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Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Gehäuse und einem Montagestück nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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In manchen Anwendungen ist gewünscht, dass ein fest montierter Sensor weiterhin drehbar bleibt. Das kann dazu genutzt werden, ihn auf ein Ziel auszurichten, oder um für bessere Lesbarkeit einer Anzeige zu sorgen. Dazu ist der Sensor zweiteilig aufgebaut, mit einem Gehäuse und einem Montagestück, die gegeneinander verdreht werden können.
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In der Automatisierungstechnik werden Sensoren zur Überwachung von Prozessgrößen wie Füllstand, Durchfluss, Temperatur oder Druck eingesetzt. Das Montagestück wird hier als Prozessanschluss bezeichnet und beispielsweise in einen Anschluss an einem Behälter eingeschraubt, in dem Prozessgrößen überwacht werden sollen.
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Häufig werden wegen der Beständigkeit gegen äußere Einflüsse metallische Bauteile eingesetzt. Es besteht dann eine ganze Reihe von Anforderungen an die Verbindung. Gehäuse und Montagestück sollen gegeneinander verdrehbar sein, jedoch weder in axialer noch radialer Richtung Spiel aufweisen. Das Reiben metallischer Flächen aufeinander ist zu vermeiden, da es eine schlechte Haptik bietet und die Gefahr des Festfressens besteht. Das Losdrehmoment darf nicht zu klein sein, um ein unerwünschtes Verdrehen zu vermeiden, das schon durch Vibrationen ausgelöst werden könnte. Um die Bauteile wirtschaftlich herzustellen, dürfen keine zu engen Fertigungstoleranzen vorgegeben werden.
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Es ist bekannt, elastische Dichtelemente wie O-Ringe in dem Verbindungsbereich einzusetzen, um Toleranzen auszugleichen und zugleich eine wasserdichte Verbindung sicherzustellen. Je nach Toleranzlage gelingt es damit bisher recht gut, radiales Spiel zu unterdrücken, aber nur eingeschränkt, ein axiales Spiel zu verhindern. Muss nämlich der O-Ring zu stark verpresst werden, um die axialen Toleranzen auszugleichen, so schränkt dies die gewünschte Drehbarkeit der Verbindung ein.
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Aus der
DE 10 2009 028 662 A1 ist eine Anordnung zur Verbindung eines Messgeräts mit einem das zu messende Medium enthaltenden Behältnis bekannt. Diese Verbindung ist dicht, aber nicht drehbar. Damit stellt sich auch das Problem des axialen Toleranzausgleichs nicht oder jedenfalls in wesentlich geringerem Ausmaß. Das Dichtelement der
DE 10 2009 028 662 A1 soll ein hohes Elastizitätsmodul aufweisen, mit dem es sich aber kaum verformen und Toleranzen aufnehmen könnte.
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Die
DE 10 2012 221 270 A1 offenbart eine Hochdruckdichtung für die Prozessmesstechnik. Dabei ist zum radialen Abdichten eine Nut mit einer Schräge vorgesehen. In der Nut sitzt ein O-Ring, während der sich durch die Schräge verjüngende Spalt mit einem keilförmigen Stützring abgedichtet ist. Der Stützring verhindert ein Verformen des O-Rings. Eine Drehbarkeit der Verbindung ist auch hier nicht vorgesehen, und wegen seiner radialen Position sowie der verhinderten Verformbarkeit ist der O-Ring nicht geeignet, Toleranzen aufzunehmen, erst recht keine axialen Toleranzen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte drehbare Verbindung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere zwischen dem Gehäuse und dem Montagestück eines Sensors zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit einem Gehäuse und einem Montagestück nach Anspruch 1 gelöst. Gehäuse, insbesondere Sensorkopf, und Montagestück, insbesondere Prozessanschluss, sind im verbundenen Zustand gegeneinander drehbar. Beim Drehen bleibt die Verbindung erhalten, sie löst sich nicht wie eine einfache Schraubverbindung. In einem Verbindungsbereich ist eine Nut mit einem elastischen Element vorgesehen. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Nut mit mindestens einer schrägen Fläche zu versehen. Wenn nun beim Schaffen der Verbindung auf das elastische Element je nach axialen Toleranzen unterschiedlicher Druck ausgeübt wird, kann das elastische Element entsprechend in der Nut ausweichen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass auch große Toleranzschwankungen ausgeglichen werden können. Die Verbindung bleibt drehbar, da das elastische Element nicht zu stark verpresst wird. Dabei können Normteile eingesetzt werden, beispielsweise ein O-Ring als elastisches Element.
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Die Nut ist vorzugsweise an dem Gehäuse oder an dem Montagestück angeordnet. Der Beitrag von Gehäuse und Montagestück zu der Verbindung ist weitgehend austauschbar. Denkbar ist auch, dass jeweils eine Nut an dem Gehäuse und dem Montagestück eine gemeinsame Nut bilden. Daraus ergeben sich auch entsprechende Möglichkeiten, schräge Flächen zu bilden: Wenn es nur eine Nut gibt, dann weist sie natürlich die erfindungsgemäße schräge Fläche auf. Bei einer gemeinsamen Nut können schräge Flächen am Gehäuse, am Montagestück oder an beidem vorgesehen sein, um ausreichend Raum zum Ausweichen für das elastische Element zu schaffen.
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Das Gehäuse weist bevorzugt ein Adapterteil auf, welches den gehäuseseitigen Anteil des Verbindungsbereichs bildet. Es ist also nicht das eigentliche Gehäuse, das die Verbindung eingeht, sondern ein Adapterteil als Zwischenstück. Es können weitere Zwischenstücke vorgesehen sein, ebenso wie umgekehrt das Gehäuse mit dem Adapterteil einstückig ausgebildet werden kann.
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Das Montagestück weist bevorzugt ein Übergangsstück auf, welches den montageseitigen Anteil des Verbindungsbereichs bildet. Das Übergangsstück ist die Entsprechung des Adapterteils auf Seiten des Montagestücks. Auch hier können weitere Zwischenstücke vorgesehen oder umgekehrt Montagestück und Übergangsstück einstückig ausgebildet sein.
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Gehäuse und Montagestück sind bevorzugt aus Metall, insbesondere Edelstahl hergestellt. Damit sind sie robust gegenüber äußeren Einflüssen einschließlich solchen der Anwendung oder des Prozesses, an dem der Sensor als Messgerät eingesetzt ist. Alternativ ist denkbar, das Gehäuse und/oder Montagestück zumindest teilweise aus Kunststoff herzustellen.
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Gehäuse und Montagestück sind bevorzugt zumindest im Verbindungsbereich rotationssymmetrisch um eine zentrale Achse geformt. Der Sensor hat gleichsam eine zumindest stückweise zylindrische Form. Das erleichtert auch das Zusammenbauen oder Einbauen durch Schraubverbindungen. Gehäuse und Montagestück weisen bevorzugt im Verbindungsbereich jeweils eine Planfläche senkrecht zu der zentralen Achse auf, die einander gegenüberliegen, wobei die Nut in der Planfläche angeordnet ist. Die Planflächen bilden zunächst einen axialen Anschlag für die Verbindung. Die Planfläche ist ein geeigneter Ort, um mittels Nut und elastischem Element axiale Toleranzen effektiv und vollständig auszugleichen.
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Zumindest über einen Ringanteil des Verbindungsbereichs umschließt das Gehäuse bevorzugt das Montagestück ringförmig oder umgekehrt. Auch dadurch wird die Verbindung stabilisiert.
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In dem Ringanteil ist bevorzugt mindestens eine weitere Nut mit einem Dichtelement angeordnet. Das Dichtelement, das ebenfalls ein O-Ring sein kann, sorgt für radialen Toleranzausgleich und Dichtigkeit. Denn das elastische Element in der Nut mit schräger Fläche, insbesondere wenn diese Nut in einer Planfläche senkrecht zur zentralen Achse angeordnet ist, kann nur sehr eingeschränkt für radialen Ausgleich sorgen. Außerdem ist dort die Dichtwirkung nicht vollständig, da das elastische Element in den durch die schräge Fläche geschaffenen Raum ausweichen kann. Das ist eine von der Erfindung gewollte oder zumindest in einigen Ausführungsformen in Kauf genommene Trennung der Funktionen, in der die Nut mit schräger Fläche in erster Linie dem axialen Toleranzausgleich dient.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine Skizze zum Veranschaulichen einer drehbaren Verbindung ohne Spiel in axialer Richtung;
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2 eine schematische Darstellung eines Füllstandssensors, dessen Gehäuse gegenüber einem Montagestück und damit dem Behälter drehbar bleibt;
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3 eine schematische Schnittdarstellung zweier drehbar verbundener Bauteile zur Erläuterung der Problemstellung des axialen Toleranzausgleichs;
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4 eine Schnittdarstellung der drehbaren Verbindung zweier Bauteile in einer herkömmlichen Lösung mit nicht ausreichendem axialem Toleranzausgleich;
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5 eine Ausschnittdarstellung des Verbindungsbereichs zweier verbundener Bauteile mit einer Plannut, in der es noch zu einer zu starken Verpressung eines elastischen Elements kommt;
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6a–b eine Ausschnittdarstellung des Verbindungsbereichs zweiter verbundener Bauteile mit einer Nut mit schräger Fläche, in der das elastische Element ausweichen kann; in 6a in einer Situation mit maximalem, in 6b mit minimalem axialem Spiel; und
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7 eine Schnittdarstellung der drehbaren Verbindung zweier Bauteile in einer Ausführungsform der Erfindung mit Nut mit schräger Fläche.
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1 zeigt eine Skizze zweier Bauteile, die drehbar miteinander verbunden sind. Beispielsweise handelt es sich um einen Sensor 10 mit einem Gehäuse 12 als erstes Bauteil und einem Montagestück 14 als zweites Bauteil. In dem Gehäuse 12 befindet sich der Sensorkopf, also beispielsweise zumindest ein Teil der Mess- und Auswertungselektronik sowie Elektronik und Bedienelemente für den Austausch von Messdaten und Parametrierungen. Der Sensor 10 kann durch Fühlelemente und externe Teile der Messelektronik ergänzt werden. Das Montagestück 14 dient dazu, den Sensor 10 in einer Anwendungsposition zu montieren, und ist insbesondere ein Prozessanschluss.
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Die beiden Bauteile sind im verbundenen Zustand gegeneinander verdrehbar, wie dies in 1 durch Pfeile 16 angedeutet ist. Das kann dazu dienen, den Sensor 10 auf ein Messobjekt auszurichten oder eine Anzeige beziehungsweise Bedienelemente in eine geeignete Orientierung zu bringen. Trotz der Verdrehbarkeit soll aber die Verbindung kein Spiel in radialer oder axialer Richtung aufweisen. Dabei sind auch Fertigungstoleranzen insbesondere der mit einem weiteren Pfeil 18 bezeichneten axialen Ausdehnung von Gehäuse 12 und Montagestück 14 zu berücksichtigen.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Montage des Sensors 10 an einem Behälter 20. Die drehbare Verbindung ermöglicht, das Gehäuse 12 relativ zu dem Behälter 20 zu drehen. Der Sensor 10 ist beispielhaft als Füllstandssensor mit einer TDR-Sonde 24 gezeigt, mit deren Hilfe der Füllstand 24 eines Mediums 26 in dem Behälter 20 gemessen wird. Stattdessen könnte der Sensor 10 den Füllstand auch nach einem anderen Messprinzip bestimmen, oder eine andere Messgröße wie nicht abschließend einen Durchfluss, einen Druck oder eine Temperatur messen. Auch die Montage des Sensors 10 an einem Behälter 20 ist als Beispiel zu verstehen.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der beiden drehbar verbundenen Bauteile Gehäuse 12 und Montagestück 14. In der Praxis kann es sein, dass Gehäuse 12 und Montagestück 14 nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern über Zwischenstücke. Dann zeigt 3 nicht Gehäuse 12 und Montagestück 14 selbst, sondern beispielsweise einen mit dem Gehäuse 12 verbundenen Adapterteil, insbesondere Ringadapter, und eine mit dem Montagestück verbundene Aufnahme beziehungsweise ein Übergangsstück. Für die Erläuterung der drehbaren Verbindung spielt es keine Rolle, ob solche Zwischenstücke vorhanden sind, sie werden vereinfachend weiterhin als Gehäuse 12 und Montagestück 14 bezeichnet und könnten tatsächlich auch einstückig als untere beziehungsweise obere Endbereiche von Gehäuse 12 und Montagestück 14 ausgebildet sein.
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Da vorzugsweise Gehäuse 12 und Montagestück 14 zumindest im Verbindungsbereich rotationssymmetrisch ausgebildet sind, ergibt sich aus 3, dass das Gehäuse 12 das Montagestück 14 über einen Ringanteil 30 ringförmig umgibt, wobei im unteren Verbindungsbereich jeweils abschließende Planflächen senkrecht zu einer zentralen Achse a aufeinander liegen. Die Rollen von Gehäuse 12 und Montagestück 14 in dem Verbindungsbereich können auch vertauscht sein, was auch für die noch im Folgenden erläuterten Ausgestaltungen gilt. Oben am Verbindungsbereich ist ein Sicherungsring 32 vorgesehen.
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Soll nun in dem Verbindungsbereich ein elastisches Element, wie ein O-Ring, zum Axialausgleich eingesetzt werden, so muss dieses sowohl das durch Toleranzen bedingte minimale wie auch das maximale, in 3 durch einen Pfeil 34 angedeutete Spiel ausgleichen. Dabei gibt das maximale Spiel den maximalen Toleranzausgleich und die Dimensionierung des elastischen Elements vor. Diese Dimensionierung muss auch bei minimalem Spiel funktionieren, d.h. die Verpressung des elastischen Elements muss immer noch so gering sein, dass sich die Verbindung montieren und Gehäuse 12 und Montagestück 14 in verbautem Zustand gegeneinander drehen lassen.
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4 zeigt eine herkömmliche Lösung des in 3 gestellten Problems des axialen Toleranzausgleichs. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in der gesamten Beschreibung die gleichen oder einander entsprechende Merkmale. Auch wenn in 4 die Form von Gehäuse 12 und Montagestück 14 insgesamt komplizierter ist, wird der Verbindungsbereich selbst weiterhin von den Planflächen 28 und dem Ringanteil 30 gebildet. In dem Ringanteil 30 befinden sich eine erste Radialnut 36 und eine zweite Radialnut 38 jeweils mit einem O-Ring 40, 42. Dadurch wird ein radialer Toleranzausgleich geschaffen. Indem die zweite Radialnut 38 im Übergangsbereich zu den Planflächen 28 angeordnet ist, kann auch das axiale Spiel eingeschränkt, jedoch je nach Toleranzlage nicht ausreichend beseitigt werden.
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5 zeigt in einer Ausschnittdarstellung des Verbindungsbereichs eine erste, noch nicht ganz ausreichende Überlegung für den axialen Toleranzausgleich. Dazu wird in der Planfläche 28 des Montagestücks 14, oder alternativ in derjenigen des Gehäuses 12, eine Nut 44 angebracht, in die ein elastisches Element 46 eingelegt oder mit leichter Vorspannung auf deren Innendurchmesser d aufgezogen wird. Ist das elastische Element 46, insbesondere ein O-Ring, als drittes Element zusätzlich zu den O-Ringen 40, 42 in den Radialnuten 36, 38 vorgesehen, so wird der radiale Spielausgleich von dem axialen Spielausgleich getrennt. Gleichzeitig sollte vorzugsweise die zweite Radialnut 38 etwas nach oben in den Ringanteil 30 hinein versetzt werden, da sie nur noch zum Abdichten und radialen Spielausgleich dient. Durch diese Trennung der Funktionen müssen für die Nut 44 und das elastische Element 46 nur noch axiale, nicht mehr radiale Toleranzen in der Toleranzbetrachtung berücksichtigt werden.
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Mit der Nut 44 und dem elastischen Element 46 gelingt es zwar, ein axiales Spiel zu unterdrücken. Es zeigt sich aber, dass bei minimalem Spiel die Verpressung des elastischen Elements 46 zu hoch wird und deshalb die Verbindung von Gehäuse 12 und Montagestück 14 nicht mehr montier- und drehbar ist.
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6 zeigt eine weitere Ausschnittdarstellung der Verbindung nach einer Modifikation der Nut 44, und zwar in 6a bei maximalem und in 6b bei minimalem axialem Spiel, also in den Extremsituationen, welche die Fertigungstoleranzen für die axialen Ausdehnungen von Gehäuse 12 und Montagestück 14 zulassen. Dazu wird nämlich in der Nut 44 eine schräge Fläche 48 angebracht. Je nach Ausführungsform kann sich dadurch die Nut 44 auch in das Gegenlager, also die Planfläche 28 des Gehäuses 12, erstrecken oder nicht. Wie schon mehrfach bemerkt, können Gehäuse 12 und Montagestück 14 im Verbindungsbereich die Rollen tauschen, so dass es beispielsweise auch Ausführungsformen mit einer Nut 44 mit schräger Fläche 48 in dem Gehäuse 12 und keiner Nut oder nur einer schrägen Fläche in dem Montagestück 14 gibt.
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Bei maximalem Spiel wie in 6a wirkt das elastische Element 46 wie in eine Plannut gemäß 5. Das elastische Element 46 steht unter wenig Druck und wird daher keinesfalls zu stark verpresst. Bei minimalem Spiel wie in 6b bewegt sich das Gehäuse 12 im Bereich der Planflächen 28 sehr nahe an das Montagestück 14. In einer Plannut würde nun das elastische Element 46 zu stark verpresst. Durch die eingebrachten Schrägen der schrägen Fläche 48 erhält das elastische Element 46 mehr Raum zur Ausdehnung, in den es ausweichen kann. Der Effekt einer zu starken Verpressung wird also durch die schrägen Flächen 48 vermieden, indem zusätzlicher Ausweichraum für das elastische Element 46 bereitgestellt wird. Deshalb lassen sich Gehäuse 12 und Montagestück 14 unabhängig vom axialen Spiel stets problemlos montieren und drehen.
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7 zeigt abschließend noch einmal eine Schnittdarstellung des Verbindungsbereichs mit einem Gehäuse 12 beziehungsweise dessen Ringadapter und einem Montagestück 14 beziehungsweise dessen Aufnahme in einer realistischeren, komplexeren Formgebung. Dabei sind sowohl die zwei Radialnuten 36, 38 als auch die zusätzliche Nut 44 in der Planfläche 28 mit den erfindungsgemäß in der Nut 44 angebrachten schrägen Flächen 48 vorgesehen. Die einzelnen Merkmale und deren Funktion wurden im Zusammenhang mit den 4 bis 6 bereits erläutert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009028662 A1 [0006, 0006]
- DE 102012221270 A1 [0007]
