-
Die
Erfindung betrifft einen Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensor
zur Messung von Flüssigkeits-
oder Gasdrücken,
Kräften
und/oder Temperaturen, insbesondere in explosionsgeschützten Bereichen,
mit wenigstens einer Messplatine zur Wandlung des Messsignals von
einem Messkopf mit einem Sensorelement, wobei die Messplatine geschützt in einem
Gehäuse
angeordnet, insbesondere vergossen ist und mit einer Steckerbuchse
verbunden ist, in die ein mehrpoliger Stecker mit Signal- und Versorgungskabeln
einsteckbar ist.
-
Derartige
Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensoren zur Messung in explosionsgeschützten Bereichen
sind bekannt, wobei im allgemeinen die Messplatine zur Wandlung
und/oder Verarbeitung des Messsignals zur Vermeidung von Funkenbildung im
Mantelgehäuse
des Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensors eingegossen sind.
Da der Außenmantel
des Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensors wegen der erforderlichen
Befestigung im allgemeinen aus Metall gebildet ist, können die
Messköpfe und/oder
die Auswerteelektronik kaum ausgewechselt oder kalibriert werden
bzw. nur unter teilweiser Zerstörung
des Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensors. Zudem weisen derartige
Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensoren meist mehrere Ausgänge auf,
die eine entsprechend zugeordnete Messplatine bzw. Messschaltung
benötigen.
Zudem ist die oben beschriebene Bauart relativ aufwendig, da bei
der häfig
vorkommenden Relativdruckmessung ein Luftausgleich über einen
Luftschlauch erfolgt, welcher sich durch Kondensation verschließen kann.
-
Demzufolge
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druck-, Kraft- und/oder
Temperatursensor zu schaffen, mit dem die vorstehenden Nachteile
vermieden werden können,
insbesondere eine einfache und variable Bauart bei hoher Messgenauigkeit
erzielt werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensor mit den Merkmalen
des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
-
Durch
die vorgeschlagene Stecker-Kombination werden mehrere Vorteile erzielt.
So ergibt sich durch die programmierbaren Ausgänge, bevorzugt über ein
Eindrahtinterface und einen 4-poligen Ring-Stecker, eine einfache
Parametrierung oder Adressierung des Sensors und damit eine eindeutige Identifizierung.
Somit kann die Konstantstrom oder Konstantspannungsversorgung der
Sensorik einfach umgestellt werden. Diese Ausgangssignaländerung von
z.B. einem Frequenzausgang in einen Spannungs- oder Stromausgang
erfolgt per Software, ebenso die Einstellung oder Linearisierung
der Kennlinie. Auch eine Nullpunktjustierung bei Sensordrift kann
vorgenommen werden, ebenso die Kompensation von Temperaturgängen über den
von Kunden gewünschten
Bereich per Berechnung und Software. Die bisherige Leitertechnik
und Steckeinrichtung bleibt dabei erhalten und kann zudem als Schnittstellen-Interface
für RS
232 oder CAN-Schnittstellen
verwendet werden. Zudem kann eine Steuerung einer Anzeige erfolgen,
ebenso eine Integration eines Temperaturfühlers im Druckmodul mit Signalabgriff. Dabei
ist diese Modultechnik voll austauschbar und zu allen Druckmodulen
kompatibel. Insgesamt wird somit ein optimales Preisleistungsverhältnis erzielt.
-
Nachfolgend
werden drei Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch einen Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensor;
-
2 einen
Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
des Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensors mit angeschlossenem
Stecker; und
-
3 eine
Ausführung
mit zwischengeschalteten Steckmodulen.
-
In 1 ist
ein Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensor 1 dargestellt,
der mit verschiedenen Messköpfen 2 bestückbar ist
(vgl. Beispiel in 2). Der jeweilige Messkopf 2 weist
ein Sensorelement 3 auf, das bevorzugt als (Scherkraft-)
Dehnmessstreifen oder Dickschicht-Sensorelement ausgebildet ist, aber
auch einen Temperaturfühler
T beinhalten kann. Vom Sensorelement 3 führen dünne Sensordrähte zu einer
Messplatine 4, die der Wandlung und/oder Auswertung des
Messsignals von dem Sensorelement 3 dient. Die hier nur
schematisch angedeuteten Ausgänge
der Messplatine 4 führen
zu einer Steckerbuchse 11, um dort über einen mehrpoligen Stecker 12 und
Kabel 13 zur Messdaten-Auswertung und -Verarbeitung weitergeleitet
zu werden. Die Auswerteschaltung auf der Messplatine 4 kann
hierbei je nach Bestückung unterschiedliche
Ausgangssignalformen liefern, insbesondere Frequenz, Spannung und/oder
Strom. Zudem kann in der Auswerteschaltung auf der Messplatine 4 die
jeweilige Sensorempfindlichkeit über
einen Abgleichwiderstand angepasst werden bzw. kalibriert werden,
wie nachfolgend beschrieben.
-
Die
Messplatine 4 ist hierbei in einem Gehäuse 5 untergebracht,
insbesondere mit einer Abdichtmasse A vergossen, so dass die Auswerteschaltung
auf der Messplatine 4 vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Das topfförmige Gehäuse 5 weist
zum Messkopf 2 hin einen Zentrierbund 6 auf, so
dass das Gehäuse 5 exakt
gegenüber
dem Messkopf 2 fixiert ist. Der Messkopf 2 ist
hierbei mit einem metallischen Außenmantel 10 verschraubt
oder verschweißt,
während
das Gehäuse 5 benachbart
zum Zentrierbund 6 mittels Kunststoffschrauben 9 am
Messkopf 2 fixiert ist. Hierdurch ergibt sich eine exakte
Lagerung des Gehäuses 5 innerhalb
des Außenmantels 10.
Dabei ergibt sich ein exakt definierter Radialspalt S, so dass die
Auswerteelektronik auf der Messplatine 4 vom Außenmantel 10 entkoppelt
ist, insbesondere in wärmetechnischer
Hinsicht. In der Mitte des Zentrierbundes 6 ist zudem ein
Durchgang 7 für
die Sensordrähte
zwischen dem Sensorelement 3 und der Messplatine 4 ausgebildet.
Die Durchtrittsstelle in das Gehäuse 5 ist
hierbei mit einer tropfenförmig
aufgebrachten, flexiblen Abdichtmasse B verschlossen, so dass sich hierdurch
sowohl eine Abdichtung als auch Fixierung der Sensordrähte gegenüber der
Vergussmasse A ergibt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Sensorelement 3,
insbesondere in Form von DMS-Widerständen in Brückenschaltung nicht mit der
Vergussmasse A in Berührung
kommt, also eine spannungsfreie. Entkopplung in mechanischer und
thermischer Hinsicht erzielt wird.
-
Weiterhin
ist in diesem Bereich bevorzugt ein Querschlitz 8 vorgesehen,
der über
den Radialspalt S und die Steckerbuchse 11 bzw. einen mittigen
Durchgang 8' innerhalb
des Steckers 12 mit der Atmosphäre verbunden ist. Somit sind
hierdurch Relativdruckmessungen möglich. Sofern eine Absolutdruckmessung
durchgeführt
wird, können
diese Querschlitze 8 auch mit Dichtmasse (ähnlich der
Abdichtmasse B) verschlossen werden, so dass das Sensorelement 3 vor
Betauung und anderen Einflüssen
vollständig
geschützt
ist.
-
Der
oben erwähnte
Stecker 12 ist in 1 in einer
Position kurz vor dem Einstecken in die Steckerbuchse 11 gezeigt.
An deren Stirnseite ist eine Lippendichtung 14 vorgesehen,
um auch bei feuchten oder nassen Umweltbedingungen die Kontakte des
mehrpoligen Steckers 12 abzustreifen. Hierbei sind vier
Pole a, b, c und d vorgesehen, die in Form von Kontaktringen ausgebildet
sind. Hierdurch ist der Stecker 12 um 360° drehbar.
Die Kontaktbelegung an den Polen a – d ist hier beispielsweise
so gewählt, dass
der Pol a einen Signalkontakt bildet, während die Pole b und d der
Stromversorgung des Sensors dienen, also einen Plus- bzw. Minuspol
bilden. Der Pol c dient dabei der vorstehend angedeuteten Programmierung
der Messplatine über
den Stecker 12, der hierzu beispielsweise mit einem Laptop
oder einem anderen Programmiergerät über eines der Kabel 13 verbunden
ist. Dabei ist der Pol c bevorzugt als Eindraht-Interface ausgebildet,
wobei dieses bevorzugt auch zur Identifikation oder Codierung des
Sensor 1 dient.
-
Der
hier gezeigte vierpolige Stecker 12 wird somit in die Steckerbuchse 11 eingesetzt,
um über die
vorstehend genannten Anschlüsse
mit der Messplatine 4 gekoppelt zu werden. Die Fixierung
des Steckers 12 kann hierbei mittels üblicher Bügelsicherungen erfolgen, bevorzugt
jedoch mittels einer Überwurf-
oder Bajonettmutter 15, die hier schematisch angedeutet
ist. Zwischen der Steckerbuchse 11 und der Bajonettmutter 15 kann
bevorzugt auch noch ein Wellfederring 16 eingesetzt werden,
um hier einen gewissen Längenausgleich
zu schaffen. Die Signal- und Versorgungsleitungen 13 sind
wie üblich
im Anschluss an die hier gezeigte Bajonettmutter 15 vergossen
oder umhüllt,
um die Zuführkabel 13 entsprechend
zu schützen.
Diese Umhüllung
ist auch in der eingesteckten Position des Steckers 12 gemäß 2 nur
schematisch dargestellt, da an sich bekannt.
-
In 2 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
vorgesehen, wobei als Sensorelement 3 eine etwas größer bauende
Dehnmessstreifen-Schaltung verwendet wird. Die Dehnmessstreifen-
Schaltung wird hierbei durch einen Distanzring und eine Überwurfmutter
am Messkopf 2 gehalten, wobei die vorstehend beschriebenen
Kunststoffschrauben 9 stirnseitig in dieser Überwurfmutter
eingreifen können. Ansonsten
ist der Aufbau identisch zu 1, wie aus der
Verwendung der gleichen Bezugszeichen ersichtlich ist. Unterhalb
des in 2 dargestellten Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensors 1 ist
eine abgewandelte Ausführungsform
des Messkopfes 2 in Strichpunktlinien dargestellt. Während der
obere Messkopf 2 im wesentlichen dem in 1 entspricht, können auch
je nach Anwendungsfall andere Messköpfe eingesetzt werden, wobei
ggf. ein längerer
Außenmantel 10 verwendet
werden kann. Hierdurch ist eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorbauarten
möglich,
wobei allen die mechanisch und thermisch isolierte Anordnung der
Messplatine 4 in dem Gehäuse 5 gemeinsam ist,
so dass sich ein optimaler Schutz für die empfindliche Messplatine 4 mit
Auswerteelektronik ergibt. Diese ist neuerungsgemäß von außen über den
Stecker 12 einstellbar bzw. programmierbar, hier über den
Pol c des vierpoligen, um 360° drehbaren
Steckers 12, also das Ausgangssignal in seiner Struktur
veränderbar,
z. B. vom Frequenzbereich 5–15
Hz in die Ausgangsstromstärke
4–20 mA. Es
können
auch zwei verschiedene Ausgänge gleichzeitig
als Signalausgang abgegriffen werden, z. B. ein Ausgang mit 5–15 Hz und
ein Ausgang mit 4–20
mA.
-
Somit
kann in vorteilhafter Weise eine Kalibrierung bzw. Messpunkteinstellung
oder Nullpunktjustierung, also eine Konfiguration der Messplatine 4 über den
Stecker 12 und ein Laptop oder dergleichen möglich. Durch
den mehrpoligen, um 360° beliebig drehbaren
Ringstecker 12 kann der Sensor 1 oder ein damit
verbundenes, in 3 dargestelltes Anzeigemodul
oder dergleichen in jede gewünschte
Ableseposition gedreht werden. So kann neben der Anzeige auch eine
ansteckbare Schnittstelle und ein Datenloggermodul als zusätzliche
Komponenten vorgesehen sein (vgl. 3). Wesentlich
ist, dass der geschlossene Druck-, Kraft- und/oder Temperatursensor 1 durch
das Eindrahtinterface (am Pol c) in seinem Ausgangssignal geändert und
dem Anforderungsprofil des Kunden im Nullpunkt als auch bei den Signalpunkten
angepasst werden kann. So kann zum Beispiel ein 4–20 mA Sensorausgang
auf 5 bis 15 Hz umgestellt werden, oder der Nullpunkt gedriftet
auf z. B. 5,5 Hz kann auf 5,0 Hz zurückgestellt werden. Sind Signalpunkte
bei z. B. 6 mA und 18 mA gesetzt, so können diese beliebig z. B, auf
16 mA und 8 mA geändert
werden. In Verbindung mit dem Steckersystem bringt diese Form der
Sensorikverwaltung erhebliche Vorteile sowohl bei der Fertigung
als auch bei der Anwendung für
den Nutzer, da bisher ein Umstellen der Messplatine 4 auf
einen anderen Ausgang grundsätzlich
nicht möglich
war.
-
In 3 ist
eine weitere Ausführung
zur Verdeutlichung der Variationsmöglichkeiten gezeigt. Der Stecker 12 mit
Kabeln 13 ist hier links angedeutet, der in eine Steckbuchse
eines zwischengesetzten Steckmoduls 20 einsteckbar und
vorzugsweise über eine
vorstehend beschriebene Bajonettmutter 15 fixierbar ist.
Das Steckmodul 20 ist dabei spiegelbildlich aufgebaut und
bietet zur hier rechten Seite eine weitere Steckkupplung, wiederum
in Form einer Stecker-/Buchsenkonstruktion 12'/11' mit Überwurfmutter 15'. Dadurch ist
eine Signalkonditionierung oder -verarbeitung möglich, wobei eine leichte Austauschbarkeit
erzielt werden kann. Zudem können
weitere derartige Module eingefügt werden,
insbesondere ein hier dargestelltes Anzeigemodul 20'. Wie ersichtlich,
könnte
dieses Anzeigemodul 20' nicht
nur zwischen die Steckkupplung an den Bauteilen 12/11 eingefügt werden,
sondern auch zwischen die hier rechte Steckkupplung 12'/11', wobei das
Anzeigemodul 20' natürlich um
180° zu
drehen ist, wie mit dem Pfeil angedeutet. Ebenso können die
Steckmodule 20 als Datenlogger oder Schnittstellenmodul,
z.B. zur Funkübertragung
ausgebildet sein. Somit ergibt sich durch diese leicht trennbaren
Steckkupplungen eine große Vielfalt
in der Sensorgestaltung und verschiedene Ausbaustufen im Baukastenprinzip.