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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, mit
mindestens einer Sondeneinheit, mit mindestens einem Gehäuse,
wobei das Gehäuse mindestens eine Öffnung aufweist,
durch welche die Sondeneinheit zumindest teilweise in einen Innenraum
des Gehäuses hinragt, mit mindestens einem Befestigungselement und
mindestens einem Federelement, wobei das Befestigungselement und
das Federelement derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt
sind, dass das Befestigungselement und das Federelement die Sondeneinheit
im Innenraum des Gehäuses in ihrer Lage halten. Bei der
Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um
den Füllstand des Mediums, welches beispielsweise eine
Flüssigkeit, ein Schüttgut, ein Gas oder allgemein
ein Fluid ist. Weitere Prozessgrößen sind beispielsweise
Dichte, Viskosität, pH-Wert, Durchfluss oder Temperatur.
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In
der Prozess- und Automatisierungstechnologie sind Messgeräte
bekannt, welche den Füllstand des Mediums beispielsweise
kapazitiv messen (siehe z. B.
EP 0 542 956 B1 ). Es gibt jedoch auch andere
Messgeräte für Prozessgrößen,
in welchen eine Sondeneinheit, welche sich im Prozess befindet oder
welche in direkten Kontakt mit dem Medium kommt, vorgesehen ist.
Diese Sondeneinheit ist zumeist mit einer Elektronikeinheit verbunden,
welche die eigentliche Messung steuert oder vornimmt. Diese Elektronikeinheit
befindet sich üblicherweise in einem Gehäuse,
in welches die Sondeneinheit beispielsweise zur Kontaktierung zumindest
teilweise hineinragt. Eine Öffnung im Gehäuse, über
welche die Sondeneinheit eingebracht ist, ist dabei üblicherweise
gegenüber dem Medium abgedichtet. Damit die Dichtung auch
unter unterschiedlichen Prozessbedingungen, wie z. B. Temperaturunterschiede,
gegeben ist, ist beispielsweise eine Anordnung wie in der o. g.
Patentschrift
EP 0
542 956 B1 vorgesehen. Dort wird die Sondeneinheit über
eine Schraube in das Gehäuse eingespannt und über
eine Feder wird auf Längenänderungen der Sondeneinheit
eingegangen. Nachteilig daran ist, dass das dort beschriebene Federelement
aus Metall Materialermüdungen zeigen kann und dass es durch
den Raum um das Federelement zu Kondensation kommen kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Messgerät
vorzuschlagen, bei welchem eine Sondeneinheit zuverlässig
in einem Gehäuse in seiner Lage gehalten wird, wobei eine
hohe Beständigkeit gegenüber Prozesseinflüssen
gegeben ist.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass das Federelement
zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht. In einer Ausgestaltung
besteht das Federelement im Wesentlichen vollständig aus einem
Kunststoff. Das Federelement, welches somit der Fixierung der Sondeneinheit
dient, besteht somit zumindest teilweise oder sogar vollständig
aus einem Kunststoff.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement zumindest
teilweise aus einem Silikonkautschuk und/oder aus einem Elastomer und/oder
aus einem Polyurethan-Elastomer und/oder aus einem Sylomer und/oder
aus Silikon besteht.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass das Federelement zumindest teilweise
aus einem geschlossenporigen Schaum besteht.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Federelement derartig
ausgestaltet ist, dass es eine hohe Temperaturbeständigkeit
aufweist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement elektrisch
isolierend ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Federelement im
Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet ist. In einer Ausgestaltung
handelt es sich bei dem Federelement im Wesentlichen um einen Vollzylinder.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement im
Wesentlichen trommelförmig ausgestaltet ist, wobei die
Seiten des Federelements im Wesentlichen konkav oder konvex ausgestaltet
sind.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Federelement zumindest
einen Durchgang aufweist. Durch diesen Durchgang wird beispielsweise
die Sondeneinheit im Innenraum des Gehäuses geführt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Durchgang des Federelements
im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Federelements
verläuft.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Durchgang des Federelements
im Wesentlichen entlang einer Längsachse des Federelements verläuft.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sondeneinheit durch
den Durchgang des Federelements hindurchgeführt ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass es sich bei dem Befestigungselement
um eine Schraube handelt, welche mit einer vom Medium abgewandten
Endfläche der Sondeneinheit verbunden ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein Bügelelement
vorgesehen ist, dass mindestens eine Schulter in dem Gehäuse
vorgesehen ist, und dass das Befestigungselement das Bügelelement
gegen die Schulter drückt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das Federelement und
das Befestigungselement derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt
sind, dass das Federelement einer Kraft, die das Befestigungselement
auf die Sondeneinheit ausübt, entgegenwirkt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement und
das Befestigungselement derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt
sind, dass das Federelement einer Kraft, die das Befestigungselement
auf die Sondeneinheit in Richtung einer Längsachse der
Sondeneinheit ausübt, entgegenwirkt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass in dem Gehäuse
mindestens eine Auflage vorgesehen ist, und dass das Federelement
zwischen der Auflage und dem Bügelelement angeordnet ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Federelement im
Wesentlichen den Bereich zwischen der Auflage und dem Bügelelement
ausfüllt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße
um den Füllstand des Mediums in einem Behälter
handelt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sondeneinheit gegenüber
dem Gehäuse elektrisch isoliert ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Dichtung
vorgesehen ist, welche den Innenraum des Gehäuses zumindest
im Bereich der Öffnung abdichtet.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Elektronikeinheit
vorgesehen ist, und dass die Elektronikeinheit die Sondeneinheit mit
einem elektrischen Signal beaufschlagt und von der Sondeneinheit
ein elektrisches Signal empfängt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Sondeneinheit der
kapazitiven Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße
dient.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Sondeneinheit der
Bestimmung und/oder Überwachung der Prozessgröße über
ein Laufzeitverfahren dient
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer Füllstandsmessung eines
Mediums,
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2:
einen Abschnitt eines Messgerätes gemäß dem
Stand der Technik, und
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3:
den in 2 gezeigten Abschnitt eines Messgerätes
in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
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In
der 1 ist schematisch die Messung bzw. Überwachung
des Füllstands eines Mediums 1, bei welchem es
sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut
handelt, in einem Behälter 2 dargestellt. Bei
der hier gezeigten Ausgestaltung handelt es sich um ein Messgerät,
welches kapazitiv den Füllstand misst. Hierzu bildet die
Sondeneinheit 3 mit der Wand des Behälters 2 einen
Kondensator, dessen Dielektrikum das Medium 1 darstellt.
Die Kapazität dieses Kondensators ist dabei abhängig
vom Füllstand des Mediums 1, so dass umgekehrt
aus der Kapazität mittels hinterlegter Daten der Füllstand
bestimmt bzw. überwacht werden kann.
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Für
die Messung des Füllstands wird die Sondeneinheit 3 von
der Elektronikeinheit 14 mit einer Wechselspannung beaufschlagt.
Aus dem von der Sondeneinheit 3 abgegriffenen Strom bzw.
einer damit proportionalen Spannung wird dann die Kapazität
bzw. der Füllstand ermittelt. Die Elektronikeinheit 14 dient
beispielsweise auch der Übermittlung des Messwertes beispielsweise über
einen Datenbus an eine übergeordnete Steuereinheit.
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Die
Elektronikeinheit 14 ist mit einem vom Medium abgewandten
Ende der Sondeneinheit 3 in einem Gehäuse 5 untergebracht.
Die Sondeneinheit 3 ragt dabei durch eine Öffnung 6 in
das Gehäuse 5 hinein. Bei der Sondeneinheit 3 handelt
es sich um einen Stab oder um ein Seil.
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In
einer zur kapazitiven Messung alternativen Ausgestaltung dient die
Sondeneinheit der Messung des Füllstands über
ein Laufzeitverfahren, wobei ein Mikrowellensignal über
die Sondeneinheit 3 in Richtung der Oberfläche
des Füllguts 3 geführt wird. Aus der
Zeit zwischen dem Abstrahlen des Signals und dem Empfang des an
der Oberfläche des Mediums 3 reflektierten Signals
wird dann der Füllstand berechnet.
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In
der
2 ist der Bereich der Öffnung
6 des
Gehäuses
5 zur Aufnahme des vom Medium abgewandten
Endes der Sondeneinheit
3 näher dargestellt. Die
Sondeneinheit
3 wird dabei gemäß dem Stand
der Technik in seiner Lage gehalten, so dass insbesondere das Gehäuse
5 abgedichtet
ist und dies auch unter unterschiedlichen Prozessbedingungen bleibt.
Die Ausgestaltung entspricht dabei derjenigen, welche beispielsweise
in der europäischen Patentschrift
EP 0 542 956 B1 beschrieben
ist. Die Sondeneinheit
3 wird dabei in ihrer Lage gehalten bzw.
fixiert oder festgeklemmt. Problematisch ist dabei ggf. das Langzeitverhalten,
insbesondere unter starken Veränderungen der Prozess- bzw.
Messbedingungen.
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Für
das Halten in der Position ist ein Befestigungselement 10,
bei welchem es sich hier beispielsweise um eine Schraube handelt,
mit der vom Medium abgewandten Endfläche 4 der
Sondeneinheit 3 verbunden, wobei die Schraube 10 beispielsweise
in einer passenden Bohrung in der Sondeneinheit 3 eingedreht
ist. Das Befestigungselement 10 drückt gleichzeitig
ein Bügelelement 13 gegen eine Schulter 8 in
dem Gehäuse. Somit bewirkt ein Zug an der Sondeneinheit 3,
dass das Bügelelement 13 gegen die Schulter 8 gedrückt
wird, so dass bei einem fest in der Wand des Behälters
eingebrachten Gehäuse 5 dem Zug durch den Behälter
selbst Halt geboten wird.
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Die Öffnung 6 im
Gehäuse 5 wird durch eine Dichtung 15,
welche hier ringförmig um die stabförmige Sondeneinheit 3 verläuft,
abgedichtet. Das Federelement 11, bei welchem es sich hier
gemäß dem Stand der Technik um eine Stahlfeder
handelt, drückt die Dichtung 15 gegen die Öffnung 6 und
verschließt sie somit. Die Feder 11 wird dabei
während der Fertigung des Messgerätes unter einer
gewissen Vorspannung in das Gehäuse 5 eingebracht,
so dass sie stets die Dichtung 15 gegen die Auflage 9 des
Gehäuses 5, auf welcher die Dichtung 15 ruht,
presst. Somit können also beispielsweise Längenänderungen
der Sondeneinheit 3 ausgeglichen werden, so dass stets
eine sichere Dichtung des Gehäuses 5 gewährleistet
ist.
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Wie
zu sehen, befindet sich das Federelement 11 in einem relativ
großen Teil des Innenraums 7 des Gehäuses
und wird somit von relativ viel Luft umgeben. Damit geht eine erhöhte
Gefahr der Kondensatbildung bzw. einer Korrosion des Federelements 11,
bei welchem es sich beispielsweise um eine Tellerfeder handelt,
einher. Durch Brückenbildung ist es überdies möglich,
dass es zu einem Kurzschluss kommt. Weiterhin ist nur ein relativ
kleiner Federweg gegeben.
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In
der 3 ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung
dargestellt. Das Federelement 11 besteht hier zumindest
teilweise aus einem Kunststoff. In einer weiteren Ausgestaltung
besteht das Federelement 11 vollständig aus einem
Kunststoff. Bei dem Kunststoff handelt es sich beispielsweise um
einen Silikonkautschuk und/oder ein Elastomer und/oder ein Polyurethan-Elastomer
und/oder ein Sylomer und/oder Silikon. Beispielsweise ist das Federelement
auch zumindest teilweise ein geschlossenporiger Schaum. Das Material
des Federelements 11 ist vorzugsweise elektrisch isolierend
bzw. weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. In der
hier gezeigten Variante ist das Federelement 11 als Vollzylinder
ausgeführt, welcher entlang seiner Längsachse
einen Durchgang 12 aufweist, durch welchen die Sondeneinheit 3 hindurchgeführt
ist. Das Federelement 11 umfasst somit die Sondeneinheit 3.
Zwischen dem Bügelelement 13 und dem Federelement 11 befindet
sich ein Stempel 16, über welchen die Kraft zwischen
dem Bügelelement 13 und der Feder 10 übertragen
wird. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei dem Stempel 16 insbesondere
um eine Druckschraube. In einer weiteren Ausgestaltung befindet
sich unterhalb des Stempels 16 eine Druckscheibe, welche
den Druck gleichmäßig auf das Federelement 11 verteilt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Stempel 16 generell
breit im Auflagebereich ausgestaltet. Das erfindungsgemäße
Federelement 11 füllt vorzugsweise den Raum um
die Sondeneinheit 3 im Gehäuse 5 möglichst
vollständig aus.
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Hierfür
ist beispielsweise das Federelement 11 als Vollzylinder
ausgestaltet. Insbesondere ist das Federelement 11 passgenau
auf die Aussparung im Gehäuse 5 ausgerichtet.
In weiteren Ausgestaltungen – hier nicht dargestellt – wird
das Federelement 11 von weiteren Aussparungen durchzogen.
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Einige
Vorteile sind beispielsweise folgende: Es wird ein relativ großes
Volumen an Luft aus dem Gehäuse verdrängt. Damit
geht einher, dass die Gefahr der Kondensatbildung sinkt. Ebenso
sinkt die Gefahr der Korrosion der Stahlteile, da bei vermindertem
Lufteinschluss auch weniger Feuchtigkeit gegeben ist. Da auch weniger
Bauteile aus Metall vorhanden sind, vermindert sich auch eine potentielle Kurzschlussgefahr
durch Brückenbildung. Durch eine passende Wahl des Kunststoffs
des Federelements lässt sich die Alterung vermindern und
somit die Materialermüdung verhindern. Überdies
ist ein relativ großer Federweg gegeben. Da das Federelement
in die Aussparung im Gehäuse eingebracht wird, lässt
sich auch die Montage vereinfachen. Weiterhin wirkt das Federelement
selbst auch als Dichtung. Durch die Wahl des Kunststoffs lässt
sich auch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit erzielen,
so dass das Federelement auch eine Temperatur-Schranke zur Elektronik
darstellt.
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- 1
- Medium
- 2
- Behälter
- 3
- Sondeneinheit
- 4
- Endfläche
der Sondeneinheit
- 5
- Gehäuse
- 6
- Öffnung
des Gehäuses
- 7
- Innenraum
des Gehäuses
- 8
- Schulter
des Gehäuses
- 9
- Auflage
des Gehäuses
- 10
- Befestigungselement
- 11
- Federelement
- 12
- Durchgang
des Federelements
- 13
- Bügelelement
- 14
- Elektronikeinheit
- 15
- Dichtung
- 16
- Stempel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0542956
B1 [0002, 0002, 0036]