DE102021127942B4

DE102021127942B4 - Temperatursensor und Durchflussmessgerät

Info

Publication number: DE102021127942B4
Application number: DE102021127942.9A
Authority: DE
Inventors: Patrick Werner; Ralf Kriesen
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: DE102021127942A1

Abstract

Temperatursensor zur Bestimmung einer Temperatur eines Mediums, mit einem Gehäusekörper (2) und einem Gehäusekopf (3), in welchem ein Temperaturfühler (10) angeordnet ist,wobei das Innere des Gehäusekörpers (2) als Bohrung (4) ausgebildet ist, welche sich bis in den Gehäusekopf (3) erstreckt,und wobei der Temperaturfühler (10) zur elektrischen Kontaktierung mit wenigstens zwei Litzen (11) verbunden ist und die Litzen (11) durch die Bohrung (4) vom Gehäusekopf (3) durch den Gehäusekörper (2) geführt sind,wobei in die Bohrung (4) ein längsgestreckter Kunststoffträger (20) eingeführt ist, durch den die Litzen (11) geführt sind und an dessen dem Gehäusekopf (3) zugewandten Ende der Temperaturfühler (10) angeordnet ist,wobei der Kunststoffträger (20) an dem vom Gehäusekopf (3) entgegengesetzten Ende mit dem Gehäusekörper (2) verbunden ist und eine definierte Vorspannung auf den Temperaturfühler (10) erzeugt und wobei der Kunststoffträger (20) eine schulterartige Verbreiterung (21) aufweist und die Gehäusewandung des Temperatursensors (1) zwei gegenüberliegende schlitzartige Ausnehmungen (5) aufweist, wobei die schulterartige Verbreiterung (21) des Kunststoffträgers (20) jeweils in die schlitzartigen Ausnehmungen (5) eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Messgeräte der Prozessmesstechnik werden in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt, die Eigenschaften eines Fluids, bspw. hinsichtlich Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand zu überwachen. Zur Messung des Durchflusses sind seit vielen Jahren magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte bekannt. Die Funktionsweise dieser Messgeräte beruht auf dem Prinzip der magnetischen Induktion. Hierbei wird die Durchflussmenge des Mediums durch ein Messrohr unter Zuhilfenahme eines Magnetfeldes sowie zweier Messelektroden bestimmt. Das Magnetfeld durchdringt bei der Messung das Messrohr und gleichzeitig das durch das Messrohr fließende Medium. Wird ein elektrisch leitendes Medium von einem Magnetfeld senkrecht zu dessen Durchflussrichtung durchdrungen, werden die Ladungsträger im Magnetfeld senkrecht zur Durchflussrichtung und senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt. Dabei wird eine induzierte Spannung zwischen den beiden Messelektroden induziert. Wenn diese induzierte Spannung über die Messelektroden abgegriffen wird, kann diese als Maß für die Durchflussmenge zur weiteren Auswertung herangezogen werden.
Neben der Durchflussmessung kann es notwendig sein, auch die Temperatur des durchfließenden Mediums zu erfassen, um Temperatureinflüsse zu kompensieren. Die Temperatur hat bekannterweise einen zum Teil erheblichen Einfluss auf die physikalisch-chemische Beschaffenheit des Mediums, was wiederum einen Einfluss auf das Messergebnis haben kann. Ist die Temperatur des Mediums bekannt, können entsprechende Korrekturfaktoren ermittelt werden, die die Messergebnisse bei unterschiedlichen Temperaturzuständen vergleichbar machen.
Aus dem deutschen Patent DE 10 2010 001 993 B4 ist bspw. ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einer Temperaturmessvorrichtung bekannt, wobei neben der Temperaturmessung auch noch eine Messung einer Mindestleitfähigkeit möglich ist.
Ferner ist aus der DE 10 2012 109 312 A1 ein Temperatursensor und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgeräte mit einem solchen Temperatursensor bekannt. Der Temperatursensor besteht dabei im Wesentlichen aus einem Gehäusekörper und einem Gehäusekopf, in welchem ein Temperaturfühler bzw. Temperaturelement angeordnet ist. Das Gehäuse weist eine sich durch das gesamte Gehäuse des Temperatursensors bis zum Gehäusekopf erstreckende Bohrung auf. Als nachteilig ist hierbei die Montage des Temperaturfühlers innerhalb dieser Bohrung anzusehen. Zum einen muss sichergestellt sein, dass der Temperaturfühler vollständig und unmittelbar auf der Innenseite des Gehäusekopfes aufliegt, um eine weitgehend verlustfreie thermische Kopplung sicherzustellen. Andererseits ist das Einfädeln des Temperaturfühlers und den zwei verbundenen Litzen sehr umständlich, insbesondere, da der Durchmesser des gesamten Temperatursensors typischerweise nur wenige Millimeter beträgt.
Aus der DE 39 43 437 A1 ist ein Wärmeübergangsmessgerät bekannt, bei dem eine gute thermische Ankopplung des Temperaturfühlers an den Boden des Messgerätgehäuses dadurch erreicht wurde, dass ein längsgestreckter Kunststoffträger axial zwischen dem Boden des Messgerätgehäuses und einem am offenen Ende des Messgerätgehäuses angebrachten Widerlager eingespannt und dadurch der zwischen dem Ende des Kunststoffträgers und dem Boden des Messgerätgehäuses angeordnete Temperaturfühler an den Boden angedrückt wird.
Des Weiteren werden Temperaturfühler zur thermischen Anbindung zumeist in das Gehäuse des Temperatursensors eingelötet oder eingeklebt. Hierfür ist beim Löten eine vergleichsweise teure Metallisierung des Temperaturelementes und eine Kupferbeschichtung der Innenseite des Temperatursensorgehäuses notwendig. Auch das Einkleben stellt sich insbesondere bei den genannten kleinen Bauformen als sehr aufwendig dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Temperatursensor vorzuschlagen, der einfach und preisgünstig herstellbar ist und bei dem darüber hinaus auch bei kleinen Gehäuseformen der Temperaturfühler sicher und dauerhaft mit dem Sensorgehäuse thermisch gekoppelt ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Temperatursensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Zunächst ist in die Bohrung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein längsgestreckter Kunststoffträger eingeführt, durch den die Litzen geführt sind und an dessen dem Gehäusekopf zugewandten Ende der Temperaturfühler angeordnet ist, wobei der Kunststoffträger an dem vom Gehäusekopf entgegengesetzten Ende mit dem Gehäusekörper verbunden und fixiert ist. Vorteilhafterweise ist diese Verbindung dergestalt, dass der Kunststoffträger unter Vorspannung in die Bohrung eingeführt ist, vorzugsweise mittels einer auf den Gehäusekörper aufgeschraubten Mutter.
Dadurch werden folgende drei vorteilhafte Funktionen erfüllt:

- der Kunststoffträger fungiert als Halteelement für die Litzen, so dass diese geführt und fixiert sind und sich dadurch auch eine Zugentlastung realisieren lässt;
- der Kunststoffträger stellt eine Einführhilfe dar, so dass das Einführen der Litzen zusammen mit dem Temperaturfühler vor allem bei sehr kleinen Bohrungen von bspw. 1,5 - 2,5 mm erheblich erleichtert wird;
- der Kunststoffträger wirkt als Niederhalter, da er durch eine gewisse Elastizität des Kunststoffmaterials und durch die Verschraubung eine dauerhafte Vorspannung auf das Temperaturelement erzeugt und somit garantiert wird, dass das Temperaturelement auch über Temperaturwechsel auf den Boden der Bohrung im Gehäusekopf drückt und eine dauerhafte thermische Kopplung sichergestellt ist.

Der Kunststoffträger ist vorteilhafterweise aus einem Hochtemperatur-Kunststoff ausgeführt und als Spritzgussteil hergestellt. Mögliche konkrete Werkstoffe wären bspw. PEEK, PPS, PA6T oder PPSU.
Erfindungsgemäß weist der Kunststoffträger eine schulterartige Verbreiterung und gleichzeitig die Gehäusewandung des Temperatursensors zwei gegenüberliegende schlitzartige Ausnehmungen auf. Hierdurch kann auf einfache Weise definierte Ausrichtung sowie eine Verdrehsicherung des Kunststoffträger realisiert werden und andererseits dient die Verbreiterung als Schulter für den Anpressdruck der Mutter.
Weiterhin weist der Kunststoffträger im Bereich der schlitzartigen Ausnehmungen vorteilhafterweise eine weitere, etwas über dem Außendurchmesser des Gehäusekörpers liegende Verbreiterung auf. Die Mutter furcht sich dann beim Aufschrauben in diese weitere Verbreiterung des Kunststoffträgers ein, wodurch eine Gewindesicherung für den zuverlässigen Betrieb unter Schock und Vibrationen realisiert wird.
Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist, diesen als Elektrode in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät einzusetzen. Das Gehäuse des Temperatursensors bildet dann die für die Durchflussmessung notwendigen Messelektroden, über die die durch die Strömung des Mediums im Magnetfeld induzierte Spannung abgegriffen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 einen erfindungsgemäßen Temperatursensor;
2a ein erstes Schnittbild eines erfindungsgemäßen Temperatursensors;
2b ein zweites Schnittbild eines erfindungsgemäßen Temperatursensors;
3 einen erfindungsgemäßen Temperatursensor in Explosionsdarstellung;
4 eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensors.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt den erfindungsgemäßen Temperatursensor 1 in Form einer Elektrode für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zum Abgriff einer strömungsbedingt induzierten Spannung. Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte messen den Durchfluss eines strömenden, leitfähigen Mediums in einem aus einem nicht leitenden Werkstoff bestehenden Messrohr. Mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung wird ein das Messrohr senkrecht zur Längsachse des Messrohrs durchsetzendes Magnetfeld erzeugt und mit zwei Messelektroden eine in dem strömenden Medium induzierte Messspannung abgegriffen. Dabei sind die Messelektroden entlang einer senkrecht zur Längsachse des Messrohres und senkrecht zur Magnetfeldrichtung verlaufenden Verbindungslinie angeordnet.
Der Temperatursensor 1 besteht im Wesentlichen aus einem metallischen Gehäuse, welches sich in einen Gehäusekörper 2 und Gehäusekopf 3 unterteilt, sowie einem in dem Gehäusekörper 2 befindlichen Kunststoffträger 20, der mittels einer Mutter 6 in dem Gehäusekörper 2 fixiert ist. Bei Verwendung des Temperatursensors in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät befindet sich der Gehäusekörper 2 dann zumindest teilweise in der Wandung des Durchflussmessgeräts und der Gehäusekopf 3 ist galvanisch mit dem zu messenden Medium gekoppelt.
Aus dem Kunststoffträger 20 führen zwei Litzen 11, die einen im Inneren des Temperatursensors 1 befindlichen Temperaturfühler 10 elektrisch kontaktieren.
Die 2a und 2b zeigen je ein Schnittbild des erfindungsgemäßen Temperatursensors 1 aus zwei um 90° verdrehten Ansichten.
Das Innere des Gehäusekörpers 2 wird durch eine Bohrung 4 gebildet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von nur 2,4 mm aufweist. In dieser Bohrung befindet sich ein Kunststoffträger 20, an dessen dem Gehäusekopf 3 zugewandten Ende ein Temperaturelement 10 angeordnet ist. Außerdem sind die Litzen 11 durch den Kunststoffträger 20 geführt. Das Temperaturelement 10 besteht typischerweise aus Keramik.
Der Kunststoffträger 20 ist an dem vom Gehäusekopf 3 entgegengesetzten Ende mit dem Gehäusekörper 2 fest verbunden, derart, dass der Kunststoffträger 20 axial unbeweglich in der Bohrung eingespannt und dadurch das Temperaturelement 10 auch über Temperaturwechsel auf den Boden der Bohrung 4 im Gehäusekopf 3 drückt und damit eine dauerhafte thermische Kopplung sicherstellt. Der Kunststoffträger 10 wirkt somit als Niederhalter. Vorteilhafterweise ist diese Verbindung dergestalt, dass der Kunststoffträger 10 unter Vorspannung in die Bohrung eingeführt ist, vorzugsweise wie in den 2a und 2b dargestellt mittels einer auf den Gehäusekörper 3 aufgeschraubten Mutter 6. Das Anziehen der Mutter 6 erfolgt vorteilhafterweise mit einem definierten Drehmoment.
Durch die Geometrie des Kunststoffträgers 20 wird eine planparallele Ausrichtung des Temperaturfühlers 10 auf dem Boden der Bohrung 4 im Gehäusekopf 3 garantiert. Winkelabweichungen des Temperaturfühlers 10 bei der Vormontage im Kunststoffträger 20 werden durch den Fügeprozess wie bei einem Gelenk ausgeglichen. Durch das Aufschrauben der Mutter 6 wird die Vorspannung auf den Temperaturfühler 10 generiert.
Zusätzlich furcht sich die Mutter 6 bei den letzten Umdrehungen in den Kunststoffträger 20 ein, was eine Gewindesicherung der Mutter 6 für den zuverlässigen Betrieb unter Schock und Vibrationen darstellt. Hierfür weist der Kunststoffträger 20, wie aus 2b ersichtlich, im Bereich der schlitzartigen Ausnehmungen 5 eine weitere, etwas über dem Außendurchmesser des Gehäusekörpers 2 liegende Verbreiterung auf, in die dann die Mutter 6 eingreift.
Die spezielle T-Form des Kunststoffträgers 20 in Form einer schulterartigen Verbreiterung 21 dient für den Anpressdruck der Mutter 6. Die Wandung des Gehäusekörpers 2 weist zwei gegenüberliegende schlitzartige Ausnehmungen 5 auf (siehe 1 und 3), in die die schalterartige Verbreiterung 21 des Kunststoffträgers 20 jeweils eingreift. Dadurch lässt sich zusätzlich eine Verdrehsicherung in dem Gehäusekörper 2 realisieren.
In 2b ist zudem ersichtlich, dass die schulterartige Verbreiterung 21 nicht auf dem Gehäusekörper 2 aufliegt, sondern minimal beabstandet ist. Dieser Abstand ist für den Toleranzausgleich notwendig.
3 zeigt nochmals alle Einzelelemente des Temperatursensors 1, d.h. der Gehäusekörper 2 mit Gehäusekopf 3, der Temperaturfühler 10 mit den Litzen 11, der Kunststoffträger 20 sowie die Mutter 6 in einer Explosionsdarstellung.
In 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Temperatursensors 1 dargestellt, bei der der Temperaturfühler 10 gegenüber der Ausführung gemäß den vorherigen Figuren um 90° nach oben gedreht ist. Dadurch kann die Bohrung 4 und damit auch der Temperatursensor 1 an sich noch schmaler ausgestaltet sein.
Bezugszeichenliste

1: Temperatursensor
2: Gehäusekörper
3: Gehäusekopf
4: Bohrung
5: schlitzartige Ausnehmung
6: Mutter
10: Temperaturfühler
11: Litze
20: Kunststoffträger
21: schulterartige Verbreiterung

Claims

Temperatursensor zur Bestimmung einer Temperatur eines Mediums, mit einem Gehäusekörper (2) und einem Gehäusekopf (3), in welchem ein Temperaturfühler (10) angeordnet ist, wobei das Innere des Gehäusekörpers (2) als Bohrung (4) ausgebildet ist, welche sich bis in den Gehäusekopf (3) erstreckt, und wobei der Temperaturfühler (10) zur elektrischen Kontaktierung mit wenigstens zwei Litzen (11) verbunden ist und die Litzen (11) durch die Bohrung (4) vom Gehäusekopf (3) durch den Gehäusekörper (2) geführt sind, wobei in die Bohrung (4) ein längsgestreckter Kunststoffträger (20) eingeführt ist, durch den die Litzen (11) geführt sind und an dessen dem Gehäusekopf (3) zugewandten Ende der Temperaturfühler (10) angeordnet ist, wobei der Kunststoffträger (20) an dem vom Gehäusekopf (3) entgegengesetzten Ende mit dem Gehäusekörper (2) verbunden ist und eine definierte Vorspannung auf den Temperaturfühler (10) erzeugt und wobei der Kunststoffträger (20) eine schulterartige Verbreiterung (21) aufweist und die Gehäusewandung des Temperatursensors (1) zwei gegenüberliegende schlitzartige Ausnehmungen (5) aufweist, wobei die schulterartige Verbreiterung (21) des Kunststoffträgers (20) jeweils in die schlitzartigen Ausnehmungen (5) eingreift.
Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Kunststoffträger (20) und Gehäusekörper (2) über eine aufgeschraubte Mutter (6) realisiert ist.
Durchflussmessgerät mit einem Messrohr und einer Vorrichtung zur Ermittlung der Durchflussgeschwindigkeit und/oder des Volumendurchflusses eines Mediums in dem Messrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchflussmessgerät einen Temperatursensor gemäß Anspruch 1 aufweist.