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    帶有金屬封裝的傳感器裝置的熱式質量流量計

    作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
    技術領域
    本發明涉及一種具有金屬封裝的傳感器裝置的熱式質量流量計,所述傳感器裝置包括至少一個加熱電阻和至少一個溫度測量電阻,其中所述至少一個加熱電阻具有扁平的片狀幾何形狀并由傳感器罩包圍。
     
    背景技術
    本發明的應用領域優選延伸到工藝技術上的設備,在所述設備的管道中,通常為了控制技術方面的目的,要測量流動通過所述管道的流體的質量流量。為此,采用分別基于不同的物理原理的質量流量計,例如科氏質量流量計、磁感應質量流量計或熱式質量流量計。本發明涉及zui后所述的熱式質量流量計,這種質量流量計優選用于確定管道中的氣體流量。
    根據作為熱式質量流量計基礎的測量原理,通常向介質流中引入兩個溫度傳感器并用介質流對其進行加載,以便向介質流中進行熱傳遞并測量介質流的溫度。作為溫度傳感器這里優選使用電阻溫度計。由加熱功率和被加熱的電阻溫度計的溫度可以根據公知的數學關系計算出流量。
    一種熱式質量流量計。這種質量流量計具有受脈沖作用的電加熱元件和與流動的流體在熱上作用連接的溫度傳感器,所述溫度傳感器的電阻是溫度相關的。這里傳感器元件能通過加熱元件加熱。為了確定流量而設有電子裝置,所述電子裝置確定在傳感器元件中發生的加熱和冷卻過程的時間曲線熱元件和傳感器元件這里安置在一共同的殼體中。由于用于殼體的材料以及殼體內部可能的填充材料的選擇,也由于殼體的幾何構型,都會對傳感器元件和流動經過的介質之間的熱的作用連接產生影響。在所述現有技術中,殼體在傳感器元件的區域內具有收縮部,用于提高熱的作用連接。原理上通過盡可能高的熱作用連接,即通過加熱元件向流體介質中zui大的熱傳遞,以及由于向傳感器接頭或傳感器支座極低的熱量散失,可以實現zui佳的測量效果和高的測量精度。
    因此,為了實現傳感器裝置的短的響應時間,要求將傳感器裝置和其包裝環境的熱質量保持盡可能小。另一方面,數量眾多的工業應用,例如在食品領域、制藥領域,要求優選通過優質合金鋼對傳感器裝置進行金屬封裝。除了衛生方面,這種金屬封裝的傳感器裝置具有相對于腐蝕性的介質明顯更高的耐抗性的優點,并且由此也可以在惡劣的環境中使用。但這樣的設備需要對傳感器裝置進行復雜的包裝,因為這種包裝必須在大的溫度范圍上是穩定的并且多數情況下要使用數量眾多的不同的具有不同熱膨脹系數的材料。
    一種用于熱式質量流量計的金屬封裝的傳感器裝置,這種傳感器裝置的金屬罩具有圓柱形的構型并通過將一空心圓柱體與一圓形蓋相互焊接形成。這種傳感器裝置的重要的質量參數是周長與橫截面的比例。在內部采用電阻絲作為傳感器,所述電阻絲繞同樣圓柱形的載體纏繞,所述載體又由圓柱形的金屬罩包圍。為了實現從傳感器裝置到流動的介質中的較小的加熱電阻,這里,圓柱形的金屬罩發生塑性變形。采用限位套簡附加地有助于實現對圓柱形的載體的提高的熱隔離。
    一種金屬封裝的傳感器裝置,其中,熱式測量元件安裝在一矩形的陶瓷載體上。所述陶瓷載體又由圓柱形的金屬罩包圍并通過焊錫固定在其中。但這里測量元件的電接觸部位沒有被焊錫覆蓋。為此,陶瓷載體在安裝在該陶瓷載體上的測量元件的部位通過耐高溫的玻璃層覆蓋。在陶瓷載體的與測量元件相對置的表面上施加有錫金屬化層。所有這些相當復雜的措施用于實現盡可能小的從傳感器裝置到流體介質中的熱阻以及用于同時實現載體內部高的熱隔離。
    一種用于抑制加熱電阻和其載體之間的熱流的措施。為此采用了主動的第二加熱元件,所述第二加熱元件定位在加熱電阻和載體之間。但這種主動的熱流抑制需要相應較高的構件技術上的耗費。
     
    發明內容
    因此本發明的目的是,實現一種帶有穩定地金屬封裝的傳感器裝置的熱式質量流量計,所述傳感器裝置通過簡單的技術措施確保了具有極高精度的zui佳的測量效果。
    所述目的基于根據權利要求1的前序部分的熱式質量流量計結合權利要求1特征部分的特征來實現。后面的各從屬權利要求給出了本發明有利的擴展方案。
    本發明包括這樣的技術教導,即與加熱電阻的片狀幾何形狀相對應地將傳感器罩的至少一個遠端的端部區域構造成具有一這樣的矩形橫截面,即,使得該端部區域配合精確地緊密包圍所述加熱電阻。
    根據本發明的解決方案的優點特別在于,僅通過這種特殊的幾何關系就明顯改善了從傳感器裝置到流動的介質中的熱傳遞,同時僅發生極小的向傳感器接頭中的熱量散失,因為傳感器罩相應配合精確地優選只包圍加熱電阻的遠端的端部區域。通過根據本發明的解決方案使傳感器裝置和其包裝的熱質量zui小化。
    優選對于傳感器裝置可以采用薄膜電阻,所述薄膜電阻設置在同樣薄的基體上,所述基體具有片狀幾何形狀,以便實現加熱面與觸點接頭在位置上的分離。由于通過根據本發明的解決方案使傳感器裝置和其高耐抗性的傳感器罩的熱質量zui小化,可以實現有利地短的響應時間。相對于傳統的圓柱形的殼體幾何形狀,通過根據本發明的矩形的輪廓代表周長與橫截面比值的質量指標加倍。特別是矩形輪廓大的冷卻面與其體積相比實現了期望的短的響應時間以及在靈敏度方面zui佳的測量效果。試驗證明,根據本發明的傳感器裝置的響應時間與傳統的解決方案相比從1-3s降低到約0.6s。由于傳感器罩的矩形橫截面,殼體的表面的大部分構造成相同的結構,從而這里也可以形成均勻的流動結構。此外,流體從后棱邊區域的表面上的分離發生了推移。由于本發明的特殊的形狀該表面較小并且因此對于總的熱傳遞只有很小的影響。因此在這個區域內的不穩定只對測量特性產生微小的影響。
    由于這個原因,根據本發明構成的傳感器裝置可以以簡單的解析公式只用很少的要校正的參數來描述。因此,為了校正只需要少數幾個測量點,這同樣對于測量精度起有利的作用。
    根據傳感器罩的一個優選的實施形式,傳感器罩的扁平長方體狀的遠端的端部區域由0.1至0.3mm厚的金屬板制成,所述金屬板在保持zui大0.1mm的間隙的情況下包圍加熱電阻。在金屬板的這個厚度范圍內,對于大多數應用場合,傳感器罩對位于內部的傳感器裝置充分地滿足了保護功能,并且所述傳感器裝置由于到傳感器罩非常窄的間隙獲得向流動的介質中高的熱傳遞??傮w上實現了引起前面給出的短的響應時間的配合精度。
    在根據本發明的傳感器裝置的范圍內所采用的加熱電阻優選包括扁平長方體形的帶有設置在其上的薄膜電阻的基底片。這種薄膜電阻或薄層電阻可以特別節省空間地安置在傳感器罩的矩形橫截面內部。
    根據一個改進本發明的措施建議,傳感器罩的扁平長方體狀的遠端的端部區域的棱邊構造成特別鋒利的/尖棱的,優選具有zui大為傳感器罩的寬度b的1/3的半徑或倒角。為了實現高效的熱傳遞,由此特別避免了傳感器罩的圓形的迎流面。通過傳感器罩在遠端的端部區域內的特別鋒利的構型在所述棱邊上基本上與相應的環境參數無關地形成流轉變并且不會因此改變其在表面上的位置。由此可以實現比傳統的傳感器罩明顯更穩定的流動狀態,這附加地簡化了校正并提高了質量流量測量的精度。
    根據另一個改進本發明的措施建議,傳感器罩的扁平長方體狀的、優選鋒利的遠端的端部區域沿軸向方向延長到一相對于該端部區域擴展的連接區域,以便在其中設置加熱電阻的電連接元件。
    電纜優選通過釬焊連接而固定在加熱電阻的端部上。由此根據本發明的傳感器罩的形狀嚴格地遵照傳感器裝置的功能設計。遠端的端部區域設計成用于實現精確的測量結果,而傳感器罩的其余區域的形狀設計成為設置電連接元件提供足夠的空間。為此所述擴展的連接區域特別是可以構造成圓柱形的。
    由薄的金屬板構成的傳感器罩可以通過彎曲或密封焊接金屬板、通過深拉或通過成形來制造。
    傳感器罩的擴展的端部區域優選設有氣體填充物。所述氣體填充物用于傳感器裝置相對于承載傳感器罩的保持桿的熱隔離。通過所述氣體實現了將導熱性降低約一個數量級。這里這樣構成的氣體填充的空腔應構造成盡可能長的結構,以便實現高的隔離作用。氣體填充的擴展的端部區域因此特別是具有比橫向延伸長度大的縱向延伸長度并優選通過一在端側焊接在傳感器罩上的附加的圓柱形套筒構成,所述套筒又在末端側固定在承載桿上。通過傳感器裝置這種形式的熱隔離降低了由于到保持桿中的散熱而引起的測量誤差,所述散熱通常不是恒定的并且因此也不通過校正傳感器裝置來補償。由于向保持桿中的散熱與流動介質的溫度和環境溫度相關,在波動的情況下可能導致明顯的測量誤差,這種測量誤差通過熱隔離來防止。這里熱隔離能通過套筒長度以及其壁部厚度的改變來調整。這樣通過使套簡長度并由此使空腔的長度加倍而實現使熱損失降低4至6倍。
    傳感器裝置的一個絕對重要的測量參數是從傳感器罩的表面到流動的介質中的熱傳遞。在已知加熱功率、傳感器表面溫度和介質溫度的情況下,能夠根據公知的數學關系確定所述熱傳遞并zui終確定通流速度。加熱功率和介質溫度可以在測量技術上簡單地確定,而傳感器罩的表面溫度則必須由傳感器裝置內部的加熱電阻的溫度得出,其中,假設從加熱電阻到傳感器表面的熱阻是恒定的。所述熱阻的變化導致與熱阻的變化成比例的測量誤差。己知的具有復雜的傳感器裝置包裝的熱式質量流量計的這個問題通過本發明在原理上這樣來解決,即通過使所述包裝的熱阻zui小化來降低可能的測量誤差。優選除了配合精確的、薄壁的傳感器罩之外,還應給在傳感器罩和加熱電阻之間的狹窄的間隙填充高導熱性的固態的、液態的或糊狀的填充材料。除了將加熱電阻和傳感器罩之間的間隙保持較小的措施,通過高導熱性的填充材料中的這樣的嵌入,可以實現附加地降低用于傳感器裝置的包裝的熱阻。除了這樣降低和穩定化熱阻以外,填充材料還確保在加熱電阻和傳感器罩之間的穩定的機械連接。
     
    附圖說明
    下面與對本發明的優選實施例的說明一起根據附圖詳細示出其他改進本發明的措施。其中:
    圖1示出具有金屬封裝的傳感器裝置的熱式質量流量計的示意圖,
    圖2示出用于傳感器裝置的傳感器罩的透視圖,
    圖3示出根據圖2的傳感器罩的縱向剖視圖,以及圖4示出附加地用圓柱形套筒延長的傳感器罩的縱向剖視圖。
     
    具體實施方式
    根據圖1在由流動的介質1流動通過的管道2中設置金屬封裝的傳感器裝置的由所述介質繞流的傳感器罩3,所述傳感器裝置用于一熱式質量流量計。所述金屬封裝的傳感器裝置與一用于產生測量值和分析測量值的電子的分析處理單元4電連接。
    根據圖2,傳感器罩3具有遠端的端部區域5,該端部區域具有扁平長方體形的橫截面,所述端部區域在一擴展的連接區域6延續,所述連接區域為圓柱形的。所述一體制成的傳感器罩3由0.2mm厚的金屬板構成,以便保護位于內部的傳感器裝置不受繞流傳感器罩3的介質2影響。
    根據圖3,傳感器罩3包含一具有片狀幾何形狀的加熱電阻7。傳感器罩3的所述遠端的端部區域5構造成具有這樣的矩形橫截面,使得所述遠端的端部區域配合精確地緊密地包圍加熱電阻7。在加熱電阻7和傳感器罩3之間只形成小于0.1mm的狹窄的間隙8。加熱電阻7由扁平長方體狀的基體片組成,所述基體小片具有設置在該基體小片上的薄膜電阻9。為了電連接所述薄膜電阻9,傳感器罩3具有一相對于所述遠端的端部區域5擴展的連接區域6,在所述連接區域中,薄膜電阻9的端部釬焊在連接電纜11上。
    根據在圖4中示出的實施形式,傳感器罩3的圓柱形的連接區域6在端側以一焊接在其上的圓柱形的套筒10延長。圓柱形的套筒10用氣體填充,所述氣體用于加熱電阻7相對于保持桿12的熱隔離。傳感器罩3的扁平長方體形的遠端的端部區域5與加熱電阻7之間的間隙8用高導熱性的糊狀的填充材料13填充,所述填充材料同時也用于相對于傳感器罩3固定加熱電阻7。
    附圖標記列表
    1流動的介質
    2管道
    3傳感器罩
    4分析處理單元
    5遠端的端部區域
    6擴展的連接區域
    7加熱電阻
    8間隙
    9薄膜電阻
    10圓柱形的套筒
    11連接電纜
    12保持桿
    13填充材料
    b傳感器罩的寬度
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