DE102005011973B4

DE102005011973B4 - Sensormodul

Info

Publication number: DE102005011973B4
Application number: DE102005011973A
Authority: DE
Inventors: Dr. Getman Igor; Thomas Uehlin; Michael Hügel; Hans-Bernd Dabow
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-03-13
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: DE102005011973A1

Abstract

Sensormodul (1), umfassend: ein Sensorelement; ein Gehäuse (2), mit einem im Wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen metallischen Gehäusekörper (2) mit einem Gewinde zumindest auf einem Abschnitt einer Mantelfläche, wobei der Gehäusekörper (2) in seinem Innern eine Sensorkammer umfasst, in welcher das Sensorelement zumindest teilweise angeordnet ist, und welche zumindest eine erste Sensorkammeröffnung zu einer ersten Stirnseite des Gehäusekörpers aufweist; und einem Gehäuseverschluss (3), der mittels einer umlaufenden Schweißnaht (4) um die Sensorkammeröffnung mit dem Gehäusekörpefnung zu verschließen; wobei der Gehäusekörper zwischen der Schweißnaht (4) und dem Abschnitt der Mantelfläche, auf welchem das Gewinde angeordnet ist, eine umlaufende Nut (5) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensormodul, insbesondere ein hermetisch dichtes Sensormodul, welches beispielsweise die Tauglichkeit für die Zündschutzart Ex d (ia) aufweist.
Ein solches Sensormodul umfasst ein im Wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrisches metallisches Gehäuse mit einem Gewinde auf seiner Mantelfläche zum Verschrauben mit einem passenden Gegengewinde einer Sensormodulaufnahme. Zudem kann das Gehäuse in einer ersten Stirnfläche eine Schnittstelle zum funktionellen Verbinden mit einer komplementären Schnittstelle der Sensoraufnahme aufweisen.
In der Stirnfläche oder in einer Mantelfläche des Gehäuses in einem Bereich zwischen der Stirnfläche und dem Gewinde ist eine Schweißnaht vorgesehen, mit welcher das Gehäuse druckdicht verschlossen ist. Untersuchungen haben gezeigt dass diese Schweißnaht sich derart auf das Gewinde auswirkt, dass dessen Radius zur Stirnfläche hin abnimmt. Daher erfüllt das Sensormodul nicht mehr die Anforderungen an die Tauglichkeit für die Zündschutzart Ex d (ia) oder es ist auch hinsichtlich anderer Anforderungen nicht mehr maßhaltig. Beispielsweise erfüllt es nicht mehr die Erfordernisse der M48-6g.
Die Patentschrift DD 295 501 A5 offenbart einen weiteren Drucksensor mit einer Flammdurchschlagsperre Auswirkungen von Schweißnähten auf die Maßhaltigkeit angrenzender Gewinde sind nicht betrachtet.
Die Patentschrift EP 0 090 871 B1 offenbart einen Hochdrucksensormodul mit einem Sensorelement und einem Gehäuse mit einem abschnittsweise zylindrischen, hohlschraubenförmigen, metallischen Gehäusekörper mit einem Gewinde auf einem Abschnitt einer Mantelfläche, umfasst, und wobei das Sensorelement von einer Stirnseite her in den hohlschraubenförmigen Gehäusekörper eingesetzt und mit einer umlaufenden Schweißnaht mit einer Stirnseite des Gehäusekörpers verschweißt ist, wobei zwischen dem Sensorelement und dem Gehäusekörper im Bereich des Gewindes ein Ringspalt verbleibt, um die Einwirkung von Einspannkräften auf das Sensorelement zu minimieren. Die Schweißnaht kann sich auf die Maßhaltigkeit des Gewindes negativ auswirken.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Sensormodul bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensormodul gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.
Das erfindungsgemäße Sensormodul umfasst
ein Sensorelement;
ein Gehäuse, mit
einem im Wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen, metallischen Gehäusekörper mit einem Gewinde zumindest auf einem Abschnitt einer Mantelfläche, wobei der Gehäusekörper in seinem Innern eine Sensorkammer umfasst, in welcher das Sensorelement zumindest teilweise angeordnet ist, und welche zumindest eine erste Sensorkammeröffnung zu einer ersten Stirnseite des Gehäusekörpers aufweist; und
einem Gehäuseverschluss, der mittels einer umlaufenden Schweißnaht um die Sensorkammeröffnung mit dem Gehäusekörper verschweißt ist, um die erste Sensorkammeröffnung zu verschließen; wobei
der Gehäusekörper zwischen der Schweißnaht und dem Abschnitt der Mantelfläche, auf welchem das Gewinde angeordnet ist, eine umlaufende Nut aufweist.
Die Nut kann sich beispielsweise von einer ringförmigen Oberfläche des Gehäusekörpers in axialer Richtung in den Gehäusekörper hinein erstrecken. Eine solche Nut weist insoweit einen Innenrand und einen Außenrand und einen Boden bzw. eine Basis auf. Die Nut kann beispielsweise in axialer Richtung eine Tiefe von mindestens einem Gewindegang, bevorzugt von mindestens anderthalb Gewindegängen, weiter bevorzugt von mindestens zwei Gewindegängen des Gewindes auf der Mantelfläche des Gehäusekörpers aufweisen. Die Tiefe in axialer Richtung ist dabei bezogen auf die niedrigere der Oberkanten der beiden Ränder der Nut, also entweder die Oberkante des Innenrandes oder des Außenrandes.
In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Tiefe der Nut nicht weniger als 1 mm, bevorzugt nicht weniger als 2 mm, weiter bevorzugt nicht weniger als 3 mm und besonders bevorzugt nicht weniger als 4 mm. Gleichermaßen kann die Nut in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Tiefe von höchstens 12 mm, bevorzugt höchstens 10 mm und weiter bevorzugt höchstens 8 mm aufweisen.
Die mittlere Breite der Nut, also die Differenz zwischen dem Innenradius und dem Außenradius der Nut arithmetisch gemittelt vom tiefsten Punkt der Nut bis zur niedrigeren der beiden Oberkanten, beträgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nicht weniger als ein Achtel der Tiefe der Nut, bevorzugt nicht weniger als ein Viertel der Tiefe der Nut und weiter bevorzugt nicht weniger als ein Drittel der Tiefe der Nut, und besonders bevorzugt nicht weniger als zwei Fünftel der Tiefe der Nut.
Die mittlere Breite der Nut beträgt andererseits bevorzugt nicht mehr als die einfache Tiefe der Nut und besonders bevorzugt nicht mehr als zwei Drittel der Tiefe der Nut.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Nut einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Breite der Nut kann dabei beispielsweise ungefähr die Hälfte der Tiefe der Nut betragen.
Der radiale Abstand des äußeren Randes der Nut von der Mantelfläche des Gehäusekörpers kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise mindestens ein Viertel der mittleren Breite der Nut, bevorzugt mindestens die Hälfte, weiter bevorzugt mindestens drei Viertel der mittleren Breite der Nut betragen. Gleichermaßen kann der radiale Abstand des äußeren Randes der Nut von der Mantelfläche der Nut gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise höchstens das Dreifache der mittleren Breite der Nut, bevorzugt höchstens das Doppelte der mittleren Breite der Nut betragen.
Der Gehäusekörperdurchmesser im Bereich des Gewindes kann in einer Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise mindestens 3 cm, bevorzugt mindestens 4 cm und besonders bevorzugt mindestens 4,5 cm betragen. Der Gehäusekörperdurchmesser kann gemäß dieser Weiterbildung beispielsweise nicht mehr als 8 cm, bevorzugt nicht mehr als 6 cm, und weiter bevorzugt nicht mehr als 5 cm betragen. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung weist der Gehäusekörper ein M48-Gewinde und einen dazu passenden Durchmesser auf.
Die zuvor beschriebene Dimensionierung der Nut wurde mittels Finite-Elemente-Methoden auf die gegebenen Abmessungen des Gehäusekörpers optimiert und anhand von vermessenen Prototypen als günstig verifiziert. Für andere Gehäuseabmessungen können sich andere Dimensionen für die Nut ergeben.
In einer Ausgestaltung der Erfindung fluchtet die Oberkante des inneren Rands der Nut radial mit einer Mantelfläche des Verschlusskörpers. Gemäß dieser Ausgestaltung kann der Verschlusskörper auf den Rand der Nut aufgesetzt und mit diesem verschweißt werden. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann der innere Rand der Nut weiter axial hervorstehen als der äußere Rand der Nut, um das Verschweißen des inneren Randes mit dem Verschlusskörper zu erleichtern. Derzeit ist es jedoch bevorzugt, wenn der innere Rand und der äußere Rand die gleiche Höhe aufweisen.
Das Sensormodul kann beispielsweise einen Drucksensor, einen Temperatursensor, einen Füllstandssensor, einen potentiometrischen Sensor, insbesondere einen pH-Sensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen photometrischen Sensor oder einen anderen Sensor zum Erfassen eines physikalischen oder chemischen Parameters eines Mediums umfassen.
Zudem kann das Sensormodul eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer komplementären Schnittstelle, beispielsweise in einer Modulaufnahme aufweisen. Die Schnittstelle kann elektrische Kontakte umfassen, die mittels einer Durchführung, beispielsweise einer Glasdurchführung aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Gleichermaßen kann die Schnittstelle Fenster zur optischen Übertragung von Daten und/oder Energie aufweisen. Schließlich kann die Schnittstelle auch einen kapazitiven oder induktiven Koppler umfassen, wozu beispielsweise die Gehäusewand im Bereich der Stirnfläche vorzugsweise einen isolierenden Abschnitt aufweist, durch den die Datenübertragung erfolgt. Die Glasdurchführung oder der isolierende Abschnitt können in dem Verschlusskörper angeordnet sein, wobei der Verschlusskörper beispielsweise eine Nut aufweisen kann, die in der der Sensorkammer zugewandten Oberfläche zwischen der Schweißnaht und der Glasdurchführung bzw. dem isolierenden Abschnitt verläuft und letztere umschließt.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Sensormodulgehäuses;
2a: einen Längsschnitt durch ein FEM-Modell eines Sensorgehäuses bei einer Nuttiefe von 4 mm;
2b: einen Längsschnitt durch ein FEM-Modell eines Sensorgehäuses bei einer Nuttiefe von 7 mm;
3a: die Verteilung von Messpunkten auf einem M48-Gewinde bei Gehäusekörpern gemäß dem Stand der Technik;
3b: die Verteilung von Messpunkten auf einem M48-Gewinde bei erfindungsgemäßen Gehäusekörpern; und
4: der Verlauf der Verformung in Abhängigkeit von Nuttiefe und radialer Nutposition.
Das Sensormodul gemäß 1 weist ein Gehäuse 1 mit einem abschnittsweise zylindrischen Gehäusekörper 2 und einem Verschlusskörper 3 auf, welcher eine Öffnung zu einer Sensorkammer im Gehäusekörper 2 verschließt. Der Gehäusekörper und der Verschlusskörper sind aus Edelstahl gefertigt und über eine umlaufende Schweißnaht 4 miteinander verbunden. Um eine Entlastung eines hier nicht dargestellten Gewindes, beispielsweise eine M48-Gewindes auf der Mantelfläche des Gehäusekörpers zu erzielen, ist eine Nut 5 zwischen der umlaufenden Schweißnaht 4 und der Mantelfläche des Gehäusekörpers 2 vorgesehen. Die Tiefe 9 der Nut beträgt 4 mm, und die Breite, gekennzeichnet durch die Differenz zwischen Außenradius 7 und Innenradius 6, beträgt 2 mm. Der radiale Abstand der Nut von der Mantelfläche, gemessen vom Außenrand der Nut 5, also (8-7), beträgt etwa 2 mm. Mit dieser Maßnahme lässt sich die Verringerung des Radius 8 durch das Verschweißen des Verschlusskörpers 3 mit dem Sensorkörper 2 erheblich abmildern.
2a und b zeigen nun Längsschnitte durch ein FEM-Modell eines Gehäusekörpers mit einem M48-Gewinde auf der Mantelfläche für eine Nuttiefe von 4 mm bzw. 7 mm jeweils bei einer Nutbreite von 2 mm. Das Gewinde erstreckt sich in axialer Richtung praktisch bis an die Stirnseite des Gehäusekörpers. Die radiale Abweichung von der Sollposition ist in den Bildern übertrieben dargestellt. Das Gewinde ist nicht dargestellt. Den Figuren ist zu entnehmen, dass die Abweichung der Mantelfläche des Gehäusekörpers von der radialen Sollposition von axial mittleren Positionen zur Stirnfläche hin bei einer Nuttiefe von 4 mm monoton verläuft. Bei einer Nuttiefe von 7 mm durchläuft die Abweichung dagegen ein Maximum und nimmt zur Stirnfläche hin wieder zu. Damit ist hier ein Optimum überschritten.
3a und 3b zeigen die gemessenen radialen Positionen von Testpunkten entlang verschiedener axialer Indexpositionen eines M48-Gewindes. 3a zeigt diese Daten für 13 Sensormodule nach dem Stand der Technik, d. h. ohne die Nut, während die entsprechenden Daten in 3b von 15 erfindungsgemäßen Sensormodulen mit einer Nuttiefe von 4 mm und einer Nutbreite von 2 mm stammen. Die Mittelwerte sind jeweils als stärkere Linie hervorgehoben. Die Verbesserung durch die Einführung der Nut ist offensichtlich.
4 zeigt schließlich ein Diagramm, welches als Ergebnisse der FEM-Simulationen Trends für die radiale Verformung in Abhängigkeit der Tiefe (durchgezogene Linie) und der radialen Position (punktierte Linie) der Nut bei einer Nutbreite von 2 mm zeigt. Demnach ergibt sich bei dem gewählten Gehäusekörper ein Optimum bei einer Nuttiefe von etwas mehr als 5 mm und einem radialen Abstand von etwa 4 mm von der Mantelfläche des Sensors.

Claims

Sensormodul (1), umfassend: ein Sensorelement; ein Gehäuse (2), mit einem im Wesentlichen zumindest abschnittsweise zylindrischen metallischen Gehäusekörper (2) mit einem Gewinde zumindest auf einem Abschnitt einer Mantelfläche, wobei der Gehäusekörper (2) in seinem Innern eine Sensorkammer umfasst, in welcher das Sensorelement zumindest teilweise angeordnet ist, und welche zumindest eine erste Sensorkammeröffnung zu einer ersten Stirnseite des Gehäusekörpers aufweist; und einem Gehäuseverschluss (3), der mittels einer umlaufenden Schweißnaht (4) um die Sensorkammeröffnung mit dem Gehäusekörper (2) verschweißt ist, um die erste Sensorkammeröffnung zu verschließen; wobei der Gehäusekörper zwischen der Schweißnaht (4) und dem Abschnitt der Mantelfläche, auf welchem das Gewinde angeordnet ist, eine umlaufende Nut (5) aufweist.
Sensormodul nach Anspruch 1, wobei die Nut sich von einer ringförmigen Oberfläche des Gehäusekörpers in axialer Richtung in den Gehäusekörper hinein erstreckt.
Sensormodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Nut in axialer Richtung eine Tiefe von mindestens einem Gewindegang, bevorzugt von mindestens anderthalb Gewindegängen, weiter bevorzugt von mindestens zwei Gewindegängen des Gewindes aufweist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Tiefe der Nut nicht weniger als 1 mm, bevorzugt nicht weniger als 2 mm, weiter bevorzugt nicht weniger als 3 mm und besonders bevorzugt nicht weniger als 4 mm beträgt.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Tiefe der Nut höchstens 12 mm, bevorzugt höchstens 9 mm und weiter bevorzugt höchstens 7 mm aufweist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mittlere Breite der Nut nicht weniger als ein Achtel der Tiefe der Nut, bevorzugt nicht weniger als ein Viertel der Tiefe der Nut und weiter bevorzugt nicht weniger als ein Drittel der Tiefe der Nut, und besonders bevorzugt nicht weniger als zwei Fünftel der Tiefe der Nut beträgt.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mittlere Breite der Nut nicht mehr als die einfache Tiefe der Nut und besonders bevorzugt nicht mehr als zwei Drittel der Tiefe der Nut beträgt.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Nut einen rechteckigen Querschnitt aufweist, bei dem die Breite der Nut etwa die Hälfte der Tiefe der Nut beträgt.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der radiale Abstand des äußeren Randes der Nut von der Mantelfläche des Gehäusekörpers mindestens ein Viertel der mittleren Breite der Nut, bevorzugt mindestens die Hälfte, weiter bevorzugt mindestens drei Viertel der mittleren Breite der Nut beträgt.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der radiale Abstand des äußeren Randes der Nut von der Mantelfläche der Nut höchstens das Dreifache der mittleren Breite der Nut und bevorzugt höchstens das Doppelte der mittleren Breite der Nut beträgt.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Oberkante des inneren Rands der Nut radial mit einer Mantelfläche des Verschlusskörpers fluchtet.
Sensormodul nach Anspruch 11, wobei der Verschlusskörper auf den Rand der Nut aufgesetzt und mit diesem verschweißt ist.
Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als Sensorelement einen Drucksensor, einen Temperatursensor, einen Füllstandssensor, einen potentiometrischen Sensor, insbesondere einen pH-Sensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen photometrischen Sensor oder einen anderen Sensor zum Erfassen eines physikalischen oder chemischen Parameters eines Mediums aufweist.
Sensormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensormodul ferner eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer komplementären Schnittstelle aufweist.
Sensormodul nach Anspruch 14, wobei für die Schnittstelle in dem Gehäuseverschluss ein Glaskörper oder ein isolierender Abschnitt vorgesehen ist, und zwischen der Schweißnaht und dem isolierenden Abschnitt auf der Innenseite des Gehäuseverschlusses eine Ringnut verläuft.