DE102012203400A1

DE102012203400A1 - Messgerät und Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstands eines Mediums

Info

Publication number: DE102012203400A1
Application number: DE201210203400
Authority: DE
Inventors: Stefan Kreis
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: DE102012203400B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur kapazitiven Grenzstandserfassung sowie eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstands eines Mediums. Damit das Messgerät und die Anordnung aus Messgerät und Adapter einfach herzustellen und leicht reinigbar ist, ist bei dem erfindungsgemäßen Messgerät vorgesehen, dass das Gehäuse (2) des Messgeräts am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung (5) der Sensorspitze (3) eine axial gerichtete krallenartige Erhebung (2a) aufweist und zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen Gehäuse (2) und Sensorspitze (3) diese krallenartige Erhebung (2a) die Kunststoffummantelung (5) in einem quasi linienförmigen Bereich berührt, und bei der erfindungsgemäßen Anordnung, dass der Dichtsteg (11) des Adapters (10) ein spitz zulaufendes Ende in Form einer Dichtkante (11a) und das Gehäuse (2) am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung (5) der Sensorspitze (3) eine axial gerichtete krallenartige Erhebung (2a) aufweist, wobei zur Abdichtung der Verbindung zwischen Messgerät (1) und Adapter (10) sowohl die Dichtkante (11a) als auch die krallenartige Erhebung (2a) die Kunststoffummantelung (5) an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Vorsprungs (6) in quasi linienförmigen Bereichen berühren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur kapazitiven Grenzstandserfassung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Anordnung zur kapazitiven Messung des Füllstands eines Mediums gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Kapazitiv arbeitende Messgeräte zur Grenzstandserfassung, die das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein eines bestimmten Füllstandes eines Mediums ermitteln, sind bekannt, bspw. aus der DE102007059709A1 . Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Gehäuse und einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse anschließenden Sensorspitze. In der Sensorspitze ist oft nur eine Elektrode des Messkondensators ausgebildet und die andere Elektrode des Messkondensators wird durch die Umgebung des kapazitiven Sensors bzw. Messgeräts gebildet. Der Messkondensator ist also im Regelfall kein Kondensator im Sinne eines vollständigen elektrotechnischen Bauelements, sondern eine mit einer Kapazität ausgestattete Anordnung, deren aktive Elektrode dem kapazitiven Sensor zugeordnet ist, wobei sich ein elektrisches Streufeld von der aktiven Elektrode in die Umgebung erstreckt. Um die Messelektrode als Sensor vor äußeren Einflüssen zu schützen ist sie von einer Kunststoffummantelung umgeben.
Bei den bekannten Grenzstandsschaltern muss der Übergang der Kunststoffummantelung und dem Messgerätegehäuse insbesondere beim Einsatz in der Lebensmittelindustrie aus hygienischen Gründen abgedichtet werden, da die Sensorspitze vom Messgerät nicht oder nicht ohne Weiteres demontierbar ist und somit beide Teile nicht separat reinigbar sind.
Im Stand der Technik werden die beide Teile entweder miteinander verklebt oder die Dichtigkeit wird mit Hilfe eines Dichtungsrings, insbesondere eines O-Rings erreicht. Beides verursacht nicht unerhebliche Kosten, insbesondere aufgrund des höheren Fertigungsaufwands. Im Fall einer Klebung ist zudem auch die Auswahl des Klebers stark eingeschränkt, da die Konformität mit bestimmten Normen und Zulassungen einzuhalten ist. Bei der Abdichtung mittels O-Ring ergeben sich Nachteile in der mechanischen Stabilität, da sich durch die O-Ring-Nut die Auflagefläche zwischen Kunststoffummantelung und Sensorgehäuse verringert. Eine konstruktive Behebung dieses Nachteils verursacht jedoch erheblichen Mehraufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl ein Messgerät zur kapazitiven Grenzstandserfassung als auch eine Anordnung mit einem solchen Messgerät zur Verfügung zu stellen, das bzw. die die genannten Nachteile vermeidet, einfach herzustellen ist und leicht reinigbar ist.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Messgerät gemäß dem kennzeichnen Teil des Anspruchs 1 sowie durch eine Anordnung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6.
Erfindungsgemäß ist zunächst bei dem Messgerät vorgesehen, dass das Gehäuse am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung der Sensorspitze eine axial gerichtete krallenartige Erhebung aufweist und zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen Gehäuse und Sensorspitze diese krallenartige Erhebung die Kunststoffummantelung in einem quasi linienförmigen Bereich berührt. Die dichte Verbindung zwischen Gehäuse und Kunststoffummantelung wird demnach ohne zusätzlichem Dichtelement oder Klebemittel hergestellt und durch die Anordnung der krallenartige Erhebung am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung der Sensorspitze kann eine totraumfreie und sehr gut reinigbare Abdichtung zwischen beiden Teilen realisiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Außenkante des Vorsprungs dem Durchmesser des Gehäuses entspricht. Dadurch schließt sich die Kunststoffummantelung an die Rotationssymmetrie des Gehäuses an, wodurch u.a. das Einschrauben des Messgeräts in einen Adapter erleichtert und das Vermeiden von vorstehenden oder Toträume bildende Konstruktionen erreicht wird.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung sind die einander gegenüberliegende Flächen von Kunststoffummantelung und Gehäuse in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Bevorzugt liegt der Winkel zwischen 0,5°–10°, besonders bevorzugt zwischen 1° und 5°. Dadurch vergrößert sich der Abs tand zwischen beiden Flächen nach innen verlaufend, wodurch bei der Montage der beiden Teile eine Vorspannung des Kunststoffteils erreicht werden kann. Dies wird erreicht, indem der Abstand der beiden Teile zumindest teilweise bei der Montage geschlossen wird, wodurch das Kunststoffteil federelastisch verformt wird. Eine dauerhafte Abdichtung an sich ist nur möglich, wenn die Dichtkraft aufrechterhalten werden kann. Dies wird bei Kunststoffen durch deren Kriechneigung zumindest erschwert. Durch die krallenartige Erhebung und der damit quasi linienförmigen Dichtfläche zwischen dem Gehäuse und der Kunststoffummantelung, ergänzt um die beschriebene Federelastizität wird dieser Kriechneigung entgegengewirkt.
Die Kunststoffummantelung besteht bevorzugt aus einem thermoplastischem Material, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK). Denkbar sind aber auch andere Materialien, insbesondere modifiziertes Polytetrafluorethylen (PTFE).
In einem zweiten Aspekt wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch eine Anordnung bestehend aus einem Messgerät und einem Adapter. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Dichtsteg des Adapters ein spitz zulaufendes Ende in Form einer Dichtkante und das Gehäuse am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung der Sensorspitze eine axial gerichtete krallenartige Erhebung aufweist, wobei zur Abdichtung der Verbindung zwischen Messgerät und Adapter sowohl die Dichtkante als auch die krallenartige Erhebung die Kunststoffummantelung an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Vorsprungs in quasi linienförmigen Bereichen berühren. Auf diese Weise ergeben sich in gleicher Weise die bereits im Zusammenhang mit dem Messgerät erläuterten Vorteile hinsichtlich der dichten, leicht reinigbaren Verbindung.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, dass die beiden Berührungsbereiche einen jeweils unterschiedlichen radialen Abstand zur Achse des Messgeräts aufweisen, so dass der Vorsprung als federnde Auflage wirkt. Das Messgerät wird vorteilhafterweise in den Adapter eingeschraubt, wobei allerdings auch andere, gleichwirkende Verbindungsarten möglich sind. Wenn das Messgerät nahezu vollständig eingeschraubt ist, wirkt der Vorsprung als federelastischer Kraftpuffer, der in einem gewissen Rahmen bspw. einer Materialermüdung, thermischer Ausdehnung oder Kriechneigung entgegenwirkt.
Grundsätzlich ist die Erfindung neben dem Einsatz in der kapazitiven Grenzstandserfassung auch für andere Anwendungen denkbar, wie z.B. bei pH-Wert-Messgeräten oder auch bei Magnetisch-Induktiven-Durchflussmessern.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur kapazitiven Grenzstandserfassung,
2 ein Längsschnittbild durch die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 an der Sensorspitze,
3 ein Ausschnitt aus 2 in vergrößerter Darstellung und
4 ein Ausschnitt aus 3 in vergrößerter Darstellung.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung zur kapazitiven Grenzstandserfassung, bestehend aus einem Messgerät 1 und einem Adapter 10. Das Messgerät 1 ist vorzugsweise in den Adapter 10 eingeschraubt. Daher ist das Gehäuse 2 des Messgeräts zumindest teilweise rotationssymmetrisch ausgeführt. Am vorderen Ende des Messgeräts 1, unmittelbar an das Gehäuse 2 angeschlossen, befindet sich die Sensorspitze 3, die im Wesentlichen aus einer Messelektrode 4 und einer die Messelektrode 4 umgebenden Kunststoffummantelung 5 besteht, wie in den nachfolgenden Figuren noch näher erläutert wird. Mit Hilfe der Messelektrode 4 kann gegen ein Bezugspotential eine Kapazität gemessen werden, was letztlich zur Bestimmung eines Grenzwertes eines Füllstands ausgewertet werden kann.
An der linken unteren Ecke ist der Adapter 10 durch einen kreisrunden Ausschnitt das Innenleben zu erkennen, was in den folgenden Figuren vergrößert dargestellt wird.
In 2 ist ein Längsschnittbild durch die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 1 an der Sensorspitze dargestellt. Die Messelektrode 4 ist von einer Kunststoffummantelung 5 umgeben und bildet die Sensorspitze 3. Als bevorzugtes Material für die Kunststoffummantelung ist PEEK vorgesehen, weil es insbesondere hinsichtlich der chemischen Beständigkeit und der vergleichsweise geringen Kriechneigung ideal ist. Denkbar ist aber beispielsweise auch modifiziertes PTFE oder ein anderer thermoplastischer Kunststoff.
Der Adapter 10 weist ein sich in axialer Richtung erstreckendes Durchgangsloch auf, in das das Messgerät 1 eingeschraubt ist. Am unteren Ende des Durchgangslochs ist ein Dichtsteg 11 angeordnet, gegen den das Messgerät 1 nach erfolgtem Einschraubvorgang anschlägt bzw. gegen den sich das Messgerät 1 abstützt. Zur Realisierung dieses Anschlag bzw. dieser Abstützung weist das Messgerät 1 einen umlaufenden, den Durchmesser der Sensorspitze 3 vergrößernden Vorsprungs 6 auf. Dieser Vorsprung 6 ist vorzugsweise Teil der Kunststoffummantelung und besteht daher ebenfalls aus dem bevorzugten Material PEEK. Idealerweise erstreckt sich der Vorsprung 6 in radialer Richtung soweit, dass er mit dem Durchmesser des Gehäuses 2 in einer Flucht liegt. Ein überstehender Vorsprung würde das Einschrauben des Messgeräts 1 in den Adapter 10 erschweren und eine Zurückversetzung würde die Gefahr darstellen, dass sich dort Substanzen absetzen, die für Verunreinigungen sorgen können.
Die genaue Ausgestaltung der Verbindung zwischen Gehäuse 2 und Vorsprung 6 sowie zwischen Vorsprung 6 und Dichtsteg 11 wird nachfolgend in Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben, die jeweils eine vergrößerte Darstellung des eingekreisten Bereichs in 2 darstellen.
Wie in den 3 und 4 zu erkennen, ist das Entscheidende bei der Verbindung zwischen Gehäuse 2 und Vorsprung 6 eine axial nach unten, d.h. in Richtung des Vorsprungs 6 gerichtete krallenartige Erhebung 2a, die das Gehäuse 2 an seinem äußeren Rand aufweist. Dadurch, dass die Gehäusewand 2 nicht plan auf dem Vorsprung 6 aufliegt, sondern sie in einem spitzen Winkel α zueinander angeordnet sind, kommt es durch die krallenartige Erhebung 2a zu einem quasi linienförmigen Verbindungsbereich zwischen Gehäuse und Vorsprung, wodurch auch ohne zusätzlichem Dichtelement eine extrem dichte Verbindung realisierbar ist. Durch die Schrägstellung der beiden Teile zueinander ermöglicht der dadurch entstehende Hebel einer gewissen, nicht zu vermeidenden Kriechneigung entgegenzuwirken.
Auf der Unterseite des Vorsprungs 6 kommt es zur Berührung mit der Dichtsteg 11 des Adapters 10. Da der Dichtsteg 11 ein spitz zulaufendes Ende in Form einer Dichtkante 11a aufweist und auch hier die Unterseite des Vorsprungs 6 nicht plan auf dem Dichtsteg aufliegt, kommt es auch hier im Bereich der Dichtkante 11a zu einem quasi linienförmigen Verbindungsbereich mit den Vorteilen wie soeben beschrieben.
Wie in 3 zu sehen, weisen die beiden quasi linienförmigen Berührungsbereiche einen jeweils unterschiedlichen radialen Abstand zur Achse des Messgeräts 1 auf. Dadurch wirkt der Vorsprung 6 als federnde Auflage, so dass einer Ermüdungs- oder Kriecherscheinung durch den sich durch die Vorspannung des Vorsprungs 6 während des Einschraubvorgangs ergebenden Kraftpuffer dynamisch entgegengewirkt werden kann.
4 zeigt eine nochmals vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus 3, aus dem insbesondere die Ausgestaltung der krallenartigen Erhebung 2a zu entnehmen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007059709 A1 [0002]

Claims

Messgerät (1) zur kapazitiven Grenzstandserfassung, bestehend aus – einem zumindest teilweise rotationssymmetrischen Gehäuse (2) und – einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse (2) anschließenden Sensorspitze (3), die im Wesentlichen aus einer Messelektrode (4) und einer die Messelektrode (4) umgebenden Kunststoffummantelung (5) besteht, wobei die Kunststoffummantelung (5) einen umlaufenden, den Durchmesser der Sensorspitze (3) vergrößernden Vorsprung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung (5) der Sensorspitze (3) eine axial gerichtete krallenartige Erhebung (2a) aufweist und zur Herstellung einer dichten Verbindung zwischen Gehäuse (2) und Sensorspitze (3) diese krallenartige Erhebung (2a) die Kunststoffummantelung (5) in einem quasi linienförmigen Bereich berührt.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkante des Vorsprungs (6) dem Durchmesser des Gehäuses (2) entspricht.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegende Flächen von Kunststoffummantelung (5) und Gehäuse (2) in einem spitzen Winkel α zueinander angeordnet sind, so dass sich der Abstand zwischen beiden Flächen nach innen verlaufend vergrößert.
Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α in einem Bereich zwischen 0,5°–10°, besonders bevorzugt zwischen 1° und 5° liegt.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung (5) aus einem thermoplastischem Material besteht, insbesondere aus Polyetheretherketon.
Anordnung zur kapazitiven Grenzstandserfassung, bestehend aus – einem Messgerät (1) mit einem zumindest teilweise rotationssymmetrischen Gehäuse (2) und einer sich in axialer Richtung unmittelbar an das Gehäuse (2) anschließenden Sensorspitze (3), die im Wesentlichen aus einer Messelektrode (4) und einer die Messelektrode (4) umgebenden Kunststoffummantelung (5) besteht, und – einem Adapter (10) mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Durchgangsloch und einem Dichtsteg (11) im Durchgangsloch, wobei zwischen dem Messgerät (1) und dem Adapter (10) mittels eines umlaufenden, den Durchmesser der Sensorspitze (3) vergrößernden Vorsprungs (6), der auf dem Dichtsteg (11) des Adapters (10) aufliegt, eine lösbare und dichte Verbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsteg (11) des Adapters (10) ein spitz zulaufendes Ende in Form einer Dichtkante (11a) und das Gehäuse (2) am äußersten Rand der Berührungsfläche mit der Ummantelung (5) der Sensorspitze (3) eine axial gerichtete krallenartige Erhebung (2a) aufweist, wobei zur Abdichtung der Verbindung zwischen Messgerät (1) und Adapter (10) sowohl die Dichtkante (11a) als auch die krallenartige Erhebung (2a) die Kunststoffummantelung (5) an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Vorsprungs (6) in quasi linienförmigen Bereichen berühren.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Berührungsbereiche einen jeweils unterschiedlichen radialen Abstand zur Achse des Messgeräts (1) aufweisen, so dass der Vorsprung (6) als federnde Auflage wirkt.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkante des Vorsprungs (6) dem Durchmesser des Gehäuses (2) entspricht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einander gegenüberliegende Flächen von Kunststoffummantelung (5) und Gehäuse (2) in einem spitzen Winkel (α) zueinander angeordnet sind, so dass sich der Abstand zwischen beiden Flächen nach innen verlaufend vergrößert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffummantelung (5) aus einem thermoplastischem Material besteht, insbesondere aus Polyetheretherketon.