制造热流量计的探针的方法、热流量计的探针和热流量计
阅读说明：本技术 制造热流量计的探针的方法、热流量计的探针和热流量计 (Method for manufacturing probe of thermal flowmeter, and thermal flowmeter ) 是由 阿纳斯塔西奥斯·巴达利斯 斯特凡·加布苏埃尔 亚历山大·格林 汉诺·舒尔特海斯 托比亚斯·波 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制造热流量计(1)的探针(10)的方法(100),该热流量计用于测量测量管(2)中的介质的质量流量,具有纵向轴线的探针套筒(11)和宽松地布置在探针套筒中的探针芯(12)被提供。在至少第一方法步骤(101)中,探针套筒借助于高能率成形相对于纵向轴线在探针芯的方向上在其整个周长上径向地变形,一体地结合的连接在探针套筒与探针芯之间产生,因此形成杆(13),杆构成基体(14),或者基体(14)与杆分离,基体被用于探针制造,变形速度达到大于100m/s,尤其大于200m/s的值,高能率成形尤其通过爆炸成形或电磁成形被实现。(The invention relates to a method (100) for producing a probe (10) of a thermal flow meter (1) for measuring a mass flow of a medium in a measuring tube (2), a probe sleeve (11) having a longitudinal axis and a probe core (12) loosely arranged in the probe sleeve being provided. In at least a first method step (101), the probe sleeve is deformed radially over its entire circumference in the direction of the probe core relative to the longitudinal axis by means of high-energy-rate forming, an integrally bonded connection being produced between the probe sleeve and the probe core, whereby a shank (13) is formed, which constitutes a base body (14), or the base body (14) is separated from the shank, which is used for probe manufacture, the deformation speed reaching values greater than 100m/s, in particular greater than 200m/s, the high-energy-rate forming being effected in particular by explosion forming or electromagnetic forming.)
技术领域
本发明涉及制造用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针的方法、这种探针以及具有这种探针的热流量计。
背景技术
典型的热流量计包括探针，探针伸入这种流量计的测量管中并且在操作期间被介质环绕流动。通常，至少一个探针适合记录介质温度，并且至少一个探针适合加热介质。例如，质量流量能够从保持加热探针和温度记录探针之间的温度差所需的加热电流中被推导出来。
为了能够快速地记录介质的温度变化或流量变化，探针的低热质量与探针与介质之间良好的热转换是重要的。
DE102016121110A1提出通过在套筒中熔化银来制造探针。以这种方式，原则上，探针与介质之间的良好热转换能够被提供。然而，该方法容易在银熔体中形成气泡，使得探针经常不是可用的。这导致不期望的废料，该废料必须通过测试探针才能被发现，并导致高成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有较少废料的更好的方法，提供由更好的方法制造的探针，以及提供一种具有这种探针的热流量计。
该目的通过独立权利要求1中限定的方法、独立权利要求9中限定的探针和独立权利要求13中限定的热流量计来实现。
在本发明的用于制造用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计的探针的方法中，探针芯被设置成宽松地布置在具有纵向轴线的探针套筒中，
其中，在至少第一方法步骤中，探针套筒借助于高能率成形在探针芯的方向上相对于纵向轴线整个围绕地径向变形，其中材料结合的连接在探针套筒与探针芯之间出现，并且因此杆被形成，
其中杆代表基体，或者其中基体与杆分离，其中基体被应用于探针制造，
其中径向变形速度达到大于100m/s，并且尤其大于200m/s的值，其中高能率成形尤其借助于爆炸成形或磁性成形被实现。
在这种情况下，在施加高能量速率成形之前，探针芯的外表面与探针套筒的内表面之间的间隔理想地应该不超过0.5mm，使得存在松配合。
爆炸成形是由爆炸覆盖发展而来的一种成形方法。探针套筒被爆炸性物质包围，爆炸性物质具有快的爆炸速度。在爆炸性物质的点火之后，当套筒壁撞击在探针芯上时，材料结合的连接出现，从而产生机械稳定的连接，由此探针芯和探针套筒之间良好的热转换被保证。
磁性成形利用了时变磁场在导电材料中感应出涡流的现象，并且在其部分上的涡流对材料产生一个力，该力径向地向内指向。在强磁场和快速变化率的情况下，套筒形导电物体能够经历快速变形。
在实施例中，在另外的方法步骤中，基体被拉伸，借助于拉伸，获得基体外径的减小和基体侧表面的平滑。
例如，基体被拉伸通过工具中的开口，该开口具有略小于基体的外径的直径。这样，基体的侧表面可以被平滑。同样以这种方式，基体的外径可以达到期望的尺寸。能够需要利用顺序更小的开口的多个拉伸步骤。
在实施例中，在另外的方法步骤中，基体的第一端部被介质紧密地密封，
其中第一端部的密封包括移除端部区域中的探针芯，其中探针头被引入到空出的端部区域中并且尤其通过激光焊接被固定到探针套筒，
其中探针头的外侧尤其具有圆形的形状，诸如例如半球形形状或半椭圆形形状。
在实施例中，在另外的方法步骤中，探针芯在朝向基体的第二端部一侧分段地至少部分地被暴露，
其中用于在探针芯上安装热电元件的接触区域在探针芯上被制备，
其中接触区域相对于纵向轴线具有小于30度，并且尤其小于20度，并且优选地小于10度的内角。
在这种情况下，热电元件可以是例如PT100热电元件。
在实施例中，在另外的方法步骤中，在安装热电元件之后，例如，借助于软焊、粘合或烧结，将连接套筒设置于基体，该连接套筒完全覆盖先前至少部分暴露的区域，其中该连接套筒与探针套筒介质紧密地连接，尤其利用周向激光焊接。
在实施例中，探针套筒包括接触区域中的外径减小的部分，以用于与连接套筒连接，其中在另外的方法步骤中，连接套筒被插在外径减小的部分上。
在实施例中，探针套筒由包括不锈钢的第一材料制成，并且其中探针芯由例如包括银或铜的第二材料制成，
其中该第二材料具有至少100W/(m*K)，尤其至少200W/(m*K)，优选地至少300W/(m*K)的热导率，
其中连接套筒尤其由第一材料制成。
在实施例中，在高能率成形之后，探针芯的直径小于5mm，尤其小于4mm，优选地小于3mm，并且大于0.5mm，尤其大于1mm，优选地大于1.5mm，并且
其中探针套筒在未减小外径的区域中具有比探针芯的直径大至少0.1mm，尤其大至少0.2mm，优选地大至少0.5mm，以及大至多1.5mm，尤其大至多1.2mm，优选地大至多1mm的外径。
一种根据前述权利要求中的任一项所述的方法制造的本发明的探针，该探针用于测量测量管中的介质的质量流量的热流量计，该探针包括：
具有探针芯和探针套筒的基体，探针套筒至少部分地包围探针芯并且通过材料结合与探针芯连接；
探针头，其在基体的第一端部处与探针套筒介质紧密地连接并且密封第一端部；
热电元件，其例如由于软焊、粘合或烧结在至少部分暴露的区域中被固定到探针芯的接触区域；
连接套筒，其完全覆盖先前至少部分暴露的区域，其中连接套筒与探针套筒介质紧密地连接，尤其利用周向激光焊接。
在实施例中，探针芯在先前至少部分暴露的区域中包括从基部区域突出的凸起，
其中接触区域被布置在凸起上，并且相对于纵向轴线具有小于30度，尤其小于20度，优选地小于10度的内角。
在实施例中，凸起包括通过材料结合与探针套筒连接的后表面，其中探针套筒适合在后部面的区域中机械地稳定凸起。
在实施例中，热电元件适合确定介质的温度和/或加热介质。
本发明的热流量计包括：
用于输送介质的测量管；
至少一个根据权利要求9至12中的任一项所述的探针，其中探针被布置在测量管中；
电子测量/操作电路，其用于操作至少一个探针并提供流量测量值。
附图说明
现在将基于附图中呈现的实施例的示例来描述本发明，附图如下所示：
图1a)至图1d)是在制造本发明的探针中的不同阶段的示例的视图；
图2a)至图2c)是具有用于附接热电元件的接触区域的探针芯的不同实施例的视图；和
图3是热流量计的示例的示意性前视图。
具体实施方式
图1a)示出了具有纵向轴线11.2的探针套筒11的一部分，探针芯12被宽松地布置在探针套筒11中。在用于制造本发明的探针的第一方法步骤中，探针套筒在探针芯的方向上相对于纵向轴线整个围绕地径向被变形，使得与探针芯的材料结合的连接出现。在这种情况下，变形借助于高能率成形被实现，其中径向变形速度达到大于100m/s，尤其大于200m/s的值。高能率成形能够是，例如，爆炸成形或磁性成形。爆炸成形源于爆炸覆盖。爆炸性物质被放置在探针套筒的外部并被点燃。在探针套筒撞击探针芯期间，高变形速度导致探针套筒材料与探针芯材料的界面混合。这样，获得了由固定在探针套筒中的探针芯构成的杆。
图1b)示出了穿过基体14的截面，基体14被应用于探针制造。在这种情况下，在高能率成形之后，基体通过将杆部分与杆的剩余部分分离被制造。
在另外的方法步骤中，基体能够经受拉伸，借助于拉伸，基体外径14.1的减小或调节以及基体侧表面14.2的平滑被获得。在这种情况下，基体被拉伸通过开口，该开口的直径略小于基体的外径。这个步骤能够被重复多次，在每一种情况下，都利用更小的开口。基体具有第一端部14.3和第二端部14.4。
图1c)示出了本发明的探针的制造的另一阶段，其中在另外的方法步骤中，在第一端部a的端部区域14.31中，其中探针头15然后被引入端部区域，在该端部区域，探针芯的一部分被移除，并且随后被固定到探针套筒，尤其通过激光焊接。这样，基体的第一端部被介质紧密地密封。例如，诸如在这种情况下所示的，探针头的外侧15.1具有例如圆形的形状，诸如半球形形状或半椭圆形形状，这对于探针的流动阻力是有益的。
在另外的方法步骤中，探针芯被暴露在基体的第二端部，并且接触区域被形成用于将热电元件16设置于探针芯。诸如在这种情况下所示的，接触区域能够平行于探针套筒的纵向轴线延伸。例如，图2示出了接触区域的其它视图。热电元件16例如借助于软焊、粘合或烧结被固定。
在这种情况下，热电元件16包括电连接线16.1，热电元件借助于该电连接线16.1可连接到电子测量/操作电路3；参见图3。
探针套筒11能够在接触区域11.1中被设置有用于接收连接套筒17的减小的外径，诸如在这种情况下在图1d)中所示的，从而止挡被形成用于连接套筒。
这里描述的方法步骤的顺序能够被改变。
图1d)示出了本发明的探针的制造的结束阶段，其中在将热电元件12设置于探针芯12之后，连接套筒17被插在基体的暴露区域上，使得先前暴露的区域现在被完全覆盖。在固定连接套筒之后，例如，借助于周向激光焊接，连接套筒然后处于与探针套筒介质紧密地连接的状态。
图1a)至图1d)中所示的探针套筒11由包括不锈钢的第一材料制成，而探针芯12由例如包括银或铜的第二材料制成，其中第二材料具有至少100W/(m*K)，尤其至少200W/(m*K)，优选地至少300W/(m*K)的热导率。连接套筒17尤其由第一材料制成。
由于不锈钢具有比第二种材料更低的热导率，例如，由介质温度的变化引起的探针套筒的温度变化导致传感器芯中的温度分布均匀或几乎恒定，并且从而导致热电元件中的温度分布均匀或几乎恒定。
图2a)至图2c)通过示例示出了穿过本发明的基体14具有探针芯12和探针套筒11的横截面。在图2a)和图2b)的情况下，在每种情况下，具有接触区域的凸起12.3由暴露区域中的探针芯形成，并且热电元件16被安装在接触区域上。在图2c)的情况下，基体的直径足够大，以垂直于探针套筒的纵向轴线11.2布置热电元件。图2a)和图2b)所示的实施例的示例能够制造小直径的探针。以这种方式，探针的热质量能够被优化，从而响应行为能够被优化。
图3通过示例示出了热流量计1的示意性前视图，该热流量计1具有测量管2、布置在测量管2的内腔中的本发明的两个探针10以及具有电子操作电路3的壳体4。电子操作电路适合操作探针10并提供流量测量值。
为了测量通过测量管2的介质的质量流量，例如，第一探针在流过测量管40的介质中被加热，使得相对于介质温度的温差保持恒定。在这种情况下，第二探针能够被用于测量介质的温度。假设介质特性(诸如密度和成分)保持不变，介质的质量流量能够经由维持温度所需的加热电流被查明。这里所示的热流量计是示例性的，并且纯粹是出于说明的目的。本领域技术人员能够根据应用的给定要求将任意数量的探针集合在一起，并且以期望的方式将这些探针布置在测量管中。这种探针的操作方法是本领域已知的。
参考符号列表
1 热流量计
2 测量管
3 电子测量/操作电路
4 壳体
10 探针
11 探针套筒
11.1 接触区域
11.2 纵向轴线
12 探针芯
12.1 接触区域
12.2 探针芯直径
12.3 凸起
13 杆/杆部分
14 基体
14.1 基体外径
14.2 侧表面
14.3 基体的第一端部
14.31端部区域
14.4 基体的第二端部
15 探针头
15.1 探针头的外侧
16 热电元件
16.1 电连接线
17 连接套筒
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