DE102018107130A1

DE102018107130A1 - Sensor der Prozessautomatisierungstechnik

Info

Publication number: DE102018107130A1
Application number: DE102018107130.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Fanselow; André Pfeifer; Damian Mayerhofer; Thomas Nagel
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2019-09-26
Also published as: CN110361103B; CN110361103A; US20190293580A1; US10983079B2

Abstract

Die Erfindung offenbart einen Sensor (1) der Prozessautomatisierungstechnik zum Erfassen zumindest einer Messgröße eines Mediums, umfassend: einen Prozessanschluss (2) zum Anbringen des Sensors (1) an ein Behältnis, in dem sich das Medium befindet; zumindest zwei Stege (3a, 3b), welche im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (L) des Sensors (1) verlaufen, wobei die Stege (3a, 3b) vom Prozessanschluss (2) ausgehend mediumsseitig angeordnet sind; und zumindest einen ersten Gehäuseabschnitt (6), der einen Temperatursensor (4) umfasst, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) zwischen den Stegen (3a, 3b) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor der Prozessautomatisierungstechnik zum Erfassen zumindest einer Messgröße eines Mediums.
Das der vorliegenden Anmeldung zugrundeliegende Problem soll kurz anhand eines Leitfähigkeitssensors beschrieben werden. Grundsätzlich betrifft das Problem aber viele Sensoren, welche zur Ermittlung der eigentlichen Zielgröße die Sekundärgröße Temperatur benötigen und dafür ein Temperatursensor verwendet wird.
Für das Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums ist eine simultane Messung der Temperatur des Mediums vonnöten. Bei bestehenden Sensoren ist der zur Erfassung derselben vorgesehene Temperatursensor in einer Einhausung in den Sensor integriert. Die Anmelderin verkauft beispielsweise solche Leitfähigkeitssensoren unter dem Namen „Indumax CLS54D“, siehe beispielsweise https://www.de.endress.com/de/messgeraete-fuer-dieprozesstechnik/fluessigkeitsanalyse-produktuebersicht/leitfaehigkeit-induktivsensor-cls54d, aufgerufen am 13.02.2018 um 14:40 Uhr MEZ.
Die Einhausung des Temperatursensors ist konstruktiv häufig so ausgeführt, dass dieser lateral entlang des Sensors angeordnet ist. In der Folge ist der Temperatursensor - zur Vermeidung mechanischer Beschädigung - kurz und relativ dazu in seinen weiteren Dimensionen groß ausgeführt. Somit kann eine thermische Entkopplung des Temperatursensors vom Sensor an sich nicht in ausreichendem Maße realisiert werden, was die Ansprechzeit der Temperaturmessung negativ beeinflusst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ansprechzeit der Temperaturmessung von Sensoren, welche die Temperatur als Sekundärgröße benötigen zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor, umfassend: einen Prozessanschluss zum Anbringen des Sensors an ein Behältnis, in dem sich das Medium befindet; zumindest zwei Stege, welche im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Sensors verlaufen, wobei die Stege vom Prozessanschluss ausgehend mediumsseitig angeordnet sind; und zumindest einen ersten Gehäuseabschnitt, der einen Temperatursensor umfasst, wobei der erste Gehäuseabschnitt zwischen den Stegen angeordnet ist.
Ein Verbessern der Messperformance ist in der Folge realisierbar, falls der Temperatursensor in eine zu seinen anderen Dimensionen verhältnismäßig lange Einhausung, also den ersten Gehäuseabschnitt, eingebracht wird, und so stärker thermisch entkoppelt wird.
Durch eine Versetzung des Temperatursensors hin zur Mitte des Sensors ergibt sich im Gegensatz zum Stand der Technik eine Freimachung um eine Einhausung, welche dann von den zwei Stegen begrenzt wird. Dadurch wird der Temperatursensor vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Dies ermöglicht, die Einhausung des Temperatursensors zu verlängern und mit einer dünneren Wandstärke auszuführen. Es ergibt sich somit eine schnellere Ansprechzeit der Temperaturmessung durch thermische Entkopplung von dem Sensorgehäuse.
In einer Ausgestaltung ist der erste Gehäuseabschnitt parallel zu den Stegen angeordnet.
In einer Ausgestaltung ist der erste Gehäuseabschnitt am Prozessanschluss angeordnet.
In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor genau zwei Stege und die Stege sind sich gegenüberliegend angeordnet.
In einer Ausgestaltung ist der erste Gehäuseabschnitt in der Mitte zwischen den Stegen angeordnet.
In einer Ausgestaltung ist der erste Gehäuseabschnitt senkrecht zu den Stegen angeordnet.
In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor ein oder mehrere Sensorelemente zum Erfassen der Messgröße, und die Stege verbinden das Sensorelement mit dem Prozessanschluss.
In einer Ausgestaltung ist der erste Gehäuseabschnitt, und damit der Temperatursensor, an dem einem oder mehreren Sensorelementen angeordnet.
In einer Ausgestaltung wird zumindest ein Sensorelement vom zu messenden Medium an- oder durchströmt und der Temperatursensor befindet sich in Flussrichtung des Mediums hinter einem Steg.
In einer Ausgestaltung wird zumindest ein Sensorelement vom zu messenden Medium an- oder durchströmt und der Temperatursensor befindet sich in Flussrichtung des Mediums neben beiden Stegen.
In einer Ausgestaltung ist der Temperatursensor als in eine Leiterplatte eingebetteter Temperatursensor ausgestaltet.
Der Temperatursensor befindet sich also auf einer Zwischenlage der Leiterplatte. Die Leiterplatte wird ebenso zur Kontaktierung weiterer Elemente, etwa der Sensorelemente wie beispielsweise Spulen verwendet. Diese Leiterplatte wird mit anderen Komponenten des Sensors im Kunststoff umspritzt, ohne dass eine nachträgliche Montage eines Temperatursensors erfolgen muss. Dabei wird durch die unmittelbare Anbindung an das Gehäuse des Sensors, das etwa aus Kunststoff gefertigt ist, eine schnelle Ansprechzeit erreicht, welche verbessert werden kann, indem man den Bereich um den Temperatursensor herum nur dünnwandig umspritzt.
Dadurch ergibt sich eine Montage ohne manuelle oder nachträgliche Temperatursensormontage. Es entfällt eine aufwendige Drahtkonfektionierung und Fehlerquellen können entfallen. Weiter ergibt sich eine schnelle Ansprechzeit des Temperatursensors durch direkte Anbindung an das Medium. Es ergeben sich keine Spalten und es werden keine Wärmeleitpasten benötigt.
In einer Ausgestaltung ist der Sensor als Leitfähigkeitssensor ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung umfasst der Leitfähigkeitssensor ein oder mehrere Sensorelemente, insbesondere Elektroden oder Spulen, und die Sensorelemente sind über die Leiterplatte kontaktiert.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors wie obenstehend beschrieben, umfassend zumindest den Schritt: Umspritzen des Temperatursensors in einem Spritzgussverfahren, wobei das Gehäuse des Sensors aus einem Stück entsteht.
In einer Ausgestaltung werden das Sensorelement oder die Sensorelemente mit umspritzt.
In einer Ausgestaltung ist der erste Gehäuseabschnitt als hohler Fortsatz zwischen den Stegen ausgebildet und der Temperatursensor wird in diesen Fortsatz eingeführt und/oder eingepresst.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

1 zeigt eine Ausgestaltung des beanspruchten Sensors.
2 zeigt eine Ausgestaltung des beanspruchten Sensors.
3 zeigt eine Ausgestaltung des beanspruchten Sensors.
4 zeigt eine Ausgestaltung des beanspruchten Sensors.
5 zeigt eine Ausgestaltung des beanspruchten Sensors.
6 zeigt eine Ausgestaltung des beanspruchten Sensors.
7 zeigt eine Ausgestaltung des Temperatursensors.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der beanspruchte Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist unter anderem in 1 dargestellt.
Die Idee soll anhand eines Leitfähigkeitssensors, insbesondere anhand eines induktiven Leitfähigkeitssensors, erläutert werden. Die grundsätzliche Idee ist aber auch auf andere Arten von Sensoren, welche die Temperatur als Sekundärgröße zur Ermittlung der Primärgröße benötigen, anwendbar. Denkbar sind hier verschiedenste Sensoren aus dem Bereich der Prozessautomatisierung wie etwa konduktive Leitfähigkeitssensoren, pH-Sensoren, amperometrische Sensoren etc.
Der Sensor 1 umfasst in 1 ein Gehäuse 8. Das Gehäuse 8 umfasst die gesamte Einhausung des Sensors 1, inklusive erstem und zweitem Gehäuseabschnitt 6, 7 und damit inklusive dem Sensorelement 5 oder der Sensorelemente, Temperatursensor 4 und Prozessanschluss 2.
In einer Ausgestaltung umfasst der zweite Gehäuseabschnitt 7 Elektronik zur Verarbeitung von Messdaten.
Über den Prozessanschluss 2 wird der Sensor 1 an einem Prozessbehältnis, in dem sich das zu messende Medium befindet, angeordnet. Der Sensor 1 umfasst ein oder mehrere Sensorelemente 5, im Beispiel zwei Spulen, zur Erfassung der Primärgröße des Sensors 1. Die Spulen selbst sind nicht sichtbar, sondern befinden sich in einem Gehäuseabschnitt, der mit dem Bezugszeichen „5“ bezeichnet ist. Der Einfachheit halber soll vom „Sensorelement 5“ gesprochen werden. Die Spulen sind beispielsweise als Toroidspulen ausgestaltet.
Der Sensor 1 umfasst einen Temperatursensor 4. Der Temperatursensor 4 ist angeordnet im ersten Gehäuseabschnitt 6. Der erste Gehäuseabschnitt 6 ist zwischen zumindest zwei Stegen, hier genau zwei Stegen 3a und 3b, angeordnet.
Die Stege 3a, 3b verlaufen im Wesentlichen parallel zur Längsachse L des Sensors 1. Der Übersichtlichkeit halber ist die Längsachse L lediglich in 1 eingezeichnet. Der Temperatursensor 4 befindet sich im ersten Gehäuseabschnitt 6. Der erste Gehäuseabschnitt 6 befindet sich somit in jener Ebene, die durch die Achsen der Stege 3a, 3b aufgespannt wird und so durch die Stege geschützt wird. Der erste Gehäuseabschnitt 6 und damit der Temperatursensor 4 befindet sich genau in der Mitte zwischen den Stegen 3a, 3b. Der erste Gehäuseabschnitt 6 ist parallel zu den Stegen 3a, 3b angeordnet. In 1 und 4 ist der erste Gehäuseabschnitt 6 mit dem Temperatursensor 4 am Prozessanschluss 2 angeordnet. Durch eine Versetzung des Temperatursensors 4 hin zur Mitte des Sensors 1 ergibt sich im Gegensatz zum Stand der Technik eine Freimachung um eine Einhausung, also den ersten Gehäuseabschnitt 6, welche dann von den zwei Stegen 3a, 3b begrenzt wird. Dadurch wird der Temperatursensor 4 vor mechanischen Beschädigungen geschützt. Dies ermöglicht die Einhausung, also den ersten Gehäuseabschnitt 6, des Temperatursensors 4 zu verlängern und mit einer dünneren Wandstärke auszuführen. Es ergibt sich somit eine schnellere Ansprechzeit der Temperaturmessung durch thermische Entkopplung von dem Sensorgehäuse.
Bei der Fertigung des Sensorgehäuses 8 wird die Einhausung 6 des Temperatursensors 4 als hohler Fortsatz zwischen den Stegen 3a, 3b ausgebildet. Anschließend wird dann ein Temperatursensor 4 aus Richtung des Prozessanschlusses 2 des späteren Sensors hineingeführt, bzw. eingepresst
Es sind verschieden Ausführungen des Temperatursensors 4 möglich, etwa als PTC-Widerstand, NTC-Widerstand, Platin-Messwiderstand wie ein Pt100, Pt500 oder Pt1000.
Eine Ausführung der Einhausung des Temperatursensors 4 erfolgt durch umspritzen. Dabei wird der Temperatursensor 4, beispielsweise auf einem Träger, in ein Spritzgusswerkzeug eingebracht und anschließend das Gehäuse 6 vermittels Spritzguss gefertigt und der Temperatursensor 4 dabei umspritzt. Gegebenenfalls werden auch die Messelemente 5 dabei umspritzt. Diese Ausführung ermöglicht es, den Temperatursensor 4 sowohl aus Richtung des Prozessanschlusses 2, als auch der des Sensorelementes 5 an den Sensor 1 anzubinden.
Der Temperatursensor 4 kann verschiedenartig ausgestaltet sein. Je nach Art und Form des Temperatursensors 4 ist der erste Gehäuseabschnitt entsprechend angepasst und ausgestaltet.
In 2 haben die Stege 3a, 3b die gleiche Tiefe, d.h. in Blattrichtung, wie das Sensorelement 5. Zudem ist der zweite Gehäuseabschnitt 7 verglichen mit 1 kürzer ausgestaltet.
In 3 ist der erste Gehäuseabschnitt 6 mit dem Temperatursensor 4 am Sensorelement 5 angeordnet. Zudem zeigt 3 eine Ausgestaltung mit dünneren Stegen 3a, 3b. Außerdem zeigt 3 eine Ausgestaltung ohne den zweiten Gehäuseabschnitt 7. Etwaig notwendige Elektronik ist dann auf der mediumsentfernten, also der nicht medienberührenden Seite des Prozessanschlusses 2 angeordnet.
4 zeigt eine Ausgestaltung, die im Vergleich zu 2 nochmals kürzer ist. Zudem fehlt ebenso der zweite Gehäuseabschnitt 7. Der Temperatursensor 4 ist über den ersten Gehäuseabschnitt 6 mit dem Prozessanschluss 2 verbunden.
In 5 ist der Temperatursensor 4 nicht parallel zu den Stegen 3a, 3b angeordnet, sondern senkrecht dazu.
6 zeigt einen Querschnitt einer Ausgestaltung. Das Sensorelement 5 wird vom zu messenden Medium in Flussrichtung F des Mediums durchströmt. Der erste Gehäuseabschnitt 6 samt Temperatursensor 4 befindet sich in Flussrichtung F des Mediums hinter einem Steg 3b. Dadurch ist der Temperatursensor 4 mechanisch besser geschützt, ist aber möglicherweise strömungstechnisch ungünstiger gelegen als in den Ausgestaltungen in den vorherigen Figuren.
Der Temperatursensor 4 ist als in eine Leiterplatte 9 eingebetteter Temperatursensor (englisch: „embedded“) ausgestaltet. 7 zeigt eine solche Leiterplatte 9 in der Draufsicht. Der Temperatursensor 4 befindet sich also auf einer Zwischenlage der Leiterplatte 9. Die Leiterplatte 9 wird ebenso zur Kontaktierung weiterer Elemente, etwa des Sensorelementes 5 wie beispielsweise der Spulen verwendet. Diese Leiterplatte 9 wird mit anderen Komponenten des Sensors 1 im Kunststoff umspritzt, ohne dass eine nachträgliche Montage eines Temperatursensors 4 erfolgen muss. Dabei wird durch die unmittelbare Anbindung an den Sensorkunststoff eine schnelle Ansprechzeit erreicht, welche verbessert werden kann, indem man den Bereich um den Temperatursensor 4 herum nur dünnwandig, etwa 0,6 - 0,8 mm umspritzt.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Prozessanschluss
3a: Steg
3b: Steg
4: Temperatursensor
5: Sensorelement
6: 1. Gehäuseabschnitt
7: 2. Gehäuseabschnitt
8: Gehäuse
9: Leiterplatte
F: Flussrichtung des zu messenden Mediums
L: Längsachse von 1

Claims

Sensor (1) der Prozessautomatisierungstechnik zum Erfassen zumindest einer Messgröße eines Mediums, umfassend: - einen Prozessanschluss (2) zum Anbringen des Sensors (1) an ein Behältnis, in dem sich das Medium befindet, - zumindest zwei Stege (3a, 3b), welche im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (L) des Sensors (1) verlaufen, wobei die Stege (3a, 3b) vom Prozessanschluss (2) ausgehend mediumsseitig angeordnet sind, und - zumindest einen ersten Gehäuseabschnitt (6), der einen Temperatursensor (4) umfasst, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) zwischen den Stegen (3a, 3b) angeordnet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) parallel zu den Stegen (3a, 3b) angeordnet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) am Prozessanschluss (2) angeordnet ist.
Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (1) genau zwei Stege (3a, 3b) umfasst und die Stege (3a, 3b) sich gegenüberliegend angeordnet sind.
Sensor (1) nach Anspruch 4, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) in der Mitte zwischen den Stegen (3a, 3b) angeordnet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) senkrecht zu den Stegen (3a, 3b) angeordnet ist.
Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sensor (1) ein oder mehrere Sensorelemente (5) zum Erfassen der Messgröße umfasst, und die Stege (3a, 3b) das Sensorelement (5) mit dem Prozessanschluss (2) verbinden.
Sensor (1) nach Anspruch 7, wobei der erste Gehäuseabschnitt (6) an dem einem oder mehreren Sensorelementen (5) angeordnet ist.
Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Temperatursensor (4) als in eine Leiterplatte (9) eingebetteter Temperatursensor (4) ausgestaltet ist.
Sensor (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sensor (1) als Leitfähigkeitssensor ausgestaltet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 9 und 10, wobei der Leitfähigkeitssensor ein oder mehrere Sensorelemente (5), insbesondere Elektroden oder Spulen umfasst, und die Sensorelemente (5) über die Leiterplatte (9) kontaktiert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sensors (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend zumindest den Schritt: Umspritzen des Temperatursensors (4) in einem Spritzgussverfahren, wobei das Gehäuse (8) des Sensors (1) aus einem Stück entsteht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Sensorelement (5) oder die Sensorelemente mit umspritzt werden.