CN105699785A - 传感器及用于制造所述传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器及用于制造所述传感器的方法。本发明涉及传感器和制造这种传感器的方法，该传感器特别是传导性的电导率传感器，以确定测量变量、特别是介质的电导率，包括：过程接口，该过程接口主要成形为中空圆柱体，并且由金属、特别是不锈钢制成，过程接口具有至少两个内部段；主要圆柱形形状的传感器元件，该传感器元件主要由陶瓷制成，设有第一部分和第二部分，该第一部分用于将传感器元件引入过程接口中，传感器元件借助该第二部分从过程接口伸出，其中传感器元件的第一部分具有至少两段，其中过程接口和传感器元件的相应的第一段被设计为压配合，并且过程接口和传感器元件的相应的第二段产生间隙。

Description

传感器及用于制造所述传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种传感器和一种用于制造所述传感器的方法，该传感器特别是导电的电导率传感器，以确定测量变量特别是介质的电导率。
背景技术
例如来自WO2010/072483的传导性的电导率传感器是从现有技术公知的。后者包括至少两个电极，其浸入到待测介质中用于测量。为了确定介质的电解电导率，人们确定介质中的电极测量路径的电阻或者导纳。如果电池常数是已知的，该信息然后用于检测测量介质的电导率。电极经由线路或者电缆连接到测量变送器上。后者然后用于基于测量数据来确定电导率。
电极嵌入到传感器元件中。传感器元件依次连接到过程接口。这种传感器元件和过程接口的组合在下面被称为“传感器”。过程连接用于将传感器连接到待测介质。该过程接口可以例如经由配件引入到介质中，例如快速更换配件。
在现有技术下，在传感器元件和过程接口之间的连接点处，边缘，隆起、毛刺，和其它不规则性出现在传感器上。污物、尘土和介质可能粘到这些区域上。结果，这些传感器不适于卫生的要求。
本发明致力于供给符合卫生要求的传感器的任务。特别是，符合对于直接食品接触的FDA、USPClassVI：3A和EHEDG的卫生要求。
发明内容
该任务由传感器解决，该传感器带有：过程接口，该过程接口主要成形为中空圆柱体，并且由金属、特别是不锈钢制成，该过程接口具有至少两个内部段；和主要的圆柱形的传感器元件，该传感器元件主要由陶瓷制成，设有第一区域和第二区域，该第一区域将传感器元件引入过程接口中，传感器元件借助该第二区域从过程接口伸出；其中传感器元件的第一区域具有至少两段，过程接口和传感器元件的相应的第一段被设计为压配合，并且过程接口和传感器元件的相应的第二段产生间隙。
结果，传感器元件可以被引入到过程接口中，而没有边缘、隆起和毛刺，通常没有不规则性，以从而满足标准的卫生要求。
在一个有利的进一步演变中，将间隙设计为接收粘结剂，并且传感器元件被粘结到过程接口上。这增强了传感器元件和过程接口的连接。
在一个优选的布置中，过程接口具有至少一个内部圆柱形的第一段和第二段，第一段具有第一内径，并且第二段具有第二内径，其中第二段布置在过程接口的一个端部，并且第二内径大于第一内径。
有利的，传感器元件的第一部分以至少一个圆柱形的第一段和圆柱形的第二段为特征，使第一段具有第一外径，并且第二段具有至少一个第二外径，使传感器元件的第一外径主要与过程接口的第一内径对应，并且对于传感器元件的第一段和过程接口的第一段设计用于压配合。
优选的是传感器元件的第二段和过程接口的第二段产生间隙。由于传感器元件和过程接口的圆柱形的形式，间隙关于公共的圆柱体轴线轴向延伸。
在一个优选的进一步的演变中，间隙被设计为传感器元件的第二段中的沟槽，其中特别是第二外径小于第一外径。这易于制造并且允许粘结剂的接收。
在一个有利的布置中，过程接口部分具有至少第一外径以及第二外径，其中过程接口在一个端部包括第二外径，并且其中第二外径大于第一外径。通过将较大的外径磨削和/或车削(参见以下)到较小的外径上，可以获得符合卫生要求的传感器元件和过程接口之间的过渡。
在一个有利的实施例中，传感器元件包括至少两个、优选的四个金属电极，并且传感器元件以这种方式设计，使得至少一个电极的前面与介质接触。
有利的，电极设计用于测量测量变量、特别是电导率，并且经由传感器元件和过程接口连接到数据处理单元。这允许使用适当的测量电子器件的测量变量的确定。
通过制造传感器的过程进一步解决该任务，传感器包括过程接口和传感器元件，包括以下步骤：制造过程接口，该过程接口主要成形为中空圆柱体，并且由金属、特别是不锈钢制成，其中过程接口具有至少两个内部段；制造主要圆柱形形状的陶瓷的传感器元件，该传感器元件设有第一部分和第二部分，该第一部分将传感器元件引入过程接口，该第二部分使传感器元件从过程接口伸出，其中传感器元件第一部分具有至少两段，使过程接口和传感器元件的相应的第一段被设计为压配合，并且过程接口和传感器元件的相应的第二段产生间隙；对过程接口和传感器元件去除油脂；以及通过将粘结剂至少引入间隙中并且将传感器元件引入过程接口中，通过粘结将传感器元件结合到过程接口中。
该方法此外优选的包括以下步骤：在烤箱中热处理传感器。由此将粘结剂干燥。
在一个有利的进一步的演变中，过程接口至少部分以第一外径和第二外径为特征，其中过程接口在一个端部包括第二外径，并且其中第二外径大于第一外径。该方法优选地进一步包括以下步骤：磨削和/或车削具有第二外径的过程接口的端部，以及将传感器元件的第二部分磨削到过程接口的第一外径和/或研磨过程接口的端部和传感器元件的第二部分。通过将较大外径磨削和/或车削到较小外径，可以获得符合卫生要求的传感器元件和过程接口之间的过渡。过渡没有边缘、间隙，隆起等。
传感器元件优选地包括至少两个电流电极以及两个电压电极，使交变电流被施加在电流电极之间，其中特别是借助于无电流测量来测量电压电极之间产生的电位差，其中所施加的交变电流和所测量的电位差被用于确定测量变量、特别是介质的电导率。
附图说明
参考以下的附图进一步说明本发明，它们示出：
图1根据本发明的传感器的概览，
图2传感器的一个过程接口，
图3传感器的一个传感器元件，以及
图4a/b/c根据本发明的传感器的剖视图(图4a)，过程接口的端部的磨削之前(图4b)和之后(图4c)的侧视图。
在附图中，相同的特征用相同的附图标记表示。
具体实施方式
根据本发明的传感器整体用附图标记1表示并且示出在图1中。
将基于电导率传感器、特别是基于传导性的电导率传感器解释本发明。潜在的想法可以同样适用于使用金属电极的其他类型传感器。来自过程自动化的领域的各种各样的传感器诸如PH传感器、安培传感器等是可以想象的。
传感器1包括传感器元件3和过程接口2。传感器元件3由技术陶瓷诸如二氧化锆、通常非导电材料制成。在一个实施例中，二氧化锆通过镁、铝或铱而稳定。过程接口2由金属、特别是不锈钢制成。过程接口2可用于将传感器1附接到容器4。
例如由铂制成的金属电极9嵌入到传感器元件3中，更精确的嵌入到凹槽10中。电极9和传感器元件3共同形成复合材料，即例如它们已经被烧结在一起。这防止任何介质渗入电极9和传感器元件3之间的传感器1的内部。在传感器元件3的前侧，电极9的前侧是自由的，并且在电导率测量过程中与待测介质5接触。优选的，电极9和传感器元件3的前侧齐平；然而，在一个实施例中，电极9还可以从传感器元件3中伸出，或者布置成传感器元件3上更加凹进。
图1示出测量容器4中介质5的传感器1。该容器4可以为盆、管道、管线等。设备(未示出)用于将传感器1附接到容器4上，诸如托架或者配件，例如，快速更换配件。
基本上，能够是传导性的电导率传感器的两种实施例，即带有两个或者带有四个电极9。图1示出带有两个电极9的布置。
在测量模式过程中，对两个电极9都施加交变电流。通过浸入到介质5中的传感器1使用连接到电极9的测量变送器8来确定阻抗。电极9经由传感器元件3和连接到传感器元件3的过程接口2用连接端子诸如电缆连接到接口6上。接口6或者同样包括接口6的电缆将电极9与测量变送器8连接。接口6可以被设计为电隔离的、例如电感接口。
将传感器的电池常数考虑在内，可以确定介质5的特定的电阻和/或特定的电导率。得到的测量数据可以通过测量变送器8显示或者输出到上级控制系统。测量变送器9的一部分的功能可以由测量电子器件执行，测量电子器件独立地容纳在测量变送器9外侧。这些测量电子器件可以至少部分例如容纳在传感器1中，例如在接口6的区域中。
作为双电极传感器的替代，能够是四个电极传感器。构造基本上是相同的。两个电极9，尤其是紧接邻近的两个电极9，起所谓的电流电极的作用。其它两个电极9起所谓的电压电极的作用。在测量模式下，在两个电流电极之间施加交变电流，并且从而将交变电流引入测量介质中。特别是无电流测量的方式，在电压电极之间测量由此引起的电位差。将电池常数考虑在内，所施加的交变电流和所测量的电位差可以用来计算电导率测量单体的阻抗，该阻抗通过将传感器1浸入到介质5中而产生，然后用于确定测量介质的特定电阻和/或电导率。与传感器1连接的测量变送器8用于调整和/或控制待引入的交变电流，用于测量电压电极的电位差以及用于重新计算测量值作为电阻值和/电导率值或测量介质的特定的电阻和/或特定的电导率。如上所述，例如经由连接6实现链接。该测量电子器件可以为测量变送器9的一部分，或至少部分容纳在独立模块中，例如传感器1中。得到的测量数据可以通过测量变送器9显示或者输出到上级控制系统。作为测量变送器9的替代，测量值还可以直接从传感器1传送到总线上；这构成了装置和控制系统之间的直接连接。此外，需要电子系统进行例如诸如平均化等测量数据的预处理、以及数字化、以及测量数据到相应的总线协议的转换。
图2示出传感器元件3。从左到右，传感器元件3以三维视图示出为剖面视图以及放大的剖面视图。
传感器元件3包括第一部分3.1和第二部分3.2，该第一部分3.1将传感器元件3引入过程接口2(参见以下)，该第二部分3.2使传感器元件3从过程接口2伸出。第一部分3.1被划分成至少两个圆柱形段，即第一段3.1.1和第二段3.1.2。第一段3.1.1具有第一外径ra3.1，第二段3.1.2具有第二外径ra3.2。此外，第二部分3.2，即从过程接口伸出的传感器元件3的部分，具有第三外径ra3.3。结果，第三外径ra3.3大于其它两个外径ra3.1和ra3.2。另外，第一外径ra3.1大于第二外径ra3.2。
图3示出过程接口2。从左到右，过程接口2以三维视图和以剖面视图示出。
过程接口2内部具有至少两个圆柱形段2.1和2.2，分别以内径ri1和/或ri2为特征。第二内径ri2大于第一内径ri1，并且附加在过程接口2的端部12中。第一内径ri1主要与传感器元件3的第一外径ra3.1对应。
如果传感器元件3被引入过程接口2中，第一内径ri1和第一外径ra2.1形成压配合。过程接口2的第二段2.2和传感器元件3的第二段3.1.2形成间隙。优选的，第二段3.1.2的以沟槽11为特征。在传感器元件3与过程接口2接触之前将该沟槽11涂覆粘结剂。这产生增强连接的粘结区域以及用于将传感器元件3对中的公差区域。
在施加粘结剂之前，用溶剂将传感器元件3除去油脂，并且然后在例如氩氢混合(可替换的氮)下被等离子体活化。
过程接口2也被除去油脂。然后使粘结区域变粗糙并且硅化。然后粘结区域必须再次被清洁和干燥。在没有气泡的情况下，在粘结区域四周施加粘结剂，从而润湿整个区域。
当将传感器元件3压配到过程接口中时，在沟槽11中收集粘结剂。在其闭合之前不久，过量的粘结剂被压出粘结间隙，并且能够被擦掉。
例如0.1mm的沟槽产生了带有不同粘结剂“厚度”的两段部分。较薄的段对于粘结剂连接的机械强度是理想的。较厚的段更好地适于在变化的温度下补偿不锈钢和陶瓷的不同的膨胀系数，并且从而有助于改善紧密度。
然后例如在烤箱中将传感器干燥并且使粘结剂硬化。
图4a和图4b分别将这个结合的传感器1示出为剖面视图和侧视图。过程接口2部分以第一外径ra2.1和第二外径ra2.2为特征，其中过程接口2在一个端部12包括第二外径ra2.2，并且其中第二外径ra2.2大于第一外径ra2.1。在另一制造步骤中，同样参见图4c，通过在过程接口2的第一外径ra2.1上的圆柱形磨削，过程接口2的这个端部12被调整到第二外径ra2.2，如传感器元件3的第二部分3.2一样。可替换的或者另外，这些区域可以例如使用金刚石研磨膏研磨。这会产生无级过渡，使甚至在过渡区域粗糙度不会超过Ra＝0.76的平均粗糙度。
这就意味着传感器1符合诸如在遵循FDA、USPClassVI；3A以及EHEDG的标准中的那些的标准的卫生要求。
附图标记列表
1传感器
2过程接口
2.1第一段
2.2第二段
3传感器元件
3.13的第一部分
3.1.13.1的第一段
3.1.23.1的第二段
3.23的第二部分
4容器
5介质
6接口
7电缆
8测量变送器
9电极
109的接收器
11沟槽
122的端部
ra2.12的第一外径
ra2.22的第二外径
ra3.13的第一外径
ra3.23的第二外径
ra3.33的第三外径
ri1第一内径
ri2第二内径
A中心线

Claims (13)

1.一种传感器(1)，特别是传导性的电导率传感器，用以确定测量变量、特别是介质(5)的所述电导率，包括：
-过程接口(2)，所述过程接口(2)主要成形为中空圆柱，并且由金属、特别是不锈钢制成，
其中，所述过程接口(2)包括至少两个内部段(2.1、2.2)，
-主要圆柱形形状的传感器元件(3)，所述传感器元件(3)主要由陶瓷制成，设有第一部分(3.1)和第二部分(3.2)，所述第一部分(3.1)将所述传感器元件(3)引入所述过程接口(2)中，所述传感器元件(3)借助所述第二部分(3.2)从所述过程接口(2)伸出，
其中，所述传感器元件的所述第一区域(3.1)具有至少两段(3.1.1、3.1.2)，
所述过程接口(2)和所述传感器元件(3)的相应的所述第一段(2.1、3.1.1)被设计为压配合，并且所述过程接口(2)和所述传感器元件(3)的相应的所述第二段(2.2、3.1.2)产生间隙(11)。
2.根据权利要求2所述的传感器(1)，
其中，所述间隙(11)被设计为接收粘结剂并且所述传感器元件(3)被粘结到所述过程接口(2)上。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(1)，
其中，所述过程接口(2)具有至少一个内部圆柱形第一段和圆柱形第二段(2.1、2.2)，
所述第一段(2.1)具有第一内径(ri1)，并且所述第二段(2.2)具有第二内径(ri2)，
其中，所述第二段(2.2)被布置在所述过程接口(2)的一个端部(12)处，并且所述第二内径(ri2)大于所述第一内径(ri1)。
4.根据权利要求1到3中的至少一项所述的传感器(1)，
其中，所述传感器元件(3)的所述第一部分(3.1)具有至少一个圆柱形第一段(3.1.1)和圆柱形第二段(3.1.2)，
其中，所述第一段(3.1.1)具有第一外径(ra3.1)，并且所述第二段(3.1.2)具有至少第二外径(ra3.2)，
其中，所述传感器元件(3)的所述第一外径(ra3.1)主要与所述过程接口(2)的所述第一内径(ri1)对应，并且设计用于所述传感器元件(3)的所述第一段(3.1.1)和所述过程接口(2)的所述第一段(2.1)的压配合。
5.根据权利要求3或4所述的传感器(1)，
其中，所述传感器元件(3)的所述第二段(3.1.2)和所述过程接口(2)的所述第二段(2.1)产生所述间隙(11)。
6.根据权利要求5所述的传感器(1)，
其中，所述间隙(11)被设计为所述传感器元件(3)的所述第二段(3.1.2)上的沟槽，其中，特别是所述第二外径(ra3.2)小于所述第一外径(ra3.1)。
7.根据权利要求1到6中的至少一项所述的传感器(1)，
其中，所述过程接口(2)部分以至少第一外径(ra2.1)和第二外径(ra2.2)为特征，其中，所述过程接口(2)在一个端部(12)处包括所述第二外径(ra2.2)，并且其中，所述第二外径(ra2.2)大于所述第一外径(ra2.1)。
8.根据权利要求1到7中的至少一项所述的传感器(1)，
其中，所述传感器元件(2)包括至少两个、优选的四个金属电极(9)，并且所述传感器元件(2)被以这种方式设计为使得所述电极(9)的至少前侧与所述介质(5)接触。
9.根据权利要求8所述的传感器(1)，
其中，所述电极(9)被设计为测量所述测量变量、特别是电导率，并且借助于所述传感器元件(3)和所述过程接口(2)连接到数据处理单元(8)。
10.一种制造传感器(1)的方法，所述传感器(1)特别是传导性的电导率传感器，用以确定测量变量、特别是介质的电导率，其中，所述传感器(1)包括过程接口(2)和传感器元件(3)，所述方法包括步骤：
-制造所述过程接口(2)，所述过程接口(2)主要成形为金属的、特别是不锈钢的中空圆柱体，其中，所述过程接口(2)包括至少两个内部段(2.1、2.2)，
-制造所述主要圆柱形形状的陶瓷的传感器元件(3)，所述传感器元件(3)设有第一部分(3.1)和第二部分(3.2)，所述第一部分(3.1)将所述传感器元件(3)引入所述过程接口(2)，所述传感器元件(3)借助所述第二部分(3.2)从所述过程接口(2)伸出，
其中，所述传感器元件(3)的所述第一区域(3.1)具有至少两段(3.1.1、3.1.2)，
所述过程接口(2)和所述传感器元件(3)的相应的所述第一段(2.1、3.1.1)被设计为压配合，并且所述过程接口(2)和所述传感器元件(3)的相应的所述第二段(2.2、3.1.2)产生间隙(11)，
-对所述过程接口(2)和所述传感器元件(3)去除油脂；以及
-通过将粘结剂至少引入到所述间隙(11)中并且将所述传感器元件(3)插入所述过程接口(2)中，将所述传感器元件(3)通过粘结压配合到所述过程接口(2)中。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括如下步骤：
-在烤箱中热处理所述传感器(1)。
12.根据权利要求11所述的方法，
其中，所述过程接口(2)主要成形为中空圆柱体，所述圆柱体部分以至少第一外径(ra1)和第二外径(ra2)为特征，
其中，所述过程接口(2)在一个端部(12)处包括所述第二外径(ra2)，并且其中，所述第二外径(ra2)大于所述第一外径(ra1)，
所述方法进一步包括如下步骤：
-磨削和/或车削具有所述第二外径(ra2.2)的所述过程接口(2)的所述端部(12)，以及将所述传感器元件(2)的所述第二部分(3.2)磨削到所述过程接口(2)的所述第一外径(ra2.1)上和/或研磨所述过程接口(2)的所述端部(12)和所述传感器元件(3)的所述第二部分(3.2)。
13.根据权利要求10到12中的至少一项所述的方法，
其中，所述传感器元件(3)包括至少两个电流电极(9)以及两个电压电极(9)，其中，交变电流被施加在所述电流电极之间，其中，特别是借助于无电流测量来测量所述电压电极之间产生的电位差，
其中，所施加的所述交变电流和所测量的所述电位差被用于确定所述测量变量、特别是所述介质(5)的所述电导率。
CN201511009752.5A 2014-12-02 2015-12-02 传感器及用于制造所述传感器的方法 Active CN105699785B (zh)

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