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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung sowie eine Sensoranordnung mit einer solchen Sensorvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind Messstellen oder Sensoranordnungen mit Sensoren bzw. Messfühlern zur Messung unterschiedlicher physikalischer Parameter mit einem starren Gehäuse bekannt. Sie sind in der Regel aus vielen Einzelteilen zusammengesetzt und mittels verschiedener Verbindungstechniken wie Stecken, Schrauben oder Schweißen miteinander verbunden. Für die Gehäuse werden oft Metalle, bevorzugt Edelstahl, oder auch kunststoffumspritzte Elektroniken oder kombinierte Kunststoff-Metall-Verbundteile verwendet. Die Teile müssen zum Schutz der empfindlichen Messfühler und Elektroniken gut gegeneinander abgedichtet sein, wofür bekannte Dichtungsmaterialien und Dichtungsformen wie Dichtungsringe aus Gummi verwendet werden.
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Nachteilig hierbei ist, dass die Sensoranordnungen durch die Vielzahl der Teile kompliziert und dadurch teuer in der Herstellung sind. Messanordnungen zur Messung von Temperaturen sollen kompakt und kostengünstig und dabei leicht zu installieren sein.
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Im Stand der Technik werden außerdem kleine, schnell verlierbare Teile wie Dichtungsringe, Schrauben etc. eingesetzt, deren Ersatz zusätzliche Kosten verursacht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die kompakt und dabei kostengünstig in der Herstellung und Erhaltung ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, einen Sensor bzw. Messfühler sicher und einfach abgedichtet zu halten, wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 6 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Sensorvorrichtung und der Sensoranordnung werden durch die Unteransprüche beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Sensorvorrichtung weist einen Messfühler zum Erfassen eines physikalischen Parameters, vorzugsweise eine Elektronikeinheit, einen elektrischen Anschluss und ein Gehäuse auf, wobei das Gehäuse die vorgenannten Komponenten jeweils ganz oder zumindest teilweise umfasst. Mit „ganz oder teilweise“ ist dabei gemeint, dass beispielsweise ein Teil des Messfühlers im Gehäuse aufgenommen ist und ein anderer Teil herausragt – der Messfühler ist also nur teilweise in dem Gehäuse aufgenommen.
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Erfindungsgemäß weist das Gehäuse einen oder mehrere elastische Abschnitt(e) auf.
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Die Erfindung sieht bevorzugt vor, dass der elastische Abschnitt sich entlang der Längsrichtung des Gehäuses erstreckt: Damit kann entweder ein Teil des Gehäuses oder das gesamte Gehäuse entlang seiner Längsausrichtung elastisch sein. Das Gehäuse kann einstückig hergestellt sein, wodurch die Vorrichtung einerseits einfach hergestellt werden kann. Andererseits kann die Vorrichtung durch automatisierte Kunststoffverarbeitungsverfahren, wie bspw. Spritzgießen etc., kostengünstig hergestellt werden. Ein solches Gehäuse kann sehr einfach aufgebaut werden und muss nicht aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt werden.
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Der elastische Abschnitt des Gehäuses kann den elektrischen Anschluss abdichtend umgeben. Auch der Messfühler, der aus dem Gehäuse herausragt, kann durch ein vollständig elastisches Gehäuse gegenüber anderen Prozesskomponenten abgedichtet werden. Auf einzelne, schnell verlierbare Dichtungen kann somit verzichtet werden, da die elastischen Abschnitte des Gehäuses an den genannten Sensorteilen selbst abdichtend anliegen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann der elastische Abschnitt aus einem Material wie Verbundmaterial, z. B. ein PPT wie bspw. ein Kunststoff-Elastomer Kombinationen, bei denen harte Materialien (typisch Hartkunststoff oder Metall) mit flexiblen (z. B. Gummi) miteinander verspritzt werden.
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Weitere bekannte Anwendungen solcher Materialkombinationen/Verbundmaterialien: z. B. Schwingungsdämpfer, Absperrventile etc.) oder besonders aus Silikon oder Gummi bestehen. Die Wahl des Materials ist abhängig von der am Messgehäuse vorherrschenden Temperatur. So eignet sich Gummi mehr für niedere Temperaturen, während Silikon auch zu höheren Temperaturen stabil bleibt. Alternativ kann das Gehäuse insgesamt aus einem der genannten elastischen Materialien bestehen. Diese Art von Gehäuse kann besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Der elastische Abschnitt kann in einer Ausführungsform einfach zylindrisch sein. Die geometrische Grundform des Gehäuses kann kreisförmig, rechteckig oder ein anderweitiges Polygon sein. Ferner kann der elastische Abschnitt ein Faltenbalg aufweisen, dessen Falten regelmäßig, z. B. sinusförmig oder dreiecksförmig sind, oder auch unregelmäßig vorliegen können. Diese Form begünstigt zusätzlich eine gute Elastizität des Gehäuses in Längsrichtung.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass innerhalb des Gehäuses ein Federelement vorliegt, das sich an der Deckfläche des Gehäuses innen und einem Lager abstützt, das an der Elektronikeinheit angeordnet ist. Als Deckfläche wird dabei ein einstückig mit dem Gehäuse verbundener Deckel verstanden, der den oberen Abschluss des Gehäuses zu weiteren Prozesskomponenten bilden kann. Das Federelement kann an der Oberseite des Gehäuses den elektrischen Anschluss umgeben. Das Federelement kann in einem eingebauten Zustand des Gehäuses einen Anpressdruck auf die Messelektronik erzeugen und damit den Messfühler besser halten und die thermische Anbindung desselben verbessern, wie im Folgenden noch erläutert wird.
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Zur Erzeugung eines Anpressdrucks auf den Messfühler weist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung und ein Schutzrohr zum Einbau in ein Messgehäuse auf. Dabei hat die Sensorvorrichtung einen Befestigungsabschnitt, der an einem Befestigungsabschnitt des Schutzrohres dichtend an dem Schutzrohr befestigt ist.
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Das verwendete Schutzrohr kann dabei aus Einzelteilen geschweißt sein oder aus Vollmaterial hergestellt werden. Letzteres ermöglicht einen hohen Schutz für den Messfühler und kann kompakt hergestellt werden. Die Abmessungen des Schutzrohres werden je nach Anwendung, u. a. zu messendem Medium angepasst. Je dünner das Schutzrohr im Bereich der Messfühlerspitze ist, desto kürzer ist die thermische Ansprechzeit und desto genauer kann gemessen werden. Bei aggressiven Medien ist es von Vorteil im Hinblick auf die Lebensdauer des Messfühlers ein dickeres Schutzrohr zu wählen.
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Daraus resultiert insbesondere ein guter thermischer Kontakt der Messfühlerspitze in Verbindung mit dem Schutzrohr, bedingt durch die mechanische Verformung des Gehäuses, von Gehäuseteilen und die daraus resultierende Federkraft auf das Messfühlerelement an sich. Damit kann der Messfühler gut geschützt werden und Messwert verfälschende thermische Effekte minimiert werden. Für einen Anwender ist die erfindungsgemäße Anordnung einfach zu montieren und leicht zu wechseln, z. B. für eine Re-Kalibrierung oder einen Tausch des verwendeten Messfühlers.
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Damit das Gehäuse fest mit dem Schutzrohr verbunden werden kann, sieht die Erfindung vor, dass der Befestigungsabschnitt des Gehäuses ein Innengewinde oder Außengewinde aufweist, das in ein Außengewinde oder ein Innengewinde des Befestigungsabschnitts des Schutzrohres eingreift. Die Steigungen der Gewinde korrespondieren dabei, wodurch die Sensoranordnung zusätzlich abgedichtet wird. Die innen liegenden empfindlichen Messfühlerteile und -elektronik werden zuverlässig vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Nässe geschützt.
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In einer Weiterbildung kann die Erfindung vorsehen, dass der Befestigungsabschnitt des Gehäuses an seiner Innenseite einen oder mehr Rasthaken aufweist, der/die mit dem Befestigungsabschnitt des Schutzrohres verrastet werden kann/können. Diese Rasthaken können z. B. ebenfalls durch Verbundmaterialien (s. o.) realisiert werden. Dazu kann der Befestigungsabschnitt des Schutzrohres Gegenlager oder spezielle Kanten aufweisen in die die Rasthaken eingreifen können. Eine gerade Anzahl an Rasthaken kann hierbei eine Verbindungsstabilität bieten. In einer alternativen Ausführungsform kann auch nur ein Rasthaken und eine gegenüber an dem Gehäuse angeordnete Haltenase vorgesehen sein.
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Damit die Rasthaken leicht zu lösen bzw. bedienen sind, kann der Befestigungsabschnitt einen oder mehr verdickte Wandungsbereiche aufweisen. Die verdickten Wandungsbereiche liegen sinnvoll im Bereich des Befestigungsabschnitts dort vor, wo innenseitig Rasthaken angeordnet sind. Rasthaken, die als Federelemente mit Widerhaken am freien Ende ausgebildet sind, bilden sehr einfache und zuverlässige Befestigungselemente für das Gehäuse. Durch das erfindungsgemäße Gehäuse, das den elektrischen Anschluss umfänglich umgibt, die Ausgestaltung des Befestigungsabschnitts und dem mittels des Gehäuses erzeugte Anpressdruck auf den Messfühler, kann dieser gut gehalten, geschützt und zu zwei Seiten abgedichtet werden. Durch die Erfindung kann eine kostenoptimierte Sensoranordnung hergestellt werden, wobei das Gehäuse neben dem Schutz der Elektronik gleichzeitig Dichtfunktionen, Prozessanschluss und den mechanischen Anpressdruck zur Erzielung eines guten thermischen Kontakts bei Verwendung eines Schutzrohrs ermöglicht. Ferner ist die gesamte Anordnung leicht zu installieren und für Reparaturmaßnahmen einfach auseinander zu nehmen; Dichtungsringe oder andere Kleinteile können nicht mehr verloren gehen.
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Weitere Ausführungsformen, sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung deutlich und besser verständlich. Unterstützend hierbei ist auch der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder sehr ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Es zeigt:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
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2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
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3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der Sensorvorrichtung,
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4 einen Längsschnitt durch eine weitere, alternative Ausführungsform der Sensorvorrichtung,
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5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung mit der Sensorvorrichtung vor einem Einbau in ein Messgehäuse,
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6 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit der Sensorvorrichtung nach dem Einbau in das Messrohr,
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7 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit der Sensorvorrichtung nach 2, und
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8 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit der Sensorvorrichtung nach 3.
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1 zeigt eine Sensorvorrichtung 1 mit einem Messfühler 2, der bei Bedarf mit einer Elektronikeinheit 3 und ferner einem elektrischem Anschluss 4 verbunden ist. Ein solcher Aufbau / Gehäuse kann auch mit außenliegender bzw. gänzlich ohne Elektronikeinheit realisiert werden (z. B. Kompaktthermometer ohne Trasnmitter). Der elektrische Anschluss 4 kann ein beliebiger Stecker sein, der als integrierter Anschluss z. B. zu einer Mess- und Steuerelektronik dient, welche darüber mit der Sensorvorrichtung verbunden werden kann. Als Größe kann bspw. M12 oder auch jede andere geeignete Steckergröße genutzt werden, insbesondere falls mehr als ein Messfühler 2 in der Sensorvorrichtung 1 integriert werden sollen.
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Der hier dargestellte Messfühler 2 ist als länglicher Stab ausgebildet und umfasst ein an seiner der Elektronikeinheit 3 abgewandten Spitze anliegendes Kompaktthermometer. Bspw. kann das Kompaktthermometer ein Widerstandsthermometer wie ein Pt100 sein. Es sind auch andere Messfühler oder Sensoren beliebig in die Sensorvorrichtung einzusetzen, wie bspw. andere Temperatursensoren, Drucksensoren, Frequenz- oder Beschleunigungsmesssensoren oder Messfühler zu Messung des pH-Wertes eines Fluids.
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Das Gehäuse 5 der Sensorvorrichtung 1 ist einstückig und hier beispielhaft zylindrisch. Es besteht aus Silikon oder einem anderen Material mit vergleichbaren elastischen Eigenschaften.
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Das Gehäuse 5 hat einen elastischen Abschnitt 6, der in 1 einen Faltenbalg 7 umfasst. Durch den Faltenbalg 7 kann der elastische Abschnitt 6 in Längsrichtung der Sensorvorrichtung 1 gedehnt oder gestaucht werden.
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An einem oberen Ende ist der elektrische Anschluss 4 in seinem Umfang von einer Gehäusedeckfläche 8 umgeben und durch diesen auch abgedichtet gehalten. An der Gehäusedeckfläche 8 liegt innenseitig ein Lager 10 an. Dieses kann, wie hier zu sehen, eine flache Scheibe sein. Es ist hier so bemessen, dass der Durchmesser des Lagers 10 etwas kleiner ist, als ein Innendurchmesser des Gehäuses 5.
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In einem unteren Bereich des Gehäuses 5 ist ein Befestigungsabschnitt 9 vorgesehen, der in 1 ein Innengewinde 13a aufweist. Die Anzahl der Windungen bestimmt sich dabei nach den jeweiligen Abmessungen des Gehäuses 5 und der durch das Gewinde erzeugten gewünschten Dichtfunktion. Der Befestigungsabschnitt 9 dient als Gegenstück, um mit einem Schutzrohr 15 (siehe auch 5 und 6) als Prozessanschluss an eine entsprechende Verbindungseinrichtung angeschlossen zu werden.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gehäuses 5. Hierbei ist der elastische Abschnitt 6 glattzylindrisch. Allein durch das gewählte Material des Gehäuses 5 kann der elastische Abschnitt auch in dieser Form gedehnt oder gestaucht werden. Die Pfeile in Längsrichtung zeigen dabei die mögliche Dehnungsrichtung des Gehäuses 5. Wiederum ist am Befestigungsabschnitt 9 ein Innengewinde 13a vorgesehen.
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Innerhalb des Gehäuses 5 ist an einer Unterseite des Gehäusedeckels 8 ein Federelement 11 gelagert, das an einer Oberseite des Lagers 10 sein Gegenlager findet. Das Federelement 11 ist in 2 eine Spiralfeder, kann aber auch eine geeignete andere Federform aufweisen. Beim Einbau der Sensorvorrichtung 1 in ein Gegenstück über das Federelement 11 wird eine mechanische Anpresskraft auf den oberen Teil des Lagers 10 ausgeübt und dadurch eine Dichtung herbeigeführt.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform der Sensorvorrichtung 1 dargestellt, die ebenfalls einen glattzylindrischen elastischen Abschnitt 6 aufweist. Im Befestigungsabschnitt 9 sind an einer Innenseite zwei Rastfedern 12 vorgesehen, die von außen durch eine einen verdickten Wandungsbereich 12a bedient werden kann. Zum Bedienen der Rastfedern 12 können zu beiden Seiten die verdickten Wandungsbereiche 12a nach innen gedrückt werden, und die Rastfedern so von einem Gegenstück gelöst werden.
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4 zeigt eine vierte Möglichkeit, die Sensorvorrichtung 1 auszubilden, wobei der elastische Abschnitt 6 wiederum glattzylindrisch ist. Der Befestigungsabschnitt 9 ist als Innengewinde 13b ausgebildet und im Vergleich zu dem als Außengewinde 13a ausgebildeten Befestigungsabschnitt 9 in 1 und 2 im Durchmesser schmaler. Der Befestigungsabschnitt 9 weist hier eine Bohrung 13c auf, durch die der Messfühler 2 geführt ist.
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5 zeigt eine Sensoranordnung, mit dem Gehäuse 5 kurz vor dem Einbau. Hierbei ist ein Messgehäuse 14 vorgesehen, dessen Wandung hier dargestellt ist. Durch eine Bohrung 14a ist ein Schutzrohr 15 geführt, das in der 5 von oben kommend in einen Innenraum A des Messgehäuses 14 hineinragt. Mittels einer Dichtung 16, wie beispielsweise einer Lotnaht oder Schweißnaht, ist das Schutzrohr 15 in der Wandung des Messgehäuses 14 dichtend gehalten. Das Schutzrohr 15 ragt einen vorbestimmten Abstand über die Außenfläche des Messgehäuses 14 hinaus. Die Sensorvorrichtung 1 ist von oben in 5 kommend eingeschoben, so dass der Messfühler 2 mit seiner Spitze in eine Spitze des Schutzrohres 15 hinein ragt. Das Schutzrohr 15 weist an seinem dem Gehäuse 5 zugewandten Ende einen Befestigungsabschnitt 17 auf. In 5 ist der Befestigungsabschnitt 17 mit einem Außengewinde 17a versehen, dessen Steigung so bemessen ist, dass das Innengewinde 13a des Gehäuses 5 nahtlos eingreifen kann. Wie in 5 ersichtlich ist, ist das Gehäuse 5 durch Drehen der beiden Gewinde 13a, 17a bis auf eine beispielhafte letzte Windung eingedreht. Das Gehäuse 5 steht dabei nicht unter Spannung.
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Das Gehäuse 5 reicht von seiner Längsausdehnung im entspannten Zustand nicht bis ganz zur Oberfläche des Messgehäuses 14 hin. Es verbleibt ein Federweg F, um den das Gehäuse 5 zum Messgehäuse 14 im Folgenden Abschluss des Einbaus gedehnt wird.
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Um das Gehäuse 5 nun in seine Einbauposition zu bringen, ist in 6 dargestellt, dass mittels weiterem Eindrehen des Gehäuses 5 der Abstand der letzten Gewindewindung ein Federweg F überwunden wird, der das Gehäuse 5 unter Spannung bringt. Die Länge des Federwegs F ist durch das verwendete Material im Zusammenspiel mit der erforderlichen Abdichtung bestimmt. Durch Zudrehen und damit Befestigen des Gehäuses 5 an dem Befestigungsabschnitt 17 des Schutzrohres 15 wird ein Anpressdruck der Sensorspitze im Schutzrohr 15 gerade durch die elastische Form des Gehäuses 5 bzw. dessen elastische Verformung in Längsrichtung erzeugt. Insbesondere dehnt sich, wie durch die Pfeile in 6 verdeutlicht wird, der elastische Abschnitt 6.
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In 6 ist der elastische Abschnitt 6 im Vergleich zur 5 dünner dargestellt. Die Gehäusedeckfläche 8, die den elektrischen Anschluss 4 umgibt, drückt auf die Oberseite des Lagers 10. Durch Zudrehen des Gewindes 13a am Befestigungsabschnitt 17 wird somit der Anpressdruck erzeugt. Neben einer festen Halterung des Sensorinnenteils bestehend im Wesentlichen aus Messfühler 2 und Elektronikeinheit 3 wird die gesamte Struktur fest im Gehäuse gehalten und abgedichtet. So ist durch die Verformung des Gehäuses 5 einerseits gegeben, dass sich eine Abdichtung zwischen elektrischem Anschluss 4 und der Elektronikeinheit 3 ergibt, sowie andererseits eine Abdichtung zur Bohrung 14a im Gehäuse 14 zwischen Schutzrohr 15 und dem Sensorinnenteil. Eine separate Dichtung, wie beispielsweise ein Dichtring wird nicht mehr benötigt.
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6 bis 8 zeigen hierbei unterschiedliche Gehäuseformen in ihrem eingebauten Zustand. Wie beschrieben, ist in 6 eine Befestigung mittels zweier zueinander korrespondierender Gewinde vorgesehen.
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In 7 ist ein Gehäuse 5 gemäß 3 dargestellt, wobei sich die Rasthaken 12 unter die Befestigungsvorrichtung 17, die hier die Form eines zylindrischen Blocks aufweist, einhaken. Eine Bedienung der Rasthaken 12 erfolgt hierbei über die verdickt ausgebildete Wandungsbereiche 12a, die mittels seitlichen Eindrücken einfach die Rasthaken 12 aus ihrer Position lösen können. Zum Einbau wird hierbei einfach mittels der verdickten Wandung 12a das Gehäuse 5 nach unten gezogen, wonach die Rasthaken 12 einfach einrasten. Wie die Pfeile verdeutlichen, erfolgt eine Dehnung des Gehäuses 5 vor allen Dingen im elastischen Abschnitt 6. Die Ausdehnung des elastischen Abschnitts 6 ist hierbei abhängig von der Länge des zu überwindenden Federwegs F und auch des Gehäuses 5 selbst. Auch hier ergibt sich wiederum eine Federwirkung durch die Elastizität bzw. die elastische Verformung des Gehäuses 5.
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8 zeigt eine Gehäuseform aus 4, wobei der Befestigungsabschnitt 9 des Gehäuses 5 ein Innengewinde 13b ist. Das Innengewinde 13b greift in den Befestigungsabschnitt 17 des Schutzrohres 15, hier ein Außengewinde 18 ein. Eine Federwirkung des gesamten Gehäuses wird auch hier wieder über den elastischen Abschnitt 6 ermöglicht. Um das Gehäuse 5 korrekt in der Befestigungsvorrichtung 17 zu befestigen, wird das Gehäuse 5 über das Außengewinde 13b in das Innengewinde 18 einfach eingeschraubt. Sind beide Gewinde vollständig miteinander verbunden bzw. eingedreht, ergibt sich wie schon beschrieben eine Dehnung des elastischen Abschnitts 6 in den durch die Pfeile gezeigten Bereich, wodurch der Anpressdruck auf die Sensorspitze im Schutzrohr erzeugt wird.
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Dadurch, dass das gesamte Gehäuse
5 aus dem elastischen Material hergestellt sein kann, können der Messfühler
2 sowie dessen Elektronik
3 optimal nach außen hin abgedichtet werden. Bezugszeichenliste
| 1 | Sensorvorrichtung |
| 2 | Messfühler |
| 3 | Elektronikeinheit |
| 4 | Elektrischer Anschluss |
| 5 | Gehäuse |
| 6 | Elastischer Abschnitt |
| 7 | Faltenbalg |
| 8 | Gehäusedeckfläche |
| 9 | Befestigungsabschnitt Gehäuse |
| 10 | Lager |
| 11 | Feder |
| 12 | Rasthaken |
| 12a | verdickter Wandungsbereich |
| 13a | Innengewinde |
| 13b | Außengewinde |
| 14 | Messgehäuse |
| 15 | Schutzrohr |
| 16 | Dichtung |
| 17 | Befestigungsabschnitt Schutzrohr |
| 17a | Außengewinde |
| 17b | Innengewinde |
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