CN111521238B - 用于确定过程变量的传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于确定过程变量的传感器。提供了用于确定容器(12)中的过程变量的传感器(10)，该传感器具有：长形的探头(16)，其用于浸入到容器(12)中的介质(14)中；控制和评估单元(24)，其用于借助于探头(16)测量过程变量；以及壳体(22)，其具有用于将探头(16)的上端部与壳体(22)连接的连接区域，其中连接区域利用倾斜的支撑面(32)放置在被布置在连接区域中的锥体元件(26)上。在此，锥体元件(26)的底面向下朝向探头(16)的下端部的方向布置。

Description

用于确定过程变量的传感器
技术领域
本发明涉及用于确定容器中的过程变量
Figure GDA0003612700150000011
的传感器。
背景技术
已知各种用于确定容器中介质的过程变量的传感器，这些传感器例如测量填充高度(Füllstand)或温度。尽管也有非接触式的测量方法，但许多传感器使用浸入到待测量的介质中的探头。例如从DE 10 2007 030 847 A1已知的利用时域反射仪(TDR，Time DomainReflectometry)的填充高度测量对从探头中引导的微波脉冲直至介质表面的传播时间进行测量。另一个已知的用于填充高度测量的原理基于探头与基准之间的电容测量。该电容由于介质的介电特性根据填充高度而发生变化。考虑到介质的介电常数，根据测量出的电容来计算填充高度。通常接地的金属容器、引入的金属面或第二探头用作基准。如在EP 2657 663 A1中所描述的，还已知的是确定以电极相应分段的探头上的多个电极之间的电容。
在朝向浸入式探头的过渡部中应解决几个结构方面的挑战。密封的过渡部防止介质进入到实际的传感器中。无跳跃的设计(sprungfreies Design)减少了可能影响测量的沉积物。特别是在卫生领域中使用时，必须提供光滑的表面以实现清洁，并且在清洁期间过渡部也必须保持密封。最后，探头受到机械应力，例如由于容器中搅拌工具而产生的机械应力，并且密封性必须不受影响并且不得损坏探头。
图6示出了根据现有技术的从探头100到被称为工艺连接件的金属壳体102的探头过渡部。内壳体104或压件(Druckstück)位于壳体102中。探头100在其末端106处被拧紧到壳体102内部中的套管108中。通向具有评估电子器件和接口的传感器头(未示出)的另一个过渡件110位于上部区域中。
探头100与壳体102之间的连接件是由PEEK制成的锥体112。存在两个密封位置，即从探头100至锥体112以及从锥体112至壳体102。为此，使用两个彼此独立的密封原理。
从探头100至锥体112的过渡部通过探头100上的切口边沿(Schneidkante)114密封。在将探头100拧入到套管108中时，切口边沿114进入到锥体112中。
从锥体112到壳体102的过渡部借助于盘形弹簧(Tellerfeder)116密封。盘形弹簧116通过将过渡件112与壳体102拧紧被预张紧。这些盘形弹簧经由间距保持件118和内壳体104将锥体112压靠在壳体102的向内倾斜的斜面120上。锥体112和斜面120具有不同的开口角，锥体112例如是更陡峭的，其中在图6中细微差异几乎不可识别。这产生了线接触，并且通过盘形弹簧116的弹簧力密封该区域。
传统的探头过渡部具有多个缺点。探头100的直径在切口边沿114的高度上显著减小。探头100的变窄位置的缺口形成薄弱位置，该薄弱位置在介质以及还有探头100进行更强烈运动的动态应用中导致疲劳断裂。此外，工艺侧的压力抵抗盘形弹簧116的弹簧力作用，并从而降低了从锥体112到壳体102的过渡部中的密封效果。
在现有技术中得到关于探头及其在传感器上的连接的各种文献。DE 10 2004 060119 A1公开了一种具有壳体和探头的填充高度测量仪，其中为了卫生密封，探头与壳体之间的连接被布置在壳体的内部空间中。工艺密封件密封内部空间以防工艺过程，该工艺密封件被构造成两个O形环或齐平的模制密封件。还讨论了锥形密封件，但有缺陷而被摒弃。
EP 1 544 585 B1公开了一种用于填充高度传感器的导通组件(Durchführungsbaugruppe)，该导通组件具有工艺连接件和内部导体，其中接触面被构造成形状配合地密封。如果完全可以通过这种方式实现稳固的卫生密封，则无论如何都需要极其复杂且精确的金属加工。
EP 2 093 846 B1中描述了一种用于连接两个电导体的现场设备的导体衬套(Leiterdurchführung)。中空的内部区域被灌注装置密封。
发明内容
因此，本发明的任务在于提出探头过渡部的改进的密封方案。
该任务通过以下所述的用于确定容器中的过程变量的传感器来解决。在操作中，传感器的探头伸入到容器中并且浸入到位于其中的介质中。优选地，借助于探头确定过程变量的控制和评估单元被安置在传感器头中，探头被紧固在该传感器头上，并且该传感器头位于介质的外部，通常位于容器的外部。然而，还存在具有分开的(abgesetzt)探头的构型，其中控制和评估单元不与探头牢固地连接，并且被布置成与容器存在一定距离。壳体具有连接区域，探头的上端部保持在该连接区域中，其中探头优选地略微延伸到壳体中。在连接区域中设置了倾斜的支撑面用于布置在此处的锥体元件(Kegelelement)，其中锥体元件充当探头过渡部的密封元件。
本发明基于锥体元件的底面向下取向的基本思想。因此，锥体向上逐渐变窄进入到壳体中。术语“上”和“下”应相对地而非限制性地理解，它们基于探头向下伸入到容器中的探头在容器盖上的典型安装情况。因此，探头的上端部是形成探头过渡部的端部，下端部是其远侧末端，该远侧末端在一般的安装状态下位于容器底部附近。
因此，与开篇关于图6介绍的传统解决方案相比，锥体是倒置的。相应地，壳体的倾斜的支撑面也相反地取向，即，平行于或近似平行于锥体元件的外表面。支撑面与外表面之间的接触形成第一密封位置。
本发明的优点在于密封性和稳定性得到改进，并且为此几乎不需要额外的耗费。由于较小的缺口效应(Kerbwirkung)和较小的横截面减小，探头具有实质上较大的交变弯曲强度(Wechselbiegefestigkeit)。由于倒置的锥体元件，工艺侧的过压不再削弱密封，而是相反地甚至加强了密封。探头过渡部不仅是气密的，而且还可以根据EHEDG指南进行卫生处理。
优选地，锥体元件被构造成截头锥体。于是，底面是直径最大的面，因此锥体元件的被切去的锥形尖端向上取向。
优选地，锥体元件具有中心开口，探头沿着锥体中心轴线穿过该中心开口延伸。可以说，探头形成锥体元件的中心轴线，该锥体元件围绕探头环形地布置。
优选地，锥体元件被构造成双锥体。为此，该锥体元件向下还具有附加的环绕的斜面。由此形成的第二外表面用作卫生连接件的密封面。但第二外表面比朝向壳体密封的第一外表面明显更小，并且优选地还具有更陡峭的锥角。因此，与没有双锥体的实施方式相比，向下指向的底面在很大程度上保持不变。
优选地，锥体元件由塑料制成。特别合适的是PEEK(聚醚醚酮)。优选地，壳体由金属制成，以具有足够的坚固性。这通常也适用于探头。然而，纯金属探头并不适合于所有的测量，因此在这里还可以设想其他材料和更复杂的结构。
优选地，围绕探头的环作为用于锥体元件的底面的支撑件被焊接到探头上。于是，在该环与锥体元件之间形成第二密封位置。探头连同焊接的环可以以低耗费制造。为了获得圆角的焊缝，优选在从环到探头的过渡部处环绕地设置优选在两侧的材料附加物(Materialzuschlag)。
优选地，环具有用于进入到锥体元件中的环绕的切口边沿。因此，当环和锥体元件例如通过弹簧力相互压靠时形成可靠的第二密封位置。
优选地，探头在锥体元件的高度上具有变窄区域，其中探头在变窄区域上方的直径小于探头在变窄区域下方的直径。这用作用于待焊接的环的止挡件。此外，焊缝上的拉力(Zugkraft)减小，几乎不形成焊接间隙。与根据图6的现有技术相比，在这里直径的最小减小满足不会影响交变弯曲强度。
传感器具有至少一个弹簧，以使连接区域的倾斜的支撑面与锥体元件彼此压靠。这加强了两个密封位置，因为不仅将壳体与锥体元件保持在一起，而且还将锥体元件压入到环的切口边沿中。优选地，在探头的上部区域周围的至少一个盘形弹簧用作弹簧，该盘形弹簧延伸到壳体中。
优选地，传感器被设计成用于确定容器中介质的填充高度的填充高度传感器。优选的测量原理是TDR(Time Domain Reflectometry)。可替代地，是电容式填充高度传感器。
附图说明
下面，示例性地基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进一步阐述。在附图中：
图1示出了容器中的填充高度传感器的示意性剖视图；
图2示出了根据本发明的探头与壳体连接的原理图；
图3示出了探头和壳体的一般性结构的概览图；
图4示出了焊接到探头上的环的局部视图；
图5示出了用于支撑到根据图4的环上的锥体元件的局部视图；以及
图6示出了根据现有技术的探头与壳体连接的示意图。
具体实施方式
图1以侧视图示意性地示出了填充高度传感器10，该填充高度传感器被安装在含有介质14的罐或容器12中。探头16伸入到介质14中，优选地伸入直至容器12的底部。介质14形成界面18，并且填充高度传感器10被设计成用于确定界面18的距离并从而推导出介质14的填充高度。本发明以填充高度传感器10为示例进行解释，但是还包括具有浸入到介质14中的探头16的其他传感器。
探头16的上端部被传感器头20保持。下面，参照图2至图5详细阐述探头到壳体22或工艺连接件的过渡。传感器头20中安置了电子器件，特别是控制和评估单元24，该控制和评估单元控制测量方法并且获得测量值，并且具有用于将填充高度传感器10连接到设施的接口。对所示实施方式可替代地，控制和评估单元24可以不与探头16固定地连接。那么，仅带有突出到容器12中的探头16的工艺连接件安装在容器12处。随后，带有控制和评估单元24的电子器件壳体是分开的，并且通过线路与工艺连接件和探头16连接。
在优选的TDR测量方法中，控制和评估单元24通过探头16发射短电磁脉冲，优选是微波脉冲。在界面18处，相对介电常数以及波导电阻跳变，并因此产生反射脉冲。利用反射脉冲，控制和评估单元24确定到界面18的传播时间，并且经由信号传播速度确定该界面的距离。
图2示出了探头过渡部的原理图。在TDR方法的情况下，探头16是金属的，并且壳体22也优选是金属壳体。不允许在它们之间提供导电连接。
基本思想是经由锥体元件26实现连接，与根据图6的传统解决方案相反，该锥体元件的底面向下布置或其尖端向上布置。传统的密封原理被旋转180°。具有切口边沿30的环28被焊接到探头16上。由于锥体元件26支撑在环28上而不是变窄部上，因此消除了传统上探头16的横截面朝上减小。然而，仍然可以设想不影响交变弯曲强度的细微的变窄部，并且随后将在图4中阐述。
在锥体元件26与壳体22之间有第一密封位置，在该第一密封位置处，壳体22的倾斜的支撑面32放置在锥体元件26的外表面34上。开口角可以稍有不同，以实现线接触。第二密封位置在环28上的锥体元件26的支撑处位于锥体元件26与探头16之间。
拉力36应作用于探头16上，并且同一拉力36应密封两个密封位置。第一密封位置通过支撑并且特别是通过略微不同的开口角来密封，第二密封位置通过在锥体元件26的下侧处切口边沿30的进入来密封。
图3示出了根据本发明的探头过渡部的实施方式的概览图。在这里以及下文中，相同的附图标记表示相同的特征。具有两个密封位置的锥体元件26周围的区域已经在图2中进行了阐述。
弹簧元件38，优选是在其间具有间距保持件40的盘形弹簧(如所示的)，或者可替代地是其他弹簧(例如，压缩弹簧)，被放置到壳体22中。在制造时，具有切口边沿30的环28被焊接到探头16上。锥体元件26从上方被推到探头16上，并且探头16连同锥体元件26从下方插到壳体22中。优选地同样由PEEK制成的另一个间距保持件42从上方被推动。弹簧元件38被紧固螺钉44张紧并且密封位置被封闭。最后，朝向传感器头20拧上过渡件46。
图4示出了探头16的带有焊接的环28的区域的局部图。优选地，探头16和环28由不锈钢制成。探头16在环28下方优选地具有略大的直径48并且相应地在环28上方具有略微减小的直径50。锥形过渡部52位于它们之间。
横截面减小仅最小程度地削弱了探头16，并且也仅轻微地减小了该探头的交变弯曲强度。朝向较小直径的锥形过渡部应设有尽可能大的过渡半径。锥形过渡部52不具有支撑功能，但是用作待焊接的环28的止挡件，并且同时减小之后在焊缝上出现的拉力。此外，由于锥形支撑而几乎不存在焊接间隙，这提高了焊缝的品质和强度。优选地，使用不含焊接附加材料的激光焊接法。焊缝在两侧紧密地实施。为了产生圆角的焊缝，环28优选在两侧还含有材料附加物54、56。
图5示出了锥体元件26的详细视图。锥体元件26可以被构造成简单的锥体或截头锥体。所示的是作为双锥体的实施方式。因此，除了其上放置有壳体22的外表面34之外，还设置相反倾斜的第二外表面58。然而优选地，该第二外表面58更陡峭并且具有更小的高度延伸部，使得锥体元件26的几何形状更确切地说形成简单的锥体或截头锥体。第二外表面58可以用作卫生连接件(例如，三夹钳)的密封面。壳体的拧紧扭矩与工艺侧的压力类似起到密封增强的作用。

Claims (15)

1.一种用于确定容器(12)中的过程变量的传感器(10)，所述传感器具有：长形的探头(16)，其用于浸入到所述容器(12)中的介质(14)中；控制和评估单元(24)，其用于借助于所述探头(16)测量所述过程变量；以及壳体(22)，其具有用于将所述探头(16)的上端部与所述壳体(22)连接的连接区域，其中所述连接区域利用倾斜的支撑面(32)放置在被布置在所述连接区域中的锥体元件(26)上，其中所述锥体元件(26)的底面向下朝向所述探头(16)的下端部的方向布置，
其特征在于，
所述探头(16)在所述锥体元件(26)的高度上没有横截面减小或仅有不影响交变弯曲强度的略微的横截面减小；
其中，围绕所述探头(16)的环(28)作为用于所述锥体元件(26)的底面的支撑件被焊接到所述探头(16)上；以及
其中，所述环(28)具有用于进入到所述锥体元件(26)中的环绕的切口边沿(30)。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)被构造成截头锥体。
3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)具有中心开口，所述探头(16)沿着锥体中心轴线穿过所述中心开口延伸。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)被构造成双锥体。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)由塑料制成，并且所述探头(16)和所述壳体(22)由金属制成。
6.根据权利要求4所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)由塑料制成，并且所述探头(16)和所述壳体(22)由金属制成。
7.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)由PEEK制成。
8.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中，所述锥体元件(26)由PEEK制成。
9.根据权利要求1-3和6-8中任一项所述的传感器(10)，所述传感器具有至少一个弹簧(38)，以使所述连接区域的倾斜的支撑面(32)与所述锥体元件(26)彼此压靠。
10.根据权利要求4所述的传感器(10)，所述传感器具有至少一个弹簧(38)，以使所述连接区域的倾斜的支撑面(32)与所述锥体元件(26)彼此压靠。
11.根据权利要求5所述的传感器(10)，所述传感器具有至少一个弹簧(38)，以使所述连接区域的倾斜的支撑面(32)与所述锥体元件(26)彼此压靠。
12.根据权利要求1-3、6-8和10-11中任一项所述的传感器(10)，所述传感器被设计成用于确定所述容器(12)中所述介质(14)的填充高度的填充高度传感器。
13.根据权利要求4所述的传感器(10)，所述传感器被设计成用于确定所述容器(12)中所述介质(14)的填充高度的填充高度传感器。
14.根据权利要求5所述的传感器(10)，所述传感器被设计成用于确定所述容器(12)中所述介质(14)的填充高度的填充高度传感器。
15.根据权利要求9所述的传感器(10)，所述传感器被设计成用于确定所述容器(12)中所述介质(14)的填充高度的填充高度传感器。
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