温度传感器和热式流量测量装置.pdf

本发明涉及一种温度传感器，包括外壳(1)，所述外壳具有外壳体和外壳腔室，在该外壳腔室中在每个端部布置两个温度传感器元件，特别是所述两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计(4、5)，其中所述温度传感器元件之一可被加热，其中，从每个温度传感器元件引出至少一个与印刷电路板(25)连接的连接线(23)，其中所述印刷电路板(25)被布置在所述外壳腔室(1)内，其中所述电路板(25)通过锁定连接(28)定位在所述外壳腔室内，其中沿第一方向穿过所述印刷电路板(25)应变消除地引导第一温度传感器元件的连接线(23a)，并且使所述连接线与所述印刷电路板连接，其中所述外壳腔室至少容纳用于引导所述印刷连接线(23)的第一弹性主体，和/或其中在所述外壳腔室中布置所述印刷电路板(25)，其中所述印刷电路板(25)具有第一数目的开口，特别是孔，以连接连接线和/或电缆，以及第二数目的开口，特别是孔，以降低所述电路板的热膨胀。并且，本发明还涉及一种热式流量测量装置。

权利要求书
1.  一种温度传感器，包括外壳(1)，所述外壳具有外壳体和外 壳腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器元件，特别是所 述两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计(4、5)，其中所述 温度传感器元件之一可加热，其中，从每个温度传感器元件引出至少 一个与电路板(25)连接的连接线(23)，
其特征在于，
所述电路板(25)被布置在所述外壳腔室(1)内，
其中所述电路板(25)通过卡入连接(28)定位在所述外壳腔室 内。

2.  根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，所述外壳腔 室具有加强层(31)，所述加强层具有或形成用于所述电路板(25) 的卡入的凹进或突起。

3.  根据权利要求1或2任一项所述的温度传感器，其特征在于， 所述外壳的位于端部的部分被实施成深冲帽，其壁厚度小于2mm，优 选小于1.5mm，特别是小于0.8mm。

4.  根据权利要求1或2任一项所述的温度传感器，
其特征在于，通过材料结合将所述加强层安装至所述外壳体。

5.  一种温度传感器，特别是根据上述权利要求之一所述的温度传 感器，特别是热式流量测量装置的传感器，包括外壳(1)，所述外壳 具有外壳体和外壳腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器 元件，特别是所述两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计(4、 5)，其中所述温度传感器元件之一可加热，其中从每个温度传感器元 件引出至少一个与电路板(25)连接的连接线(23)，
其特征在于，
沿第一方向穿过所述电路板(25)应变消除地引导第一温度传感 器元件的连接线(23a)，并且使该连接线与所述电路板连接。

6.  根据权利要求5所述的温度传感器，其特征在于，沿与所述第 一方向相反的第二方向穿过所述电路板(25)应变消除地引导第二温 度传感器元件的连接线(23b)，并且使该连接线与所述电路板连接。

7.  根据权利要求5所述的温度传感器，
其特征在于，
在所述电路板(25)的区域中用灌封化合物围绕所述第一温度传 感器元件(23)的连接线。

8.  一种温度传感器，特别是根据上述权利要求之一所述的温度传 感器，特别是热流量测量装置的传感器，包括外壳(1)，所述外壳具 有外壳体和外壳腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器元 件，特别是所述两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计(4、5)， 其中所述温度传感器元件之一可加热，其中从每个温度传感器元件引 出至少一个与电路板(25)连接的连接线(23)，
其特征在于，
所述外壳腔室至少容纳用于引导所述连接线(23)的第一弹性主 体。

9.  根据权利要求7所述的温度传感器，
其特征在于，
在所述外壳腔室内布置第二弹性主体，该第二弹性主体被支撑在 所述第一弹性主体(21)上和/或所述外壳(1)的壁部上，并且在所卡 入的电路板(25)上施加回弹力。

10.  根据权利要求7或8所述的温度传感器，
其特征在于，
所述第一弹性主体被设置用于在张力负荷的情况下降低所述连接 线(23)上的热和机械应变。

11.  根据上述权利要求任一项所述的温度传感器，
其特征在于，
所述外壳腔室包括灌封化合物，其中所述温度传感器元件在所述 外壳腔室内被布置成无灌封化合物。

12.  根据上述权利要求任一项所述的温度传感器，
其特征在于，
所述第一弹性主体和第二弹性主体是硅主体(21和22)。

13.  一种温度传感器，特别是根据上述权利要求之一所述的温度 传感器，特别是热流量测量装置的传感器，包括外壳(1)，所述外壳 具有外壳体和外壳腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器 元件，特别是所述两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计(4、 5)，其中所述温度传感器元件之一可加热，其中从每个温度传感器元 件引出至少一个与电路板(25)连接的连接线(23)，
其特征在于，
所述电路板(25)布置在所述外壳腔室中，
其中所述电路板(25)具有：第一数目的空洞，特别是孔，用于 连接连接线和/或电缆，和第二数目的空洞，特别是孔，用于降低所述 电路板的热膨胀。

14.  根据权利要求13所述的温度传感器，其特征在于，在布置于 所述电路板上的导电迹线中布置所述空洞，特别是孔。

15.  根据上述权利要求任一项所述的温度传感器，
其特征在于，所述温度传感器被实施成四个导体测量装置。

16.  一种热式流量测量装置，包括根据上述权利要求任一项所述 的至少一个温度传感器，以及评价单元。

说明书温度传感器和热式流量测量装置
技术领域
本发明涉及一种在权利要求1、5、8和13的前序部分中限定的温 度传感器，以及一种热式流量测量装置。
背景技术
已知根据热测量原理工作的用于流量测量装置的传感器。这种测 量原理基于热电阻温度计的冷却，下文中也称为热式或主动式传感器 元件，通过流过被测介质，从这种元件提取热。通过增大电加热电流 再次供应所提取的热。通过这种方式，在加热和测量传感器元件即主 动式传感器元件与基准温度传感器之间保持恒定的温差，下文也将基 准温度传感器称为测量或被动式传感器元件。为了保持这种温差，质 量流量越大，能量需求就越大。因此，测量加热电流与质量流量成比 例。在由原材料或起始材料制成产品的过程中，通过施加化学、物理 或生物程序而良好建立了热测量原理，并且在许多应用领域中成功应 用。特别是在水和其它液体诸如油中需要应用该测量原理，因为在该 情况下，与气体相比，热传递和所需加热功率显著更大。因此，在速 度>2.5m/s的情况下，可经历特性曲线的扁平化并且敏感性较低。此外， 在传感器元件彼此间隔较小时，在给定情况下，例如在低速度<0.2m/s 情况下，能够经历加热传感器元件与温度测量传感器元件的串扰。
已知由两个传感器元件组成的传感器，即加热元件和测量元件， 它们每个都具有圆柱形传感器盖，并且从传感器的底座表面突出。在 传感器盖的端面中焊接有电阻传感器。由于圆柱形传感器盖，传感器 元件具有良好的热绝缘性。然而，这些传感器在水中展现比上述传感 器更差的特性。因而，在更大流量的情况下，特性曲线比较快速地达 到可提供最大功率的饱和。一旦达到这种功率限制，即使速度更大， 也不能够将热传递给流体。由于该特性曲线代表了其中能够发生测量 的介质的流速的测量范围，所以在流动太快的情况下，不再可能快速 达到饱和装置测量。
在此，使用传感器外壳中用于RTD的连接概念，包括将RTD安 装在套管中。它们的连接线引出套管。
发明内容
本发明的目的在于使得能够较容易安装温度传感器，并且提供一 种相应的流量测量装置。
通过具有权利要求1、5、8或13的特征的温度传感器实现该目的。
根据本发明，一种温度传感器包括外壳，外壳具有外壳体和外壳 腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器元件，特别是所述 两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计，其中所述温度传感器 元件之一可加热，其中，从每个温度传感器元件引出至少一个与电路 板连接的连接线，其中电路板被布置在外壳腔室内，其中电路板通过 卡入连接定位在外壳腔室内。
通过卡入连接将电路板定位在外壳腔室内便于装配。
本发明的有利实施例是附加权利要求的主题。
有益地，当外壳腔室具有加强层，该加强层具有或形成用于电路 板的卡入的凹进装置，因而是凹进或突起。当位于外壳端部的部分实 施为深冲帽(deep draw cap)，其壁厚度小于2mm，优选小于1.5mm， 特别是小于0.8mm时特别有利。
为了使得能够将加强层最后连接至外壳体，能够使用组件之间的 材料结合，例如通过焊接或钎焊。
此外，根据本发明，一种温度传感器包括外壳，外壳具有外壳体 和外壳腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器元件，特别 是所述两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计，其中所述温度 传感器元件之一可加热，其中，从每个温度传感器元件引出至少一个 与电路板连接的连接线，其中沿第一方向穿过电路板应变消除地引导 第一温度传感器元件的连接线，并且使该连接线与电路板连接。
应变消除连接或者连接线与电路板的固定防止了连接线分离。
本发明的有利实施例是附加权利要求的主题。
通过下列方式实现特别有利的双侧应变消除，即沿与第一方向相 反的第二方向穿过电路板应变消除地引导第二温度传感器元件的至少 一个连接线，并且使该连接线与电路板连接。
有利地，在电路板的区域中以灌封化合物围绕连接线。
根据本发明，一种温度传感器包括外壳，外壳具有外壳体和外壳 腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器元件，特别是所述 两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计，其中所述温度传感器 元件之一可加热，其中，从每个温度传感器元件引出至少一个与电路 板连接的连接线，其中外壳腔室至少容纳用于引导连接线的第一弹性 主体。
例如能够实施为圆盘的弹性主体提供测量信号对振动影响的较不 敏感性。
本发明的有利实施例是附加权利要求的主题。
因而，当外壳，特别是外壳腔室具有被支撑在第一弹性主体上和/ 或外壳的壁部上的第二弹性主体时有利。在该情况下，外壳腔室包括 灌封化合物，其中有利地温度传感器元件被布置成在外壳腔室内无灌 封化合物。
特别地，第一和第二弹性主体能够为硅主体。硅具有良好的耐热 性以及良好的化学耐久性。
在实施成四个导体测量装置的温度传感器的情况下，也能够通过 实现弹性主体，特别是在它们的实施例为硅主体的情况下，实现良好 的密封状态。
根据本发明，一种温度传感器包括外壳，外壳具有外壳体和外壳 腔室，在该外壳腔室中在端部布置两个温度传感器元件，特别是所述 两个温度传感器元件被实施成薄膜电阻温度计，其中所述温度传感器 元件之一可加热，其中，从每个温度传感器元件引出至少一个与电路 板连接的连接线，其中电路板具有第一数目的空洞，特别是孔，以连 接连接线和/或电缆，和第二数目的空洞，特别是孔，以降低电路板的 热膨胀。
降低热膨胀能够防止对电路板的损伤。
在该情况下，能够在被布置在电路板上的导电迹线中布置第二数 目的空洞，特别是孔。
根据本发明，一种流量测量装置包括根据上述权利要求任一项所 述的至少一个温度传感器，以及评价单元。
附图说明
现在将基于附图，更详细地描述本发明的实施例实例，其中：
图1是热式流量装置的传感器的外壳的截面图；和
图2是本发明的传感器的截面图。
具体实施方式
图1示出热式流量测量装置的传感器，其中传感器实施成热式质 量流量传感器1。
传统上，热式流量测量装置通常使用两个可加热电阻温度计，两 者实施成尽可能相同，并且最通常被布置在销状的金属套管中，即布 置在所谓的测针中，或者布置在圆柱形金属套管中，与流经测量管或 流经管道的介质热接触。对于工业应用，通常将两个电阻温度计安装 在测量管中；然而，电阻温度计也能够被直接安装在管道内。两个电 阻温度计其中之一是所谓的主动式传感器元件，其被加热单元加热。 设置的加热单元或者是另外的电阻加热器，或者是在电阻温度计为电 阻元件，例如RTD(电阻温度装置)传感器的情况下，其由电功率转 换，例如通过测量电流的相应变化加热。第二电阻温度计为所谓的被 动式传感器元件，用于测量介质的温度。
通常，在热式流量测量装置中，加热可加热电阻温度计，使得在 两个电阻温度计之间保持固定的温差。作为替换，也已知通过控制单 元供应恒定的加热功率。
如果在测量管中不存在流量，为了保持预定温差就要求随温度恒 定的热量。相反，如果被测介质在流动，加热电阻温度计的冷却本质 上取决于流过的介质的质量流量。由于介质比加热电阻温度计更冷， 所以流动的介质从加热的电阻温度计带走热。因而，为了在流动介质 的情况下保持两个电阻温度计之间的固定温差，加热电阻温度计要求 更多加热功率。更多加热功率是质量流量的度量，或者是流经管道的 介质的质量流量的量度。
相反，如果提供恒定的加热功率，由于介质的流动，两个电阻温 度计之间的温差就降低。然后，具体温差为流经管道的或者是流经测 量管的质量流量的量度。
因而，在加热该电阻温度计所需的能量和流经管道或者是流经测 量管的质量流量之间存在函数关系。在热式流量测量装置中，利用热 传递系数与流经测量管或者是管道的介质的质量流量的相关性来确定 质量流量。申请人以商标't switch'、't trend'、't mass'或制造和销售根据 该原理运行的装置。
在确定质量流量时，在测量液体的情况下，热式流量测量装置能 够达到最高功率限制。由于与气体相比，液体的导热系数实际更高， 因此以更高速度从主动式温度传感器的表面运出更多热能。在介质的 速度更高的情况下，快速地实现饱和，或者是电阻温度计的上限功率， 使得液体的测量范围受限于小流速。通过诸如图1-2中所示的热式流量 测量装置的传感器消除这种缺点。
图1示出用于热式流量测量装置的传感器1。传感器1包括传感 器主体2，其具有圆柱形状、纵轴A和包括中点M的终端面3，纵轴A 穿过中点M延伸。这种圆柱形传感器主体具有优选在10-30mm之间， 特别优选在15-22mm之间的直径d，并且还包括内部外壳腔室。端面3 被分为若干部段3a-3c。这些部段有第一侧部段3a、中间部段3b和第 二侧部段3c，彼此相邻地布置。
在该情况下，图1的截面图中的至少第一侧部段实施成相对于纵 轴A倾斜的表面。倾斜表面的表面法向量与纵轴形成优选至少5°，优 选至少8°，特别优选在10-35°之间的角α。在该情况下，该表面特别 能够实施成扁平的，具有表面粗糙度导致的不规律性，或者是朝向测 量介质或背向测量介质的弧形。
优选地，第一侧部段3a为侧部段，其表面在传感器1侧面上流动 方向上倾斜，因而与流动方向S相反。
布置在第一侧部段3a之后的是第一温度传感器元件，其在该情况 下实施成电阻温度计4，现在将基于实施例实例更详细地描述其构造。 优选地，电阻温度计4实施成薄层元件。电阻温度计4具有三层结构， 包括陶瓷衬底、优选为铂的曲折形金属层和其上布置的玻璃保护层。 金属线具有源极和漏极。
通过在接通电流的情况下利用电阻的温度相关性发生温度测量。 在该运行状态下，电阻温度计4能够用作被动式传感器元件。上述电 阻温度计4作为被动式传感器元件测量介质的温度，并且也作为主动 式传感器元件，通过电流电平的调节将热量引入介质。然后，第一侧 部段3a的电阻温度计4为主动式传感器元件，其具有恒定温度，并且 向流经的介质发出热能。
优选地，这种传感器元件或者电阻温度计4由板状薄层元件构成。 在本发明的特别优选实施例中，板状薄层元件被取向为与第一侧部段 3a的表面基本平行。在该情况下，能够发生与平行平面的小于10°，优 选小于5°的较小偏移。
现在将在下文中描述第一实施例，其中布置在第一侧部段3a上或 之后的第一电阻温度计4作为主动式传感器元件运行。在该情况下， 在侧部段3a的侧面上流动的是端面3的部段，介质流首先在流动方向 S上冲击该部段。
以类似于第一电阻温度计4的方式，优选地，实施成电阻温度计 5的第二温度元件被布置在第二侧部段3c之后的传感器1中。在该情 况下，第二电阻温度计5与该第一实施例一样起被动式电阻温度计的 作用，以记录介质的温度。
特别优选地，中间部段3b包括具有沿纵轴延伸的表面法向量的区 域。在该情况下，能够发生与平行平面的小于1°，优选小于0.5°的较 小偏移。
此外，特别优选地，图1的截面图中的第二侧部段实施成相对于 纵轴A倾斜的表面。因而，其表面法向量与纵轴A形成优选至少5°， 优选至少8°，特别优选在10-35°之间的角β。在该情况下，该表面特 别能够实施成扁平的，具有表面粗糙度导致的不规律性，或者是朝向 测量介质或者背向测量介质的延伸弧形。
优选地，第二侧部段3c为侧部段，其表面在测量介质的流动方向 S上倾斜。
现在将更详细地解释通过传感器1与布置在第一端3a处的主动式 传感器元件4的组合的具体实施例实现的效果。
与水平表面相比，第一侧部段3a倾斜地布置在流动侧上减小热边 界层厚度。然而，薄边界层在整个表面上比较均匀地延伸。这种边界 层降低了主动式传感器元件的热发散。换句话说，边界层的存在减小 了介质和传感器表面之间的温度梯度，由此发生较小热输入。由于边 界层，传感器在测量操作中需要的功率较少。
在本发明的第二优选实施例中，布置在下游的第二侧部段3c的第 二电阻温度计5作为主动式传感器元件运行，并且布置在上游的第一 侧部段3a的第一电阻温度计4作为被动式传感器元件运行。
在流速较小的情况下，边界层结构发生在传感器的整个端面3上， 并且在下游区域存在尤其大的厚度。诸如在上述实施例实例中已经描 述的，这种边界层使得对介质的热输入较小，并且因此延迟了介质的 流速较大时的饱和度。
在中部部段3b和第二下游侧部段3c之间的过渡区域的后部，另 外产生分离边缘，在速度较高的情况下流量在这里分离。同时，在介 质的速度更大的情况下发生再循环，因而发生至少部分与主流动方向 相反的流动。与主流量相比，这种循环较慢，优选至少慢20％，特别 优选至少慢40％，然而与主流量成正比。与主流量相反方向的再循环 部分针对过渡区域下游的第二下游侧或者是在该部段的分离边缘之下 移动，并且在该情况下吸收的热能小于主流量的情况下将吸收的热能。 通过这种方式，为了保持温度所需的功率较小，并且仅在非常高的流 速下才发生功率饱和。
因而，传感器的最佳外形依赖于两个不同现象，即在高速时在下 游区域中形成流速相关再循环，以及在该区域上流动时形成均匀的边 界层。
总而言之，与原来的几何形状相比，新传感器几何形状产生更稳 定和更可靠的测量值。
在另外的实施例(未示出)中，端面作为盖帽叠加在圆柱形传感 器上，使得在阻塞的情况下，可简单地更换该盖帽。作为替换，这些 盖帽也能够叠加在已经存在的传感器上，特别是那些具有平端部的传 感器，以便可能改进现有传感器。
与主要具有扁平端面的传感器相比，描述了穿过主体热传导而从 表面热传递至周围介质的毕渥(Biot)数由于边界层而减小。
发生再循环的具体流速特别取决于介质的类型。因此，在不同介 质的情况下，侧部段的倾斜角度能够改变。
在具有小标称直径的测量管的情况下，端面也能够有利地具有网 (web)，其在介质的流动方向中延伸。在具有小标称直径的测量管的 情况下，这种网特别有利，因为介质在传感器上的阻塞较小，并且压 力损失较小。
在该情况下，集成在图2中所示的传感器中的是下列组件，一方 面，其用于便利制造并且有助于降低拒绝率，并且另一方面，降低温 度传感器对振动和湿气的敏感性。
本发明的传感器或者是温度传感器不限于具有诸如上述的一个或 更多带角度端部表面部段的特别优选传感器，而是也能够包括具有平 面端面的传感器。
插入外壳腔室端部的是每个都平行于侧部段3a和3c之一的电阻 温度计(RTD)4和5，其中至少一个电阻温度计可加热。在本实施例 实例中，电阻温度计(RTD)4和5实施成薄膜电阻温度计。为了简化， 将仅解释外壳腔室内的电阻温度计4和5之一的布置。
电阻温度计被焊接在外壳腔室内的外壳1的内侧上。从电阻温度 计4和5引出的是它们的相应信号路径，这里是连接线23的形式，优 选地，连接线经镀金。这些连接线将薄膜电阻温度计连接至电路板25。
两个电阻温度计中第一个的连接线沿通往电路板25的第一方向 布置，并且两个电阻温度计中第二个的连接线沿第二方向或在第二方 向上布置，该第二方向与处于电路板25或通往电路板25的第一方向 相反。通过这种布置，能够在两侧上从电路板引出电缆或者四条导体 电缆。连接线和电缆或者是四条导体电缆在电路板上的变化布置意味 着能够实现装配优点。
在端部区域的末端，外壳体有利地由具有优选为0.5至2mm较小 壁厚的深冲帽形成。通过这种方式，使得能够在电阻温度计4或5与 介质之间快速地热传递。
如图2所示，首先，在每种情况下都沿外壳腔室的侧面引导连接 线。然后，连接线23通往电路板25，并且被应变消除地固定至电路板 25。连接线的应变消除固定便于安装温度传感器。在薄膜电阻温度计 和电路板之间的区域中，优选地，连接线被套以聚四氟乙烯管管(未 示出)。
从电路板25引出若干信号路径，以带套管的电缆27的形式存在， 相应地是四个导体电缆，用于连接温度传感器与评价单元。这些电缆 在图2中从电路板单侧延伸。
电路板25包括侧向的卡入元件，其能够接合外壳1的凹进装置 29，或者可替换地接合外壳的突起。在外壳装置中正确地定位电路板 意味着装配更快。
然而，建立凹进装置要求一定的壁厚，使得能够以外表面凹槽29 的形式铣入凹进装置。然而，由于终端深冲帽的较小壁厚，不能确保 该目标。因此，根据本发明，在深冲帽的外壳腔室内布置具有凹进装 置，优选为外围凹进的加强元件。
这种加强元件31使得可实现电路板能够与外壳的卡入连接。
作为替换或作为补充，外壳1也能够具有卡入元件，其能够接合 电路板25的凹进装置或突起。同样地，能够通过布置在深冲帽上的加 强元件提供这可卡入元件。
温度传感器的外壳腔室在电路板和安装有电阻温度计的外壳壁之 间在端部填充有硅主体21、22。
同时，硅主体由于它们作用在电路板25上的内在弹性恢复力而展 开并且使得能够更有效地卡入固位。在该情况下，优选地，电路板接 触至少一个硅主体。
现在将更详细地解释应变消除固定或连接线23与电路板25的连 接。
这通过下述方式实现，即引导连接线穿过电路板25中的第一孔， 然后在垂直于第一孔的通道的方向中穿过，然后在平行于通道的方向 中到达电路板，并且然后固定连接线和电路板。因此，在平行于第一 孔延伸的电路板的壁部上发生固定。因此，连接线沿第一方向A插入 电路板的孔中，并且在沿与第一方向A相反的第二方向B固定在电路 板上。
从其它应用领域已知这些电路板上的应变消除布置，并且用于将 连接线永久地固定至电路板。
然而，在本情况下，连接线的应变消除仅用于在灌注之前和期间 提高连接的稳定性。
上述用于提高电路板以及与其固定的连接线的固定的机械措施降 低了制造中的拒绝率，并且确定地降低了温度传感器在运行期间的故 障率。在该情况下，提供有益效果的各措施对总体构思做出理想贡献。 上述连接概念基本上能够应用于热式流量测量中的所有已知多导体测 量技术。