the flow of a fluid medium through a pipeline, so-called mass flow meters, in particular Coriolis mass flow meters, are used to determine the mass flow rate of a fluid medium through the cross section of the pipeline. Such sensor devices are usually implemented as single-pipe or two-pipe measuring systems and are constructed in such a way that actuators set a measuring pipe, for example a pipe bend, into a defined oscillation. The axis of rotation lies on an imaginary axis between the inlet and outlet. The flow of the flowing medium, the direction of flow of which is perpendicular to the direction of oscillation and parallel to the axis of rotation, acts on the oscillating measuring tube. Based on the law of inertia, the fluid medium is delayed and thus generates a phase shift of the oscillation originally excited at the measuring tube. The oscillation frequency depends on the mass of the medium, the flow speed and the temperature-determined pipe properties. The phase difference that can be measured using a vibration sensor is directly proportional to the mass flow, so that a statement can be made about the mass flow. With this method, the mass flow rate can be measured directly, so that indirect measurements, for example via density or volume, are no longer necessary.

Abhängig von der Art des Mediums kommen in der Regel Rohre mit unterschiedlichen Rohrinnendurchmessern zum Einsatz. Die Funktionsweise ist unabhängig von den Eigenschaften des Mediums, sodass fast alle Stoffe, wie beispielsweise Öle, Treibstoffe, Reinigungsmittel, Fette, Alkohol oder Methan, gemessen werden können und somit die Anwendungsgebiete breit gestreut sind. Dazu gehören beispielsweise Dosieranlagen oder Treibstoffzapfsäulen.Depending on the type of medium, pipes with different internal pipe diameters are usually used. The mode of operation is independent of the properties of the medium, so that almost all substances, such as oils, fuels, cleaning agents, fats, alcohol or methane, can be measured and thus the areas of application are widely spread. These include, for example, dosing systems or fuel pumps.

Die Erfindung geht, wie gesagt, aus von einer Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch ein Rohrstück, einer entsprechenden Sensoreinrichtung, die ein Rohrstück zum Einbau in die Rohrleitung und eine an/in einem Rohrstück verbaute derartige Vorrichtung umfasst, sowie einem Verfahren zum Herstellen einer derartigen Sensoreinrichtung. Diese Sensoreinrichtung dient zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung. Für die Bestimmung des Medium-Durchflusses wird die Vorrichtung verwendet, die eine Messeinheit für eine Coriolis-Massendurchflussmessung umfasst. Die Messeinheit umfasst eine vom fluiden Medium umströmbare mechanische Schwingungseinheit, mindestens einen Schwingungssensor und mindestens einen Schwingungserreger. Weiterhin umfasst die Vorrichtung elektrische Kontakte zur äußeren Kontaktierung des mindestens einen Schwingungserregers und/oder mindestens einen Schwingungssensors.As said, the invention is based on a device for determining the flow of a fluid medium through a pipe section, a corresponding sensor device which comprises a pipe section for installation in the pipeline and a device of this type installed on / in a pipe section, and a method for Manufacture of such a sensor device. This sensor device is used to determine the flow of a fluid medium through a pipeline. The device which comprises a measuring unit for a Coriolis mass flow measurement is used to determine the medium flow rate. The measuring unit comprises a mechanical vibration unit around which the fluid medium can flow, at least one vibration sensor and at least one vibration exciter. Furthermore, the device comprises electrical contacts for external contacting of the at least one vibration exciter and / or at least one vibration sensor.

Die DE 10 2018 102 831 beschreibt eine Sensoreinrichtung mit einem Rohrstück und einer Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums, die derart aufgebaut ist, dass sich ein plattenförmiges Verdrängerelement innerhalb des Rohres befindet und von dem Medium umströmbar ist. Schwingungserreger und Schwingungssensor sind mit dem Verdrängerelement gekoppelt und mittels einer Befestigungsvorrichtung an der Außenseite des Rohres befestigt und über elektrische Verbindungselemente mit einer Steuerelektronik verbunden. Bei dieser Sensoreinrichtung wird nicht das Rohr bzw. ein Rohrstück dieses Rohrs, sondern das plattenförmige Verdrängerelement im Rohrstück zum Schwingen angeregt.the DE 10 2018 102 831 describes a sensor device with a pipe section and a device for determining the flow rate of a fluid medium, which is constructed in such a way that a plate-shaped displacement element is located inside the pipe and the medium can flow around it. Vibration exciter and vibration sensor are coupled to the displacement element and fastened to the outside of the pipe by means of a fastening device and connected to control electronics via electrical connection elements. In this sensor device, it is not the pipe or a pipe section of this pipe, but rather the plate-shaped displacement element in the pipe section that is excited to vibrate.

Beim Aufbau der entsprechenden Sensoreinrichtung müssen die Komponenten der Vorrichtung zur Durchflussbestimmung, wie Schwingungssensor, Schwingungserreger, Verdrängerelement, elektrische Verbindungselemente sowie Bauteile der Befestigungsvorrichtung einzeln verbaut und miteinander verbunden werden. Der Aufbau wird dadurch sehr komplex und zeitaufwendig. Zusätzlich ist ein derartiger Aufbau mit einer hohen Anzahl an einzelnen Komponenten kostenintensiv.When setting up the corresponding sensor device, the components of the device for determining the flow rate, such as the vibration sensor, vibration exciter, displacement element, electrical connecting elements and components of the fastening device must be installed individually and connected to one another. This makes the setup very complex and time-consuming. In addition, such a structure with a large number of individual components is cost-intensive.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, durch die die Sensoreinrichtung simpel und kostengünstig herstellbar ist. Weiterhin soll mit der Erfindung eine kompakte Variante eines Massendurchflussmessers bereitgestellt, sowie messtechnische Probleme minimiert werden.It is therefore the object of the invention to specify measures by means of which the sensor device can be produced simply and inexpensively. Furthermore, the invention is intended to provide a compact variant of a mass flow meter and to minimize measurement problems.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the subjects of the independent claims. Preferred developments of the invention are described in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst erstens eine Messeinheit für eine Coriolis-Massendurchflussmessung. Die Messeinheit umfasst wiederum eine vom fluiden Medium umströmbare mechanische Schwingungseinheit, mindestens einen Schwingungssensor und mindestens einen Schwingungserreger. Zweitens umfasst die Vorrichtung elektrische Kontakte, die zur äußeren Kontaktierung des mindestens einen Schwingungserregers und/oder mindestens einen Schwingungssensors außerhalb der Rohrleitung dienen. Es ist nun vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Leiterplatte aufweist, deren Fläche in einen ersten, einen zweiten und einen dritten Teil eingeteilt werden kann. Auf dem ersten Teil sind die elektrischen Kontakte angeordnet. Der dritte Teil bildet die Messeinheit oder zumindest deren Schwingungseinheit. Der zweite Teil bildet einen Verbindungsteil zwischen dem ersten und dem dritten Teil. Als eine Leiterplatte wird vorliegend ein Träger für elektronische Bauteile verstanden. Durch die Verwendung einer Leiterplatte kann die Vorrichtung oder zumindest große Teile der Vorrichtung über hochautomatisierte Standard-Verfahren erstellt werden. Weiterhin lässt sich ein solcher Leiterplattenaufbau einfach und gut montieren.According to the invention, a device for determining the flow of a fluid medium through a pipeline is provided. The device firstly comprises a measuring unit for a Coriolis mass flow rate measurement. the The measuring unit in turn comprises a mechanical vibration unit around which the fluid medium can flow, at least one vibration sensor and at least one vibration exciter. Second, the device comprises electrical contacts which are used for external contacting of the at least one vibration exciter and / or at least one vibration sensor outside the pipeline. It is now provided that the device has a printed circuit board, the surface of which can be divided into a first, a second and a third part. The electrical contacts are arranged on the first part. The third part forms the measuring unit or at least its vibration unit. The second part forms a connecting part between the first and the third part. In the present case, a printed circuit board is understood to be a carrier for electronic components. By using a printed circuit board, the device or at least large parts of the device can be created using highly automated standard methods. Furthermore, such a circuit board structure can be installed easily and effectively.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, umfasst die Leiterplatte Leiterbahnen, die sich von dem ersten Teil über den zweiten Teil bis zum dritten Teil der Leiterplatte erstrecken. Über diese elektrischen Leiterbahnen werden die elektrischen Kontakte mit dem mindestens einen Schwingungssensor und dem mindestens einen Schwingungserreger verbunden. Sie sind in der Regel integraler Bestandteil der Leiterplatte.According to a preferred development of the invention, the circuit board comprises conductor tracks which extend from the first part via the second part to the third part of the circuit board. The electrical contacts are connected to the at least one vibration sensor and the at least one vibration exciter via these electrical conductor tracks. They are usually an integral part of the circuit board.

Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Schwingungssensor und/oder der Schwingungserreger ein piezoelektrisches Element und/oder einen Dehnungsmessstreifen umfasst. Mittels des direkten Piezoeffektes kann bei einwirkender Kraft eine Spannung gemessen werden, sowie mittels des indirekten Piezoeffektes bei angelegter Spannung eine Kraft generiert werden. Bei Dehnungsmessstreifen werden Verformungen, beispielsweise dehnende und/oder stauchende Verformungen, über einen elektrischen Widerstand erfasst.Another preferred development of the invention is that the vibration sensor and / or the vibration exciter comprises a piezoelectric element and / or a strain gauge. By means of the direct piezo effect, a voltage can be measured when a force is applied, and a force can be generated by means of the indirect piezo effect when a voltage is applied. In the case of strain gauges, deformations, for example stretching and / or compressing deformations, are recorded via an electrical resistance.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das piezoelektrische Element und/oder der Dehnungsmessstreifen wahlweise als Schwingungssensor oder als Schwingungserreger nutzbar ist. Mittels Ansteuerelektronik kann die Funktion des piezoelektrischen Elements und/oder des Dehnungsmessstreifens gewählt werden. Auf Grund des direkten Piezoeffektes kann bei einwirkender Kraft eine Spannung gemessen werden, sodass das piezoelektrische Element als Schwingungssensor verwendbar ist. Andererseits kann auf Grund des indirekten Piezoeffektes bei angelegter Spannung eine Kraft generiert werden, sodass das piezoelektrische Element als Schwingungserreger verwendbar ist. Bei Dehnungsmessstreifen kann der elektrische Widerstand reguliert werden. Je nach Bedarf und Messaufbau kann das piezoelektrische Element und/oder der Dehnungsmessstreifen folglich sowohl Schwingungssensor als auch Schwingungserreger sein. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung eine hohe Flexibilität gewährleistet und die Anzahl unterschiedlicher benötigter Komponenten verringert wird, sodass Kosten eingespart werden können.It is provided in particular that the piezoelectric element and / or the strain gauge can be used either as a vibration sensor or as a vibration exciter. The function of the piezoelectric element and / or the strain gauge can be selected by means of control electronics. Due to the direct piezo effect, a voltage can be measured when a force is applied, so that the piezoelectric element can be used as a vibration sensor. On the other hand, due to the indirect piezo effect, when a voltage is applied, a force can be generated so that the piezoelectric element can be used as a vibration exciter. The electrical resistance of strain gauges can be regulated. Depending on the requirements and measurement setup, the piezoelectric element and / or the strain gauge can consequently be both a vibration sensor and a vibration exciter. This has the advantage that the device ensures a high degree of flexibility and the number of different components required is reduced, so that costs can be saved.

Grundsätzlich kann das piezoelektrische Element auf unterschiedlicher Art auf der Leiterplatte befestigt werden. Vorzugsweise ist es ein integraler Bestandteil der Leiterplatte, indem es beispielswiese in die Leiterplatte dotiert wird. Dadurch wird ein aufwendiger Messaufbau vermieden, da die Basiskomponenten, wie der Schwingungssensor und der Schwingungserreger sowie die Leiterbahnen, bereits integrale Bestandteile der Leiterplatte sind und somit ein einstückiges Bauteil bilden.In principle, the piezoelectric element can be attached to the circuit board in different ways. It is preferably an integral part of the circuit board, for example by being doped into the circuit board. This avoids a complex measurement setup, since the basic components, such as the vibration sensor and the vibration exciter as well as the conductor tracks, are already integral parts of the circuit board and thus form a one-piece component.

Eine wesentlich bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Basis der Leiterplatte eine Keramikplatte ist. Dabei können auf der Leiterplatte die Leiterbahnen beispielsweise im Siebdruckverfahren angebracht werden, sodass die Leiterbahnen und die Leiterplatte ein einstückiges Bauteil bilden. Folglich wird ein zeitaufwendiger und komplexer Aufbau der Vorrichtung vermieden, da die Leiterbahnen bereits auf der Leiterplatte integral angebracht sind. Alternativ oder zusätzlich können elektrische Bauteile mittels Dünnschichttechnik, insbesondere durch physikalische oder chemische Abscheidung, direkt auf der Basis erstellt werden, sodass sie integrale Bestandteile der Leiterplatte sind.A substantially preferred development of the invention is that the base of the circuit board is a ceramic plate. The conductor tracks can be attached to the circuit board, for example using the screen printing process, so that the conductor tracks and the circuit board form a one-piece component. Consequently, a time-consuming and complex construction of the device is avoided, since the conductor tracks are already integrally attached to the circuit board. Alternatively or additionally, electrical components can be created directly on the base using thin-film technology, in particular by physical or chemical deposition, so that they are integral parts of the circuit board.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Basis der Leiterplatte als Mehrlagensystem (auch Sandwich-/Multilayer-System genannt) ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere vorgesehen, dass die Leiterbahnen bezüglich der Lagen des Mehrlagensystems innenliegend, also zwischen zwei Lagen, angeordnet sind. Auf diese Weise sind die Leiterbahnen gut geschützt.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass je zwei verschieden dotierte Piezoelemente paarweise in der Leiterplatte übereinander liegen. Auf diese Weise kann man ein doppeltes Signal bzw. eine doppelte Empfindlichkeit realisieren.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the base of the circuit board is designed as a multilayer system (also called a sandwich / multilayer system). In this embodiment, it is provided in particular that the conductor tracks are arranged on the inside with respect to the layers of the multilayer system, that is to say between two layers. In this way the conductor tracks are well protected.
As an alternative or in addition, it is provided that two differently doped piezo elements are located one above the other in the circuit board in pairs. In this way, a double signal or double sensitivity can be achieved.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der dritte Teil der Leiterplatte mindestens einen Durchbruch auf, der die vom dritten Teil gebildete mechanische Schwingungseinheit in Schwingungsabschnitte unterteilt. Der Durchbruch kann dabei beispielsweise in Form eines Lochschlitzes ausgebildet sein. Auf Grund derartiger Durchbrüche wird die Steifheit der Leiterplatte minimiert, sodass sie sensibler gegenüber kleinen Kräften ist. Die Bereiche zwischen den Durchbrüchen bilden Stege, in deren Umfeld der jeweilige Schwingungserreger oder Schwingungssensor angebracht ist. Vorzugsweise sind die Abstände der Stege auf die Eigenfrequenz der Leiterplatte abgestimmt, sodass Resonanzschwingungen angeregt werden können.According to a preferred embodiment of the invention, the third part of the circuit board has at least one opening which divides the mechanical vibration unit formed by the third part into vibration sections. The breakthrough can be designed, for example, in the form of a perforated slot. Due to such breakthroughs, the rigidity of the circuit board is minimized, so that it is more sensitive to small forces. the Areas between the openings form webs, in the vicinity of which the respective vibration exciter or vibration sensor is attached. The distances between the webs are preferably matched to the natural frequency of the circuit board so that resonance vibrations can be excited.

Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung vorgesehen. Die Sensoreinrichtung umfasst die vorstehend beschriebene Vorrichtung und ein in die Rohrleitung einbaubares Rohrstück, in dessen Rohrmantel ein Durchbruch ausgebildet ist. Durch diesen Durchbruch im Rohrmantel ist die Leiterplatte in das Rohrstück eingetaucht. Dadurch ist der erste Teil der Leiterplatte außerhalb des Rohrstücks angeordnet und der dritte Teil der Leiterplatte innerhalb des Rohrstücks angeordnet. Infolgedessen ist der erste Teil der Leiterplatte, auf dem die elektrischen Kontakte angeordnete sind, außerhalb des Rohrstücks und der dritte Teil der Leiterplatte, der die Messeinheit oder zumindest deren Schwingungseinheit bildet, im Rohrstück angeordnet.According to the invention, a sensor device for determining the flow of a fluid medium through a pipeline is also provided. The sensor device comprises the device described above and a pipe section which can be installed in the pipeline and in the pipe jacket of which an opening is formed. The circuit board is immersed in the pipe section through this breakthrough in the pipe jacket. As a result, the first part of the circuit board is arranged outside the pipe section and the third part of the circuit board is arranged inside the pipe section. As a result, the first part of the circuit board on which the electrical contacts are arranged is arranged outside the pipe section and the third part of the circuit board, which forms the measuring unit or at least its vibration unit, is arranged in the pipe section.

Es ist somit ein maßgeblicher Punkt der Erfindung, dass sich aufgrund der Gestaltung der Leiterplatte der mindestens eine Schwingungssensor und/oder der mindestens eine Schwingungserreger innerhalb der Rohrleitung befinden, während die elektrischen Kontakte sich außerhalb der Rohrleitung befinden sowie dass die elektrischen Kontakte mit dem mindestens einen Schwingungssensor und dem mindestens einen Schwingungserreger bevorzugt über elektrische Leiterbahnen durch den Durchbruch im Rohrmantel des Rohrstücks hindurch verbunden sind.It is therefore a key point of the invention that, due to the design of the printed circuit board, the at least one vibration sensor and / or the at least one vibration exciter are located inside the pipeline, while the electrical contacts are located outside the pipeline and that the electrical contacts with the at least one Vibration sensor and the at least one vibration exciter are preferably connected via electrical conductor tracks through the opening in the pipe jacket of the pipe section.

Die Leiterbahnen sind dabei vorzugsweise relativ zur Längsachse der Rohrleitung radial vom inneren Teil der Leiterplatte durch den Durchbruch des Rohrmantels bis zum äußeren Teil der Leiterplatte angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Schwingungserreger und Schwingungssensor, die innerhalb des Rohrstücks angeordnet sind, über die Leiterbahnen mit den äußeren elektrischen Kontakten verbunden sind. Somit kann die Schwingung des fluiden Mediums direkt im Inneren des Rohrstücks sowohl angeregt als auch direkt gemessen werden. Eine mechanische Übertragung der Schwingung zu externen Schwingungssensoren ist damit nicht notwendig. Das Signal wird innerhalb des Rohrstücks erzeugt und über die Leiterbahnen zu den außen gelegenen elektrischen Kontakten weitergeleitet. Dadurch können Messunsicherheiten reduziert werden.The conductor tracks are preferably arranged relative to the longitudinal axis of the pipeline radially from the inner part of the circuit board through the opening in the pipe jacket to the outer part of the circuit board. This ensures that the vibration exciter and vibration sensor, which are arranged inside the pipe section, are connected to the external electrical contacts via the conductor tracks. The oscillation of the fluid medium can thus be both excited and measured directly inside the pipe section. A mechanical transmission of the vibration to external vibration sensors is therefore not necessary. The signal is generated inside the pipe section and passed on to the external electrical contacts via the conductor tracks. This allows measurement uncertainties to be reduced.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind auf der Leiterplatte der mindestens eine Schwingungssensor und der mindestens eine Schwingungserreger nebeneinander entlang der Längsachse des Rohrstücks angeordnet. Der Abstand zwischen Schwingungssensor und Schwingungserreger ist dabei auf die Eigenfrequenz der mechanischen Schwingungseinheit abgestimmt. Über das Medium eingeleitete Kräfte, insbesondere Coriolis-Kräfte, führen dann zu einer gut messbaren „Verstimmung“.According to a preferred development of the invention, the at least one vibration sensor and the at least one vibration exciter are arranged next to one another along the longitudinal axis of the pipe section on the printed circuit board. The distance between the vibration sensor and the vibration exciter is matched to the natural frequency of the mechanical vibration unit. Forces introduced via the medium, in particular Coriolis forces, then lead to an easily measurable “detuning”.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Leiterplatte derart angeordnet, dass sie längs der Längsachse des Rohrstücks ausgerichtet ist. Dadurch versetzt der mindestens eine Schwingungserreger, der auf der Leiterplatte angebracht ist, die Leiterplatte in eine Schwingung, die quer zu der Flächenausdehnung der Leiterplatte orientiert ist. Da das fluide Medium entlang der Längsachse der Rohrleitung strömt, erfolgt die Schwingung folglich quer zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums. Entsprechende Corioliskräfte führen dann zu einer Phasenverschiebung der mechanischen Schwingung gegenüber der Anregung. Diese Phasenverschiebung der gemessenen, durch die Corioliskräfte veränderten, Schwingung relativ zu der ursprünglich angeregten Schwingung ist proportional zum Massestrom, sodass unter Kenntnis der Phasenverschiebung der Massendurchfluss angegeben werden kann. According to a preferred embodiment, the circuit board is arranged in such a way that it is aligned along the longitudinal axis of the pipe section. As a result, the at least one vibration exciter that is attached to the circuit board sets the circuit board in a vibration that is oriented transversely to the surface area of the circuit board. Since the fluid medium flows along the longitudinal axis of the pipeline, the oscillation consequently takes place transversely to the direction of flow of the fluid medium. Coriolis forces then lead to a phase shift of the mechanical oscillation compared to the excitation. This phase shift of the measured oscillation, changed by the Coriolis forces, relative to the originally excited oscillation is proportional to the mass flow, so that the mass flow rate can be specified with knowledge of the phase shift.

Grundsätzlich kann die Befestigung der Leiterplatte an dem Rohrmantel auf viele Weisen erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Befestigung jedoch über ein Befestigungsmittel. Dieses kann insbesondere als Lot und/oder als Verklebung ausgebildet sein. Das Lot kann dabei beispielsweise als Glaslot ausgebildet sein. Auf Grund des Befestigungsmittels wird gewährleistet, dass die Leiterplatte vollständig an dem Rohrmantel befestigt und der Durchbruch gleichzeitig fluiddicht verschlossen wird.In principle, the printed circuit board can be fastened to the pipe jacket in many ways. According to a preferred development of the invention, however, the fastening takes place via a fastening means. This can in particular be designed as a solder and / or as a bond. The solder can be designed as a glass solder, for example. The fastening means ensure that the circuit board is completely fastened to the pipe jacket and the opening is closed in a fluid-tight manner at the same time.

Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums durch eine Rohrleitung, insbesondere zum Herstellen einer vorstehend beschriebenen Sensoreinrichtung, vorgesehen, das folgende Verfahrensschritte aufweist: Zuerst wird eine vorstehend genannte Vorrichtung mit einer Leiterplatte und ein Rohrstück bereitgestellt. In dem Rohrmantel des Rohrstücks ist ein Durchbruch ausgebildet. Danach wird die Leiterplatte durch den Durchbruch in das Rohrstück soweit eingeschoben bis der dritte Teil der Leiterplatte innerhalb des Rohrstücks liegt. Anschließend wird die Leiterplatte an dem Rohrmantel des Rohrstücks mittels Befestigungsmittel befestigt. Das Befestigungsmittel verschließt dabei den Durchbruch fluiddicht.According to the invention, a method for producing a sensor device for determining the flow of a fluid medium through a pipeline, in particular for producing a sensor device described above, is provided, which has the following method steps: First, an above-mentioned device with a circuit board and a pipe section is provided. An opening is formed in the pipe jacket of the pipe section. The circuit board is then pushed through the opening into the pipe section until the third part of the circuit board lies within the pipe section. The circuit board is then fastened to the pipe jacket of the pipe section by means of fasteners. The fastening means closes the opening in a fluid-tight manner.

Die für die Vorrichtung und die Sensoreinrichtung offenbarten Ausgestaltungsmöglichkeiten gelten äquivalent für das Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoreinrichtung mit Hilfe einer solchen Vorrichtung.The design options disclosed for the device and the sensor device apply equivalently to the manufacturing method such a sensor device with the help of such a device.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail beschrieben. Dabei zeigt:

• 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
• 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer Schnittansicht entlang der Schnittachse A-A aus 1.
• 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer Schnittansicht entlang der Schnittachse B-B aus 1.
• 4 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer Schnittansicht entlang der Schnittachse A-A aus 1.
• 5 gerades Rohrstück
• 6 Rohrschwingung eines herkömmlichen Coriolis-Massedurchflussmessers mit einem geraden Messrohr schematisiert
• 7 a Schnittdarstellung des Strömungselements im ausgelenkten Zustand
• 7b Aufsicht aus das Strömungselement
• 8a eine Ausgestaltung der Erfindung in Durchsicht mit Rohrstück und Sensorelement
• 8b Aufsicht auf das Strömungselement mit zwei Sensoren und einem Erreger
• 8c ausgelenktes Strömungselement in Seitenansicht
• 8d ausgelenktes Strömungselement als Längsschnitt

The invention is described in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the drawings. It shows:

• 1 a schematic representation of a device according to a first preferred embodiment of the invention in a perspective view,
• 2 a schematic representation of the device according to the first preferred embodiment of the invention in a sectional view along the sectional axis AA 1 .
• 3 a schematic representation of the device according to the first preferred embodiment of the invention in a sectional view along the sectional axis BB 1 .
• 4th a schematic representation of the device according to a further preferred embodiment of the invention in a sectional view along the sectional axis AA 1 .
• 5 straight pipe section
• 6th Schematic representation of the tube vibration of a conventional Coriolis mass flow meter with a straight measuring tube
• 7 a Sectional view of the flow element in the deflected state
• 7b Top view of the flow element
• 8a an embodiment of the invention in view with pipe section and sensor element
• 8b Top view of the flow element with two sensors and an exciter
• 8c deflected flow element in side view
• 8d deflected flow element as a longitudinal section

In 1 ist eine Sensoreinrichtung 1 zur Durchflussmessung schematisch dargestellt, die als Hauptkomponenten eine auf einer Leiterplatte 2 realisierte Vorrichtung zur Durchflussmessung und ein Rohrstück 3 umfasst. Die Leiterplatte 2 ist dabei an dem Rohrmantel 4 des Rohrstücks 3 so angebracht, dass sie durch einen entsprechenden schlitzartigen Durchbruch 5 im Rohrmantel 4 des Rohrstücks 3 durchgreift. Zur Montage der Sensoreinrichtung 1 wird dieses Rohrstück 3 in eine Rohrleitung integriert, bei der die Durchflussmessung erfolgen soll. Die Fläche der Leiterplatte 2 lässt sich in einen ersten Teil I, einen zweiten Teil II und einen dritten Teil III aufteilen, was in 3 gezeigt ist. Auf dem ersten Teil I der Leiterplatte 2 befinden sich elektrische Kontakte 6 zur äußeren elektrischen Kontaktierung von elektrischen Komponenten der Sensoreinrichtung. Dieser erste Teil I der Leiterplatte 2 befindet sich außerhalb der Rohrleitung, wenn das Rohrstück 3 eingebaut ist. Die elektrischen Kontakte 6 sind mittels Leiterbahnen 7 mit (in 2 dargestellten) Schwingungssensoren 8 und einem zentralen Schwingungserreger 9 einer Messeinheit 10 für eine Coriolis-Massendurchflussmessung verbunden. Dies sind im vorliegenden Beispiel die elektrischen Komponenten. Die Leiterplatte 2 ist derart angeordnet, dass sich der mindestens eine Schwingungssensor 8 und der mindestens eine Schwingungserreger 9 innerhalb der Rohrleitung befinden, während die elektrischen Kontakte 6 sich außerhalb der Rohrleitung befinden. Mit anderen Worten sind die elektrischen Kontakte 6 mit den Schwingungssensoren 8 und dem Schwingungserreger 9 über elektrische Leiterbahnen 7 der Leiterplatte 2 durch den Durchbruch 5 im Rohrmantel 4 des Rohrstücks 5 hindurch miteinander verbunden.In 1 is a sensor device 1 for flow measurement shown schematically, the main components on a circuit board 2 realized device for flow measurement and a piece of pipe 3 includes. The circuit board 2 is on the pipe jacket 4th of the pipe section 3 attached in such a way that it passes through a corresponding slot-like opening 5 in the pipe jacket 4th of the pipe section 3 takes action. For mounting the sensor device 1 becomes this piece of pipe 3 integrated in a pipeline in which the flow rate is to be measured. The area of the circuit board 2 can be found in a first part I. , a second part II and a third part III split what's in 3 is shown. On the first part I. the circuit board 2 there are electrical contacts 6th for external electrical contacting of electrical components of the sensor device. This first part I. the circuit board 2 located outside the pipeline when the pipe section 3 is built in. The electrical contacts 6th are by means of conductor tracks 7th with in 2 vibration sensors shown 8th and a central vibration exciter 9 a measuring unit 10 connected for a Coriolis mass flow measurement. In this example, these are the electrical components. The circuit board 2 is arranged such that the at least one vibration sensor 8th and the at least one vibration exciter 9 located inside the pipeline while the electrical contacts 6th are outside the pipeline. In other words, they are the electrical contacts 6th with the vibration sensors 8th and the vibration exciter 9 via electrical conductor tracks 7th the circuit board 2 through the breakthrough 5 in the pipe jacket 4th of the pipe section 5 connected through each other.

Der jeweilige Schwingungssensor 8 und/oder Schwingungserreger 9 umfasst als Herzstück ein piezoelektrisches Element und/oder einen Dehnungsmessstreifen. Mittels des direkten Piezoeffektes kann über das piezoelektrische Element bei einwirkender Kraft eine Spannung gemessen werden, sowie mittels des indirekten Piezoeffektes bei angelegter Spannung eine Kraft generiert werden. Der Dehnungsmessstreifen erfasst Verformungen, beispielsweise dehnende und/oder stauchende Verformungen, über einen elektrischen Widerstand. Vorzugsweise ist das piezoelektrische Element integraler Bestandteil der Leiterplatte 2 und wird beispielsweise per Abscheideverfahren erstellt. Der dritte Teil III der Leiterplatte 2 im Inneren des Rohrstücks 3 bildet eine mechanische Schwingungseinheit 11, die von einem das Rohrstück 3 entlang einer Längsachse 12 durchströmenden fluiden Medium 13 umströmbar ist. Da Schwingungserreger 9 wie Schwingungssensoren 8 auf dem dritten Teil III der Leiterplatte 2 angeordnet sind, der die mechanische Schwingungseinheit 11 bildet, sind also alle Komponenten der Messeinheit 10 für die Coriolis-Messung kompakt im Inneren des Rohrstücks 3 vorhanden. Somit können Schwingungen im Inneren des Rohrstücks 4 sowohl direkt angeregt als auch direkt gemessen werden. Messunsicherheiten können reduziert werden, da ein entsprechendes Signal innerhalb des Rohrstücks 3 erzeugt und über die Leiterbahnen 7 zu den äußeren elektrischen Kontakten 6 weitergeleitet wird. Da die meisten Komponenten bereits vor der Montage der Vorrichtung zur Durchflussmessung auf der Leiterplatte 2 angebracht sind, kann eine zeitaufwendige sowie fehleranfällige Montage der Vorrichtung beim Einbau in das Rohrstück 3 vermieden werden.The respective vibration sensor 8th and / or vibration exciter 9 comprises a piezoelectric element and / or a strain gauge as its core. By means of the direct piezo effect, a voltage can be measured via the piezoelectric element when a force is applied, and a force can be generated by means of the indirect piezo effect when a voltage is applied. The strain gauge detects deformations, for example stretching and / or compressing deformations, via an electrical resistance. The piezoelectric element is preferably an integral part of the circuit board 2 and is created, for example, using a deposition process. The third part III the circuit board 2 inside the pipe section 3 forms a mechanical vibration unit 11 that from one the pipe piece 3 along a longitudinal axis 12th flowing through fluid medium 13th can flow around. Because vibration exciter 9 like vibration sensors 8th on the third part III the circuit board 2 are arranged, the mechanical vibration unit 11 forms, so are all components of the measuring unit 10 for Coriolis measurement compactly inside the pipe section 3 available. This can cause vibrations inside the pipe section 4th can be both directly excited and measured directly. Measurement uncertainties can be reduced because there is a corresponding signal within the pipe section 3 generated and over the conductor tracks 7th to the external electrical contacts 6th is forwarded. Since most of the components are already installed on the circuit board before the device for flow measurement is installed 2 are attached, a time-consuming and error-prone assembly of the device during installation in the pipe section 3 be avoided.

Wie in 1 ersichtlich, erfolgt die Befestigung der Vorrichtung an bzw. in dem Rohrstück 3 über ein Befestigungsmittel 14. Das Befestigungsmittel 14 kann als Lot und/oder als Verklebung ausgebildet sein. Das Lot kann dabei beispielsweise als Glaslot oder als Metalllot ausgebildet sein. Mittels des Befestigungsmittels 14 wird gewährleistet, dass die Leiterplatte 2 fest an dem Rohrmantel 4 befestigt und der Durchbruch 5 gleichzeitig fluiddicht verschlossen wird. Eine Verklebung ist - wie gesagt - ebenfalls möglich. Auch dadurch wird die Leiterplatte 2 vollständig an dem Rohrmantel 4 des Rohrstücks 3 befestigt und der Durchbruch 5 gleichzeitig fluiddicht abgedichtet.As in 1 can be seen, the attachment of the device takes place on or in the pipe section 3 via a fastener 14th . The fastener 14th can be designed as a solder and / or as a bond. The solder can be designed, for example, as a glass solder or as a metal solder. By means of the fastening means 14th ensures that the circuit board 2 firmly to the pipe jacket 4th attached and the breakthrough 5 is closed fluid-tight at the same time. Gluing is - as I said - also possible. This also makes the circuit board 2 completely on the pipe jacket 4th of the pipe section 3 attached and the breakthrough 5 at the same time sealed fluid-tight.

2 zeigt die Sensoreinrichtung 1 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Schnittachse A-A aus 1. Die Leiterplatte 2 ist durch den Durchbruch 5 des Rohrmantels 4 in das Rohrstück 3 hindurchgeschoben, sodass sich der erste Teil I der Leiterplatte 2 außerhalb des Rohrstücks 3, der zweite Teil II im Durchbruch 5 des Rohrstücks 3 und der dritte Teil III innerhalb des Rohrstücks 3 befindet. Das fluide Medium 13 kann die Leiterplatte 2 mit dem Schwingungserreger 9 und den Schwingungssensoren 8 beidseitig umströmen. Hier im gezeigten Beispiel ist ein zentraler Schwingungserreger 9 vorgesehen, der bezogen auf die Längsachse 12 beidseitig von je einem Schwingungssensor 8 eingerahmt wird. Wie schon angesprochen, ist das piezoelektrische Element und/oder der Dehnungsmessstreifen wahlweise als Schwingungssensor 8 oder als Schwingungserreger 9 nutzbar. Mittels einer hier nicht gezeigten Ansteuerelektronik kann die Funktion des piezoelektrischen Elements und/oder des Dehnungsmessstreifens gewählt bzw. geändert werden. 2 shows the sensor device 1 in a schematic sectional view along the cutting axis AA 1 . The circuit board 2 is through the breakthrough 5 of the pipe jacket 4th into the pipe section 3 pushed through so that the first part I. the circuit board 2 outside of the pipe section 3 , the second part II in breakthrough 5 of the pipe section 3 and the third part III inside the pipe section 3 is located. The fluid medium 13th can the circuit board 2 with the vibration exciter 9 and the vibration sensors 8th Flow around both sides. Here in the example shown is a central vibration exciter 9 provided, based on the longitudinal axis 12th one vibration sensor on both sides 8th is framed. As already mentioned, the piezoelectric element and / or the strain gauge can optionally be used as a vibration sensor 8th or as a vibration exciter 9 usable. The function of the piezoelectric element and / or the strain gauge can be selected or changed by means of control electronics (not shown here).

Schwingungssensor 8 und Schwingungserreger 9 sind entlang der Längsachse 12 hintereinander angeordnet. Der Abstand zwischen dem jeweiligen Schwingungssensor 8 und dem Schwingungserreger 9 ist dabei auf die Eigenfrequenz der mechanischen Schwingungseinheit 11 abgestimmt. Dadurch können mechanische Schwingungen, insbesondere Resonanzschwingungen, angeregt werden. Das fluide Medium 8 strömt entlang der Längsachse 12. Der dritte Teil III der Leiterplatte 2, welcher die mechanische Schwingungseinheit 11 bildet, wird von dem Schwingungserreger 9 zu einer Schwingung angeregt, die quer zur Flächenausdehnung der Leiterplatte 2 und somit quer zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums 13 erfolgt.Vibration sensor 8th and vibration exciter 9 are along the longitudinal axis 12th arranged one behind the other. The distance between the respective vibration sensor 8th and the vibration exciter 9 is based on the natural frequency of the mechanical vibration unit 11 Voted. This allows mechanical vibrations, in particular resonance vibrations, to be excited. The fluid medium 8th flows along the longitudinal axis 12th . The third part III the circuit board 2 , which is the mechanical vibration unit 11 forms, is from the vibration exciter 9 excited to a vibration that is transverse to the surface area of the circuit board 2 and thus transversely to the direction of flow of the fluid medium 13th he follows.

Wird die mechanische Schwingungseinheit 11 vom Schwingungserreger 9 in Schwingung versetzt und erfolgt kein Durchfluss, so schwingt die mechanische Schwingungseinheit 11, also der dritte Teil III der Leiterplatte 2, gleichmäßig und symmetrisch hin und her. Ein- und auslaufseitig befinden sich die beiden Schwingungssensoren 8 die ohne Durchfluss die Schwingung phasengleich registrieren. Fließt jedoch das Medium 13 durch das Rohrstück 3 (Pfeil 15), wird der Schwingung eine zusätzliche „Schaukelbewegung“ aufgezwungen, die eine Phasendifferenz der Signale der beiden Schwingungssensoren 8 verursacht. Die entsprechende Phasenverschiebung ist ein direktes Maß, wieviel fluides Medium das Rohrstück aktuell durchströmt.Becomes the mechanical vibration unit 11 from the vibration exciter 9 is set in oscillation and there is no flow, the mechanical oscillation unit oscillates 11 , so the third part III the circuit board 2 , evenly and symmetrically back and forth. The two vibration sensors are located on the inlet and outlet sides 8th which register the oscillation in phase without flow. However, the medium flows 13th through the pipe section 3 (Arrow 15th ), an additional "rocking motion" is imposed on the oscillation, which creates a phase difference between the signals from the two oscillation sensors 8th caused. The corresponding phase shift is a direct measure of how much fluid medium is currently flowing through the pipe section.

Die 3 zeigt die Sensoreinrichtung 1 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Schnittachse B-B aus 1. Wie ersichtlich, ist die Leiterplatte 2 in drei Teile aufgeteilt: der erste Teil I befindet sich außerhalb des Rohrstücks 4, der zweite Teil II befindet sich im Durchbruch 5 des Rohrmantels 4 und der dritte Teil III befindet sich innerhalb des Rohrstücks 3. Über den zweiten Teil II sind Teil I und Teil III miteinander verbunden. Das fluide Medium 13 umströmt den dritten Teil III der Leiterplatte 2 beidseitig. Die Schwingungsrichtung ist senkrecht zur Strömungsrichtung des fluiden Mediums 13.the 3 shows the sensor device 1 in a schematic sectional view along the cutting axis BB 1 . As can be seen, the circuit board is 2 divided into three parts: the first part I. is located outside of the pipe section 4th , the second part II is in the breakthrough 5 of the pipe jacket 4th and the third part III is located inside the pipe section 3 . About the second part II are part I. and part III connected with each other. The fluid medium 13th flows around the third part III the circuit board 2 both sides. The direction of oscillation is perpendicular to the direction of flow of the fluid medium 13th .

Wie hier in 3 gut sichtbar, ist die Leiterplatte 2 ein einstückiges Bauelement, auf dem die wesentlichen Komponenten, wie elektrische Kontakte 6, Leiterbahnen 7, Schwingungssensoren 8 sowie Schwingungserreger 9, angeordnet sind. Sie sind dabei integraler Bestandteil der Leiterplatte 2. Dadurch ist die Vorrichtung simpel und kostengünstig herstellbar, einfach zu montieren und bietet eine kompakte Lösung eines Massendurchflussmessers, bei dem messtechnische Unsicherheiten reduziert werden. Die Leiterplatte 2 ist insbesondere keramikbasiert.Like here in 3 The circuit board is clearly visible 2 a one-piece component on which the essential components, such as electrical contacts 6th , Conductor tracks 7th , Vibration sensors 8th as well as vibration exciters 9 , are arranged. They are an integral part of the circuit board 2 . As a result, the device is simple and inexpensive to manufacture, easy to assemble and offers a compact solution for a mass flow meter in which measurement uncertainties are reduced. The circuit board 2 is especially ceramic-based.

4 zeigt eine Variation der Sensoreinrichtung 1, ebenfalls in einer Schnittansicht entlang der Schnittachse A-A aus 1. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus 2 weist die Leiterplatte 2 hier Durchbrüche 16 auf, die zwischen je einem Schwingungssensor 8 und einem Schwingungserreger 9 angeordnet sind. Die Durchbrüche 16 sind als Lochschlitze ausgebildet. Bei der Variante der 2 ist mechanische Schwingungseinheit 11, also der dritte Teil III der Leiterplatte 2 vollständig einseitig eingespannt, was für eine gewisse Steifigkeit sorgt, die für die Schwingfähigkeit eher ungünstig ist. Durch die Durchbrüche 16 wird die Schwingfähigkeit verbessert. Eine Versteifung ist zwar nicht problematisch, da nur kleinste Verformungen gemessen werden, ihr kann jedoch über das Hinzufügen von Durchbrüchen 16 entgegengewirkt werden. Die Durchbrüche 16 sind dabei vorzugsweise derart positioniert, dass der Abstand der Stege zwischen den Durchbrüchen 16 auf die Eigenfrequenz der Leiterplatte 2 abgestimmt ist. Dadurch wird die Schwingfähigkeit der mechanischen Schwingungseinheit 11 erhöht.
Nachfolgend ist die Erfindung nochmals anhand mehrerer Zeichnungen skizziert, die in schematisierter Form insbesondere die Auslenkung verschiedener mechanischer Schwingungseinheiten zeigen. 4th shows a variation of the sensor device 1 , also in a sectional view along the sectional axis AA 1 . In contrast to the exemplary embodiment 2 instructs the circuit board 2 breakthroughs here 16 on that between each vibration sensor 8th and a vibration exciter 9 are arranged. The breakthroughs 16 are designed as perforated slots. With the variant of the 2 is a mechanical vibration unit 11 , so the third part III the circuit board 2 completely clamped on one side, which ensures a certain rigidity, which is rather unfavorable for the ability to vibrate. Through the breakthroughs 16 the ability to vibrate is improved. A stiffening is not a problem, since only the smallest deformations are measured, but you can add openings 16 be counteracted. The breakthroughs 16 are preferably positioned in such a way that the spacing of the webs between the openings 16 on the natural frequency of the circuit board 2 is matched. This increases the ability of the mechanical vibration unit to vibrate 11 elevated.
In the following, the invention is outlined again with the aid of several drawings, which in particular show in schematic form the deflection of various mechanical vibration units.

Zur besseren Unterscheidung ist die Schwingungseinheit 11 ist nachfolgend als Strömungselement SE bezeichnet.
5 zeigt ein gerades Rohrstück 3 einer Rohrleitung mit einer in der Mitte des Rohrstücks liegenden Rohrachse RA. Auf der linken Seite befindet sich der Einlass EL für das einströmende fluide Medium, auf der rechten Seite der Auslass AL für das Medium.
6 zeigt sehr schematisch die Rohrschwingung eines herkömmlichen Coriolis-Massedurchflussmessers mit einem geraden Messrohr.
Die 7a, 7b zeigen nochmal schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem ein Strömungselement zumindest ein Erreger am Plattenanfang und zwei Schwingungssensoren in einer Messzone aufweisen. Alternativ können auch zwei Schwingungserreger an den jeweiligen Plattenenden angeordnet sein. Wobei die zwei Schwingungssensoren in der Messzone dazwischen angeordnet sind.The vibration unit is used for better differentiation 11 is hereinafter referred to as flow element SE.
5 shows a straight piece of pipe 3 a pipeline with a pipe axis RA located in the middle of the pipe section. On the left side is the inlet EL for the inflowing fluid medium, on the right side the outlet AL for the medium.
6th shows very schematically the tube oscillation of a conventional Coriolis mass flow meter with a straight measuring tube.
the 7a , 7b show again schematically an embodiment of the invention in which a flow element has at least one exciter at the beginning of the plate and two vibration sensors in a measuring zone. Alternatively, two vibration exciters can also be arranged at the respective plate ends. The two vibration sensors are arranged in the measuring zone in between.

Im Innenraum des geraden Rohrstücks 3 ist ein flaches Strömungselement SE angeordnet ist, das vom Medium beidseitig umströmt wird. 7a zeigt eine Schnittdarstellung des Strömungselements SE im ausgelenkten Zustand. Gestrichelt dargestellt ist die Auslenkung des Strömungselements zum Zeitpunkt T/2, wobei T die Schwingungsdauer ist. 7b zeigt eine entsprechende Aufsicht. Nur das Strömungselement SE wird ausgelenkt. Die Mittelebene ME bleibt während der Messung im Raum unbewegt. Die Mittelebene verharrt somit raumfest.
Mittels einem oder mehreren Schwingungserregern wird das Strömungselement SE in Schwingung versetzt. Die Schwingungsauslenkung des Strömungselements SE erfolgt senkrecht zur Rohrachse.
Die Verformung des Strömungselements SE wird mit Schwingungssensoren erfasst. Nicht dargestellt ist eine Steuer-/Auswerteeinheit, die dem/den Schwingungserreger(n) und mit den Schwingungssensoren verbunden ist. Diese Steuer-/Auswerteeinheit steuert den/die Schwingungserreger an und wertet die Signale der Schwingungssensoren aus. Der strömungsbedingte Einfluss auf die Verformung des Strömungselements wird in der Steuer-/Auswerteeinheit ausgewertet und entsprechend ein Messwert für den Massedurchfluss generiert. Eine Möglichkeit der Auswertung besteht darin, direkt die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der Schwingungssensoren zu ermitteln. Wenn das Medium nicht strömt ist die Phasenverschiebung Null.In the interior of the straight pipe section 3 a flat flow element SE is arranged, around which the medium flows on both sides. 7a shows a sectional view of the flow element SE in the deflected state. The deflection of the flow element at time T / 2 is shown in dashed lines, where T is the period of oscillation. 7b shows a corresponding supervision. Only the flow element SE is deflected. The center plane ME remains stationary in space during the measurement. The central plane thus remains fixed in space.
The flow element SE is made to vibrate by means of one or more vibration exciters. The oscillation deflection of the flow element SE takes place perpendicular to the pipe axis.
The deformation of the flow element SE is recorded with vibration sensors. A control / evaluation unit that is connected to the vibration exciter (s) and to the vibration sensors is not shown. This control / evaluation unit controls the vibration exciter (s) and evaluates the signals from the vibration sensors. The flow-related influence on the deformation of the flow element is evaluated in the control / evaluation unit and a measured value for the mass flow is generated accordingly. One possibility for evaluation is to directly determine the phase shift between the signals from the vibration sensors. If the medium is not flowing, the phase shift is zero.

8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.
8a zeigt ein Rohrstück 3 mit dem Strömungselement SE als Durchsicht im nicht ausgelenkten Zustand.
8b zeigt eine Aufsicht nur auf das Strömungselement SE.
Das Strömungselement SE weist einen Schwingungserreger E1 und zwei Schwingungssensoren S1, S2 auf. Schwingungserreger und Schwingungssensoren sind streifenförmig aufgebaut. Sie erstrecken sich über die gesamte Breite des Strömungselements SE. Schwingungserreger und Schwingungssensoren sind als Piezo-Elemente ausgeführt.
8c zeigt das ausgelenkte Strömungselement SE in der Strömung als Seitenansicht jeweils an den Umkehrpunkten einmal durchgezeichnet und einmal gestrichelt dargestellt.
8d zeigt das ausgelenkte Strömungselement SE in der Strömung im Längsschnitt jeweils an den Umkehrpunkten (gestrichelt) und in der Mittellage (durchgezeichnet). Die Mittelebene des Rohrstücks 3 ist mit ME bezeichnet. 8th shows a further embodiment of the invention.
8a shows a piece of pipe 3 with the flow element SE as a view in the undeflected state.
8b shows a plan view only of the flow element SE.
The flow element SE has a vibration exciter E1 and two vibration sensors S1, S2. Vibration exciters and vibration sensors are constructed in strips. They extend over the entire width of the flow element SE. Vibration exciters and vibration sensors are designed as piezo elements.
8c shows the deflected flow element SE in the flow as a side view, each drawn once at the reversal points and shown once with dashed lines.
8d shows the deflected flow element SE in the flow in a longitudinal section in each case at the reversal points (dashed lines) and in the central position (drawn through). The center plane of the pipe section 3 is denoted by ME.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11

SensoreinrichtungSensor device

22

LeiterplatteCircuit board

33

RohrstückPipe section

44th

RohrmantelPipe jacket

55

Durchbruch (Rohrmantel)Breakthrough (pipe jacket)

66th

elektrischer Kontaktelectric contact

77th

LeiterbahnenConductor tracks

88th

Schwingungssensor S1, S2Vibration sensors S1, S2

99

Schwingungserreger E1Vibration exciter E1

1010

MesseinheitMeasuring unit

1111

mechanische Schwingungseinheit SEmechanical vibration unit SE

1212th

LängsachseLongitudinal axis

1313th

fluides Mediumfluid medium

1414th

BefestigungsmittelFasteners

1515th

Pfeil (Flussrichtung Medium)Arrow (direction of flow medium)

1616

Durchbruch (Leiterplatte)Breakthrough (circuit board)

II.

erster Teil (Leiterplatte)first part (circuit board)

IIII

zweiter Teil (Leiterplatte)second part (circuit board)

IIIIII

dritter Teil (Leiterplatte) Mittelebene MEthird part (printed circuit board) center plane ME

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

• DE 102018102831 [0005]DE 102018102831 [0005]

Claims (15)

Vorrichtung zur Bestimmung des Massedurchflusses von einem strömenden fluiden Medium, wobei das Medium in einem geraden Rohrstück (3) einer Rohrleitung in Richtung der Rohrachse RA strömt wobei im Innenraum des geraden Rohrstücks (3) ein flaches Strömungselement SE angeordnet ist, das vom Medium beidseitig umströmt wird, und das mittels mindestens einem Schwingungserreger E1 in Schwingung versetzt wird, wobei die Schwingungsauslenkung des Strömungselements SE senkrecht zur Mittelebene ME des Rohrstücks (3) erfolgt, wobei die Verformung des Strömungselements SE mit Schwingungssensoren S1, S2 erfasst wird und mit einer Steuer-/Auswerteeinheit, die mit dem mindestens einen Schwingungserreger E1, und mit den Schwingungssensoren S1, S2 verbunden ist, wobei die Steuer-/Auswerteeinheit den mindestens einen Schwingungserreger E1 ansteuert und die Signale der Schwingungssensoren S1, S2 auswertet, wobei der strömungsbedingte Einfluss auf die Verformung des Strömungselements ausgewertet wird und ein Messwert für den Massedurchfluss generiert wird.Device for determining the mass flow rate of a flowing fluid medium, wherein the medium flows in a straight pipe section (3) of a pipeline in the direction of the pipe axis RA wherein a flat flow element SE is arranged in the interior of the straight pipe section (3), around which the medium flows on both sides, and which is set in vibration by means of at least one vibration exciter E1, the oscillation deflection of the flow element SE taking place perpendicular to the center plane ME of the pipe section (3), wherein the deformation of the flow element SE is detected with vibration sensors S1, S2 and with a control / evaluation unit which is connected to the at least one vibration exciter E1 and to the vibration sensors S1, S2, The control / evaluation unit controls the at least one vibration exciter E1 and evaluates the signals from the vibration sensors S1, S2, evaluating the flow-related influence on the deformation of the flow element and generating a measured value for the mass flow. Vorrichtung zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums (13) durch ein Rohrstück (3) einer Rohrleitung, mit - einer Messeinheit (10) für eine Massendurchflussmessung, welche eine im Innenraum des Rohrstücks (3) angeordnete vom fluiden Medium (13) umströmbare mechanische Schwingungseinheit (11) aufweist, und die mindestens einen Schwingungssensor (8) und mindestens einen Schwingungserreger (9) umfasst, und - elektrischen Kontakten (6) zur äußeren Kontaktierung des mindestens einen Schwingungserregers (9) und/oder des mindestens einen Schwingungssensors (8) die außerhalb des Rohrstücks angeordnet sind, wobei eine Leiterplatte (2), deren Fläche sich in einen ersten Teil (I), einen zweiten Teil (II) und einen dritten Teil (III) aufteilen lässt, wobei auf dem ersten Teil (I) die elektrischen Kontakte (6) angeordnet sind, der dritte Teil (III) die Messeinheit (10) oder zumindest deren Schwingungseinheit (11) bildet und der zweite Teil (II) einen Verbindungsteil zwischen dem ersten Teil (I) und dem dritten Teil (III) bildet.Device for determining the flow of a fluid medium (13) through a pipe section (3) of a pipeline, with - A measuring unit (10) for a mass flow measurement, which has a mechanical vibration unit (11) arranged in the interior of the pipe section (3) around which the fluid medium (13) can flow, and which comprises at least one vibration sensor (8) and at least one vibration exciter (9) , and - electrical contacts (6) for external contacting of the at least one vibration exciter (9) and / or the at least one vibration sensor (8) which are arranged outside the pipe section, wherein a circuit board (2), the surface of which is divided into a first part (I) , a second part (II) and a third part (III) can be divided, the electrical contacts (6) being arranged on the first part (I), the third part (III) the measuring unit (10) or at least its vibration unit ( 11) and the second part (II) forms a connecting part between the first part (I) and the third part (III). Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) Leiterbahnen (7) umfasst, die sich von dem ersten Teil (I) über den zweiten Teil (II) bis zum dritten Teil (III) der Leiterplatte (2) erstrecken.Device according to Claim 2 , characterized in that the circuit board (2) comprises conductor tracks (7) which extend from the first part (I) via the second part (II) to the third part (III) of the circuit board (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor (8) und/oder der Schwingungserreger (9) ein piezoelektrisches Element und/oder einen Dehnungsmessstreifen umfasst.Device according to one of the Claims 2 - 3 , characterized in that the vibration sensor (8) and / or the vibration exciter (9) comprises a piezoelectric element and / or a strain gauge. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element und/oder der Dehnungsmessstreifen wahlweise als Schwingungssensor (8) oder Schwingungserreger (9) nutzbar ist.Device according to Claim 4 , characterized in that the piezoelectric element and / or the strain gauge can optionally be used as a vibration sensor (8) or a vibration exciter (9). Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungssensor (8) und/oder der mindestens eine Schwingungserreger (9) integraler Bestandteil der Leiterplatte (2) ist.Device according to one of the previous ones Claims 2 - 5 , characterized in that the at least one vibration sensor (8) and / or the at least one vibration exciter (9) is an integral part of the circuit board (2). Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis der Leiterplatte (2) eine Keramikplatte ist.Device according to one of the previous ones Claims 2 - 6th , characterized in that the base of the circuit board (2) is a ceramic plate. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis der Leiterplatte (2) als Mehrlagensystem ausgebildet ist.Device according to one of the previous ones Claims 2 - 7th , characterized in that the base of the circuit board (2) is designed as a multilayer system. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Teil (III) der Leiterplatte (2) mindestens ein Durchbruch (16) ausgebildet ist, der die vom dritten Teil (III) gebildete mechanische Schwingungseinheit (11) in Schwingungsabschnitte unterteilt.Device according to one of the previous ones Claims 2 - 8th , characterized in that at least one opening (16) is formed in the third part (III) of the circuit board (2) which divides the mechanical vibration unit (11) formed by the third part (III) into vibration sections. Sensoreinrichtung (1) zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums (13) durch eine Rohrleitung, mit einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 2-9 und einem in die Rohrleitung einbaubaren Rohrstück (3), in dessen Rohrmantel (4) ein Durchbruch (5) ausgebildet ist, den die Leiterplatte (2) derart durchtaucht, dass der erste Teil (I) der Leiterplatte (2) außerhalb des Rohrstücks (3) angeordnet ist und der dritte Teil (III) der Leiterplatte (2) innerhalb des Rohrstücks (3) angeordnet ist.Sensor device (1) for determining the flow of a fluid medium (13) through a pipeline, with a device according to one of the preceding Claims 2 - 9 and a pipe section (3) which can be installed in the pipeline and in the pipe jacket (4) of which an opening (5) is formed, through which the circuit board (2) penetrates in such a way that the first part (I) of the circuit board (2) is outside the pipe section ( 3) is arranged and the third part (III) of the circuit board (2) is arranged within the pipe section (3). Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schwingungssensor (8) und der mindestens eine Schwingungserreger (9) entlang der Längsachse (12) des Rohrstücks (3) angeordnet sind und einen auf die Eigenfrequenz der mechanischen Schwingungseinheit (11) abgestimmten Abstand zueinander aufweisen.Sensor device according to Claim 10 , characterized in that the at least one vibration sensor (8) and the at least one vibration exciter (9) are arranged along the longitudinal axis (12) of the pipe section (3) and have a spacing from one another that is matched to the natural frequency of the mechanical vibration unit (11). Sensoreinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) längs der Längsachse (12) des Rohrstücks (3) ausgerichtet ist und dass der mindestens eine Schwingungserreger (9) eingerichtet ist, den dritten Teil (III) der Leiterplatte (2) quer zu deren Flächenausdehnung zum Schwingen anzuregen.Sensor device according to Claim 10 or 11 , characterized in that the circuit board (2) is aligned along the longitudinal axis (12) of the pipe section (3) and that the at least one vibration exciter (9) is set up, the third part (III) of the circuit board (2) transversely to its surface area to stimulate swinging. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (2) mittels eines Befestigungsmittels (14) an dem Rohrmantel (4) des Rohrstücks (3) befestigt ist und den Durchbruch (5) fluiddicht verschließt.Sensor device according to one of the Claims 10 until 12th , characterized in that the The printed circuit board (2) is fastened to the pipe jacket (4) of the pipe section (3) by means of a fastening means (14) and closes the opening (5) in a fluid-tight manner. Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung (1) zur Bestimmung des Durchflusses eines fluiden Mediums (13) durch eine Rohrleitung, insbesondere zum Herstellen einer Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer eine Leiterplatte (2) aufweisenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und eines Rohrstücks (3), in dessen Rohrmantel (4) ein Durchbruch (5) ausgebildet ist, - Einschieben der Leiterplatte (2) in den Durchbruch (5) bis der dritte Teil (III) der Leiterplatte (2) innerhalb des Rohrstücks (3) liegt und - Befestigen der Leiterplatte (2) an dem Rohrmantel (4) des Rohrstücks (3) mittels eines Befestigungsmittels (14), wobei das Befestigungsmittel (14) den Durchbruch (5) fluiddicht verschließt.Method for producing a sensor device (1) for determining the flow of a fluid medium (13) through a pipeline, in particular for producing a sensor device (1) according to one of the Claims 9 until 12th , characterized by the following steps: - providing a circuit board (2) having device according to one of the Claims 1 until 7th and a pipe section (3), in the pipe jacket (4) of which an opening (5) is formed, - inserting the circuit board (2) into the opening (5) until the third part (III) of the circuit board (2) is within the pipe section ( 3) and - fastening the printed circuit board (2) to the pipe jacket (4) of the pipe section (3) by means of a fastening means (14), the fastening means (14) closing the opening (5) in a fluid-tight manner. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelebene ME des Rohrstücks (3) bei der Bestimmung des Durchflusses raumfest verharrt.Device according to Claim 1 , characterized in that the center plane ME of the pipe section (3) remains fixed in space when determining the flow.

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