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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Leitfähigkeitssensors und einen induktiven Leitfähigkeitssensor, der nach einem solchen Verfahren hergestellt ist.
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Induktive Leitfähigkeitssensoren dienen in einer Vielzahl von Anwendungen im Labor und der Prozessmesstechnik zur Erfassung der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums. Sie kommen vorzugsweise dort zum Einsatz, wo große Messbereiche und hohe chemische oder thermische Belastungen auftreten. Dies ist beispielsweise in einer Vielzahl industrieller chemischer Prozesse der Fall, aber auch bei Heißdampfsterilisationsverfahren, die häufig aufgrund der hohen Hygieneanforderungen im Bereich der Lebensmitteltechnik eingesetzt werden.
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Aufgrund der genannten Anforderungen kommen häufig Hochleistungskunststoffe zum Einsatz. Ein solches Beispiel ist Polyetheretherketon (abgekürzt PEEK) als ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff, der zur Stoffgruppe der Polyaryletherketone gehört. Polyetheretherketon (PEEK) ist ein teilkristalliner Thermoplast mit hoher Zug- und Biegefestigkeit, hoher Schlagzähigkeit, hoher Wechselfestigkeit, hoher Chemikalienbeständigkeit und ist schwer entflammbar.
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Ein induktiver Leitfähigkeitssensor umfasst eine Sendespule und eine Empfangsspule, welche in der Regel als Ringspulen, auch als Toroidspulen bezeichnet, ausgestaltet sind. Ein derartiger Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule so weit in das Medium eingeführt werden, dass sich ein durch das Medium verlaufender, die Sende- und die Empfangsspule durchsetzender, geschlossener Strompfad ausbilden kann. Wenn die Sendespule mit einem Wechselspannungssignal als Eingangssignal angeregt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem die Spulen durchsetzenden, in sich geschlossenen Mediumspfad einen Strom induziert, dessen Stärke von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums abhängig ist. Da dieser elektrische Wechselstrom im Medium wiederum ein ihn umgebendes veränderliches Magnetfeld hervorruft, wird ein Wechselstrom in der Empfangsspule als Ausgangssignal induziert. Dieser von der Empfangsspule als Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende Wechselspannung ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.
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Zum Speisen der Sendespule mit einer Wechselspannung umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der Sendespule verbundene Treiberschaltung. Zur Erfassung des Ausgangssignals der Empfangsspule umfasst der Leitfähigkeitssensor darüber hinaus eine mit der Empfangsspule elektrisch verbundene Empfangsschaltung, die dazu ausgestaltet ist, das erfasste und gegebenenfalls von der Empfangsschaltung aufbereitete Messsignal an eine Sensorelektronik auszugeben, die dazu dient, das Messsignal weiter zu verarbeiten und gegebenenfalls zu digitalisieren. Häufig sind Leitfähigkeitssensoren als mindestens abschnittsweise in das Medium eintauchbare Messsonden ausgestaltet. Eine solche Messsonde weist ein Gehäuse auf, in dem die Sende- und Empfangsspule, gegebenenfalls die Treiberschaltung und die Empfangsschaltung sowie weitere, mit der Sende- und Empfangsschaltung in einer Sensorschaltung zusammengefasste Schaltungsteile untergebracht sind. Die Messsonde ist in einer derartigen Ausgestaltung mit einer abgesetzten übergeordneten Einheit, beispielsweise einer Anzeigeeinheit, einem Messumformer, oder einem Computer, verbunden. Die übergeordnete Einheit kann sowohl zur Energieversorgung der Messsonde als auch zur Datenkommunikation mit der Messsonde ausgestaltet sein. Die optional in der Messsonde enthaltene Sensorschaltung kann dazu ausgestaltet sein, das weiterverarbeitete, gegebenenfalls digitalisierte Messsignal an die übergeordnete Einheit weiterzugeben. Der entsprechende Messwert kann über die übergeordnete Einheit mittels einer Anzeigeeinrichtung angezeigt oder über eine Datenschnittstelle ausgegeben werden.
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Die Spulen von induktiven Leitfähigkeitssensoren können in verschiedener Art und Weise mit einem Gehäuse versehen werden. Bei einem bekannten Verfahren wird eine Spulenbaugruppe gebildet, bei welcher die Spulen zunächst in einem aufwändigen Verfahren in ein separates Spulengehäuse eingesetzt und anschließend in diesem Spulengehäuse mit Kunststoff umspritzt werden. Die so erzeugte Baugruppe wird dann in ein Sensorgehäuse eingeführt. Die Schaffung des separaten Spulengehäuses ist notwendig, um die Spulen beim Umspritzen vor hohen Spritzdrücken und vor sehr hohen Temperaturen während des Spritzvorganges zu schützen. Da die Spulen sehr empfindlich gegenüber Druck und Temperatur sind, besteht bei dieser Verarbeitung neben einem hohen Vorbereitungs- und Montageaufwand der Spulenbaugruppe ein hohes Ausschussrisiko.
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Bei einem bekannten Sensor werden zwei Spulen auf jeweils einer Seite einer Leiterplatte angeordnet und anschließend die vormontierte Leiterplatte in das Sensorgehäuse eingesetzt. Die Leiterplatte weist dabei eine Öffnung auf, um welche sich die als Ringspulen ausgebildeten Spulen positionieren. Nach dem Einsetzen der Leiterplatte in das Sensorgehäuse wird das Gehäuse durch eine Hülse verschlossen, welche durch eine Wandung des Gehäuses in das Gehäuse eingeführt und durch die Öffnung der Leiterplatte hindurch geführt wird. Die beiden Enden der Hülse werden dabei an den Trennstellen zum Gehäuse mit diesem verklebt. Der Innenraum des Sensorgehäuses wird im Anschluss mit einer Vergussmasse ausgefüllt. Neben dem Vorbereitungsaufwand der Klebestellen, welche vor dem Klebeprozess gereinigt werden müssen, ist auch eine Nacharbeit an den Übergangsstellen der Klebung notwendig. Der Klebespalt, welcher sich zwischen Hülse und Gehäuse ausbildet, weist einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse auf, wobei bei Temperaturwechselvorgängen beim Einsatz des induktiven Sensors der Klebespalt abgelöst werden kann. Darüber hinaus weist der Klebstoff eine schlechtere chemische Beständigkeit als Kunststoff auf. Zur Herstellung der zwei separaten Klebestellen ist eine aufwändige Handhabung notwendig, welche einen höheren Zeitaufwand erfordert.
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Die Dissertation von Joachim Nehr mit dem Titel „Neuro-Fuzzy-Modellierung zur umfassenden Prozessüberwachung am Beispiel des Ultraschallschweißens von Kunststoffteilen" der Universität Stuttgart aus dem Jahr 2011 beschreibt den Ultraschallschweißprozess folgendermaßen:
Ein schwingungsfähiges System, bestehend aus Konverter, Booster und Sonotrode, wird durch Anregung mittels Piezoelementen im Konverter in longitudinale Schwingungen im Ultraschallbereich versetzt. Typische Schwingfrequenzen sind dabei 20, 30, 35 oder 40 kHz – je nach Maschinenhersteller und Größe der zu schweißenden Werkstücke. Die ursprüngliche Schwingungsamplitude im Bereich von ca. 6 bis 13 μm – abhängig von der Schwingfrequenz – wird durch den Booster (auch Amplitudentransformationsstück genannt) und die Sonotrode anwendungs- und werkstoffspezifisch um den Faktor 1–5 verstärkt. Durch die mechanische Ankopplung der Sonotrode wird die Schwingung in das Werkstück eingeleitet. Die Schwingungsenergie wird durch innere Reibung und Grenzflächenreibung absorbiert, wo die entstehende Wärme zu einem lokalen Aufschmelzen in der Fügezone und dadurch zur Verbindung der beiden Fügepartner führt.
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Der Ablauf beim Ultraschallschweißen gliedert sich in die drei Phasen: 1) Das Anfahren, wobei die Sonotrode auf die zu verbindenden Bauteile fährt und die mechanische Ankopplung unter einer einstellbaren Kraft stattfindet. 2) Die eigentliche Schweißphase, während der die durch den Konverter erzeugte Schwingung unter einer anstehenden Kraft ins Bauteil eingeführt wird und zum Aufschmelzen und der Verbindung der Bauteile führt. 3) Die Haltephase zum Abkühlen der beim Schweißen entstandenen Schmelze bis zur Ausbildung der festen Schweißnaht.
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Je nach Abstand zwischen Schwingungseinleitung durch die Sonotrode und Schweißzone wird zwischen Nahfeld und Fernfeld unterschieden, wobei die Grenze bei ca. 6 mm liegt. Fernfeldschweißungen lassen sich am besten mit steifen Thermoplasten durchführen, da eine durch die Schweißkraft bedingte Aufbiegung der Teile möglichst gering gehalten oder ganz vermieden werden sollte. Aufgrund des Schubmoduls und mechanischen Verlustfaktors werden meist nur amorphe Kunststoffe im Fernfeld verschweißt. Teilkristalline Kunststoffe, die meist schon deutlich unterhalb der Schmelztemperatur einen deutlichen Dämpfungsanstieg aufweisen, sollten nur im Nahfeld verschweißt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Leitfähigkeitssensors anzugeben, bei welchem die Handhabung während des Verbindungsprozesses der Hülse mit dem Gehäuse vereinfacht wird und unter Vermeidung eines hohen Vorbereitungsaufwandes eine stabile Verbindung zwischen Hülse und Gehäuse erreicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren bei welchem auf eine Leiterplatte beidseitig eine Öffnung der Leiterplatte umschließende Spulen angebracht werden und die Leiterplatte mit den Spulen in ein Gehäuse eingeführt wird, wobei eine Hülse durch eine zweite Ausnehmung des Gehäuses durch die Öffnung der Leiterplatte hindurch bis zu einer ersten Ausnehmung in das Gehäuse eingeführt wird, wobei die erste Ausnehmung, die zweite Ausnehmung und die Öffnung der Leiterplatte fluchten, wobei die Hülse einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt umfasst und die Hülse mit dem ersten Endabschnitt zuerst in das Gehäuse eingeführt wird, und wobei die Hülse mit dem Gehäuse mittels einer Sonotrode durch Ultraschallschweißen verschweißt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Endabschnitt der Hülse mit einem in die erste Ausnehmung eingeführten Gegenstücks und mit dem Gehäuse verschweißt wird. Somit können die Teile jeweils im Nahfeld verschweißt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Hülse in der zweiten Ausnehmung bzw. zweiten Endabschnitt verschweißt, bevor der erste Endabschnitt mit dem Gehäuse und Gegenstück verschweißt wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zur Gestaltung einer Nahtgeometrie einer ersten Schweißnaht eine Quetschnaht verwendet, wobei das Gehäuse ein erstes keilförmiges Profil umfasst, und das erste keilförmige Profil zur Bildung der ersten Schweißnaht im Bereich des zweiten Endabschnitts mit einer ersten ebenen Fläche an der Hülse korrespondiert, wobei die Sonotrode auf der Seite des zweiten Endabschnitts angesetzt wird.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird zur Gestaltung einer Nahtgeometrie einer zweiten Schweißnaht eine Quetschnaht verwendet, wobei das Gehäuse ein zweites keilförmiges Profil umfasst, wobei die Hülse ein drittes keilförmiges Profil umfasst, und das zweite keilförmige Profil und das dritte keilförmige Profil zur Bildung der zweiten Schweißnaht im Bereich des ersten Endabschnitts mit einer zweiten ebenen Fläche am Gegenstück korrespondieren, wobei die Sonotrode auf der Seite des ersten Endabschnitts angesetzt wird.
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Bevorzugt wird zur Gestaltung einer Nahtgeometrie einer dritten Schweißnaht eine Quetschnaht verwendet, wobei das Gehäuse einen ersten Energiekonzentrator, im Folgenden ersten Konzentrator genannt, umfasst, und der erste Konzentrator zur Bildung der dritten Schweißnaht im Bereich des zweiten Endabschnitts mit einer schrägen Fläche der Hülse korrespondiert, wobei die Sonotrode auf der Seite des zweiten Endabschnitts angesetzt wird.
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Ein Konzentrator ist im Allgemeinen eine technische Vorrichtung, die etwas zusammenfasst, bündelt beziehungsweise verdichtet. Im Sinne dieser Anmeldung soll ein „Konzentrator“ als konzentrierter Anschmelzbereich verstanden werden, also der Bereich an dem durch eine bestimmte Struktur und Geometrie das Material aufgrund des Ultraschallschweißens anfängt zu schmelzen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird zur Gestaltung einer Nahtgeometrie einer vierten Schweißnaht eine Quetschnaht verwendet, wobei das Gehäuse einen zweiten Konzentrator und die Hülse einen dritten Konzentrator umfasst, und der zweite Konzentrator und der dritte Konzentrator zur Bildung der vierten Schweißnaht im Bereich des ersten Endabschnitts mit zumindest einer ersten schrägen Fläche und einer zweiten schrägen Fläche des Gegenstücks korrespondiert, wobei die Sonotrode auf der Seite des ersten Endabschnitts angesetzt wird.
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Bevorzugt umfasst zumindest ein oben beschriebener Konzentrator ein V-förmiges Profil mit einem Spitzenwinkel zwischen 90° und 60°, ein dreieckförmiges Profil, ein rechteckiges Profil oder ein halbrundes Profil. Somit kann die Energie optimal eingekoppelt werden. In anderen Worten wird der Konzentrator gebildet durch ein V-förmiges Profil mit einem Spitzenwinkel zwischen 90° und 60°, ein dreieckförmiges Profil, ein rechteckiges Profil oder ein halbrundes Profil. Im Sinne dieser Anmeldung umfasst der „Konzentrator“ einen ersten Abschnitt mit einer minimalen Auflagefläche auf dem zu verschweißenden Werkstück und einem zweiten Abschnitt. Während des Schweißens verschmilzt der Konzentrator bis in den zweiten Abschnitt hinein.
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Im Sinne dieser Anmeldung wird zwar unterschieden zwischen einem „Konzentrator“ und einem „keilförmiges Profil“. Dennoch kann das „keilförmige Profil“ auch als V förmiges Profil mit einem Spitzenwinkel zwischen 90° und 60°, dreieckförmiges Profil, rechteckiges Profil oder ein halbrundes Profil ausgestaltet sein. In ihrer Ausgestaltung, also Material, Geometrie und Struktur, können beide somit gleich sein und erreichen somit auch das gleiche Resultat.
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Nach dem Schweißen entsteht somit ein einziges Teil, das aus zwei verschieden Teilbereichen besteht. Es entsteht allerdings nicht ein einzelnes homogenes Teil, die entstehenden Schweißnähte sind auch nach dem Schweißen sichtbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird in der zeitlichen Reihenfolge erste Schweißnaht, dritte Schweißnaht, zweite Schweißnaht, vierte Schweißnaht geschweißt, wobei die erste Schweißnaht und die dritte Schweißnaht bzw. die zweite Schweißnaht und die vierte Schweißnaht für eine gewisse Zeit gleichzeitig in Schmelze sind.
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Zur Vermeidung langer Aufheizphasen wird vorteilhafterweise bei Zimmertemperatur geschweißt.
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In einer bevorzugten Weiterbildungsform werden die mit dem Gehäuse verschweißte Hülse im ersten Endbereich und/oder im zweiten Endbereich nachbearbeitet, insbesondere abgerundet. Somit genügt der mit dem Verfahren hergestellte Leitfähigkeitssensor anschließend hygienischen Anforderungen. Etwaig vorhandene Lunker, Ecken und Kanten werden entfernt und der entstehende Körper ist gratfrei.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor, der nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wird.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Gehäuse, der Hülse und dem Gegenstück um einen teilkristallinen Thermoplasten, insbesondere um ein Polyetherketone, insbesondere um Polyetheretherketon (PEEK).
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Alternativ handelt es sich bei dem Gehäuse, der Hülse und dem Gegenstück um einen amorphen Thermoplasten, insbesondere um ein Polysulfon, insbesondere um Polyphenylensulfon (PPSU).
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der zweite Endabschnitt zumindest eine erste Schweißnaht, und der erste Endabschnitt umfasst zumindest eine zweite Schweißnaht. Die zweite Schweißnaht 8.2 umfasst zwei Teilabschnitte.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst der der zweite Endabschnitt zusätzlich zumindest eine dritte Schweißnaht, und der erste Endabschnitt umfasst zusätzlich zumindest eine vierte Schweißnaht. Die vierte Schweißnaht umfasst zwei Teilabschnitte.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten den Schweißprozess zu beenden, etwa nach Ablauf einer konstanten Zeit, nach Zurücklegen eines konstanten Wegs, nach Erreichen eines bestimmten Punkts, nach Verbrauch einer vorgegebenen Energie, nach einer vorgegebenen Leistung oder einer Kombination von all dem. Bevorzugt wird nach einem konstanten Weg geschweißt, d.h. die beiden Bauteile verschmelzen in etwa immer gleich weit ineinander.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 Verfahrensschritte bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors,
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2 eine Nahaufnahme der Schweißnähte vor (2a) und nach (2b) dem Schweißen, und
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3 der Leitfähigkeitssensor im Messbetrieb.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 sind von 1a bis 1e die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Leitfähigkeitssensor gezeigt. 1 zeigt ein Sensormodul 1 eines induktiven Leitfähigkeitssensors 30 mit einer Sendespule 4 und einer Empfangsspule 5, die in einem Gehäuse 2 untergebracht sind. Die Sendespule 4 und die Empfangsspule 5 sind einander gegenüberliegend auf voneinander abgewandten Seiten einer Leiterkarte 3 angeordnet. Die als rotationssymmetrische Ringspulen ausgestaltete Sende- und Empfangsspule 4, 5 sind auf diese Weise koaxial hintereinanderliegend angeordnet. Die Leiterkarte 3 umfasst die Spulen kontaktierende Leiterbahnen (hier nicht eingezeichnet), die die Sendespule 4 mit einer Treiberschaltung und die Empfangsspule 5 mit einer Empfangsschaltung verbinden. Die Treiberschaltung und die Empfangsschaltung können Bestandteile einer auf der Leiterkarte 3 angeordneten Sensorschaltung sein.
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Das Gehäuse 2 bildet einen die Sendespule 4 und die Empfangsspule 5 entlang ihrer Rotationsachsen durchsetzenden Kanal 9. Wird das Gehäuse 2 in ein elektrisch leitfähiges Medium 31 eingetaucht, umgibt dieses das Gehäuse 2 und dringt in den Kanal 9 ein, so dass sich im Medium 9 ein beide Spulen 4, 5 durchsetzender, geschlossener Strompfad ausbilden kann, wenn die Sendespule 4 mit einer Wechselspannung erregt wird, wie eingangs ausgeführt.
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Das Sensormodul 1 kann auf folgende Weise hergestellt werden: Die mit der Sendespule 4, der Empfangsspule 5 und gegebenenfalls weiteren Schaltungsteilen bestückte Leiterkarte 3 wird in einem ersten Schritt in das Gehäuse 2 eingebracht (1b). Die Sendespule 4 und die Empfangsspule 5 sind so auf der Leiterkarte 3 angeordnet, dass sie eine Öffnung 3a (gestrichelt eingezeichnet) in der Leiterkarte 3 umschließen. Das Gehäuse 2 kann beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens gefertigt werden. Das Gehäuse 2 weist zwei einander gegenüberliegende Ausnehmungen 7.1, 7.2 auf, die mit der von den Ringspulen 4, 5 umschlossenen Öffnung 3a in der Leiterkarte 3 fluchten. Eine Hülse 6 wird durch eine Ausnehmung 7.2 des Gehäuses 2 und durch die damit fluchtende Öffnung 3a in der Leiterkarte 3 bis zu einer weiteren Ausnehmung 7.1 hindurchgeführt. Die Hülse 6 umfasst einen ersten Endabschnitt 6.1 und einen zweiten Endabschnitt 6.2, wobei der erste Endabschnitt 6.1 zuerst in das Gehäuse 2 eingeführt wird. Der erste Endabschnitt 6.1 kommt somit in der ersten Ausnehmung 7.1, der zweite Endabschnitt 6.2 in der zweiten Ausnehmung 7.2 zum Liegen. 1d zeigt den verschweißten Zustand des zweiten Endabschnitts 6.2 mit der zweiten Ausnehmung 7.2 (Schweißnaht mit Bezugszeichen 8.1 und 8.3). 1e zeigt den verschweißten Zustand des ersten Endabschnitts 6.1 mit der ersten Ausnehmung 7.1 (Schweißnähte mit Bezugszeichen 8.2 und 8.4). Zur Verschweißung des ersten Endabschnitts 6.1 mit dem Gehäuse 2 wird ein Gegenstück 12 in die Ausnehmung 7.1 eingeführt und mit dem ersten Endabschnitt 6.1 und dem Gehäuse 2 verschweißt. Auf diese Weise wird ein axial bezüglich der Rotationsachse der Sende- und der Empfangsspule 4, 5 verlaufender Kanal 9 gebildet, der im Messbetrieb von Medium 31 durchflossen wird.
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Nach den genannten Schweißvorgängen (siehe unten) werden die Schweißnähte 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 nachgearbeitet, wobei eventuell abstehende Partikel spanend entfernt werden. Da die Hülse 6 dazu dient, dass bei einem induktiven Leitfähigkeitssensor 1 ein flüssiges Medium durch den Kanal 9 der Hülse 6 geführt wird, werden die Radien der Hülse 6 in den Endbereichen 6.1, 6.2 zum Kanal 9 hin abgerundet. Diese Abrundungen werden dabei von außen nach innen in Richtung des Kanals 9 vorgenommen. Die Abrundungen verbessern das Strömungsverhalten des durch den Kanal 9 fließenden Mediums 31.
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Sowohl bei dem Gehäuse 2 als auch bei der Hülse 6 und dem Gegenstück 12 handelt es sich um einen teilkristallinen Thermoplasten, insbesondere um ein Polyetherketone, insbesondere um Polyetheretherketon (PEEK) oder glasfaserverstärktes Polyetheretherketon. Alternativ handelt es sich bei dem Gehäuse 2, der Hülse 6 und dem Gegenstück 12 um einen amorphen Thermoplasten, insbesondere um ein Polysulfon, insbesondere um Polyphenylensulfon (PPSU).
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Die Hülse 6 wird mit dem Gehäuse 2 mittels Ultraschallschweißen verschweißt. Dazu wird eine Sonotrode 10 in einem ersten Arbeitsschritt auf der Seite des zweiten Endabschnitts 6.2 angesetzt, siehe dazu 1c. 2a (vor dem Schweißen) und 2b (nach dem Schweißen) zeigen im oberen Bereich eine detaillierte Ansicht. In einem zweiten Arbeitsschritt wird die Sonotrode 10 auf der Seite des ersten Endabschnitts 6.1 angesetzt, siehe dazu 1d. Dazu wird entweder die Sonotrode oder das Werkstück gedreht. Bevorzugt ist die Sonotrode 10 fest und wird in einer bevorzugten Ausgestaltung von oben auf das Werkstück geführt, das je nach Arbeitsschritt gegenüber der Sonotrode orientiert wird. 2a (vor dem Schweißen) und 2b (nach dem Schweißen) zeigen im unteren Bereich eine detaillierte Ansicht.
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Es wird also in der zeitlichen Reihenfolge erste Schweißnaht 8.1, dritte Schweißnaht 8.3, zweite Schweißnaht 8.2 und vierte Schweißnaht 8.4 geschweißt, wobei die erste Schweißnaht 8.1 und dritte Schweißnaht 8.3 bzw. zweite Schweißnaht 8.2 und vierte Schweißnaht 8.4 für eine gewisse Zeit gleichzeitig in Schmelze sind. Dritte Schweißnaht 8.3 und vierte Schweißnaht 8.4 sind nicht zwingend erforderlich. Im Folgenden soll aber davon ausgegangen werden, dass vier Verschweißungen, zwei pro Seite, stattfinden.
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2 zeigt die jeweiligen Geometrien für die entstehenden Schweißnähte 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4.
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2a zeigt die Hülse 6 vor dem Schweißprozess, 2b nach dem Schweißprozess. Im oben Bildbereich ist jeweils der zweite Endbereich 6.2, im unteren Bildbereich der erste Endbereich 6.1 der Hülse 6 mit dem jeweiligen Ausschnitt des Gehäuses 2 zu sehen.
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Zur Gestaltung der Nahtgeometrie werden Quetschnähte verwendet. Die Quetschnaht sorgt für eine Dichtschweißung und ist als Stufe mit sehr kleiner Berührungsfläche ausgebildet. Diese kleine Fläche und der daraus resultierende, hohe Energiefluss bewirken ein schnelles Anschmelzen. Das Gleiten der beiden Schmelzflächen gegeneinander verhindert Hohlstellen und Luftkontakt. Generell entsteht eine homogene, dicht abschließende Verbindung.
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Wie bereits erwähnt umfasst die Schweißung zumindest zwei Schweißungen 8.1 und 8.2, bevorzugt aber vier Schweißungen 8.1, 8.2, 8.3 und 8.4. Auch ist eine Ausgestaltung mit drei Schweißungen 8.1, 8.2 und 8.3 bzw. Schweißungen 8.1, 8.2 und 8.4 möglich. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Schweißung die Schweißungen 8.3 und 8.4.
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Für die erste Schweißnaht 8.1 wird eine Quetschnaht verwendet. Zur Bildung der Quetschnaht umfasst das Gehäuse 2 ein erstes keilförmiges Profil 2.1, und die Hülse 6 eine zum ersten keilförmigen Profil 2.1 korrespondierende erste ebene Fläche 6.3, wobei die entstehende Quetschnaht die erste Schweißnaht 8.1 bildet.
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Das Gehäuse 2 umfasst weiter einen ersten Konzentrator 11.1, und der erste Konzentrator 11.1 korrespondiert zur Bildung der fakultativen dritten Schweißnaht 8.3 mit einer ersten schrägen Fläche 6.4 der Hülse 6. „Schräg“ in diesem Zusammenhang bedeutet, schräg im Querschnitt zur Richtung der Einführung.
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Zur Bildung der ersten Schweißnaht 8.1 und der dritten Schweißnaht 8.3 wird die Sonotrode 10 also auf der Seite des zweiten Endabschnitts 6.2 angesetzt.
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Dieser erste Konzentrator 11.1 sowie gegebenenfalls der zweite Konzentrator 11.2 und dritte Konzentrator 6.5 (siehe unten) umfassen ein V-förmiges Profil mit einem Spitzenwinkel zwischen 90° und 60°, ein dreieckförmiges Profil, ein rechteckiges Profil oder ein halbrundes Profil. Durch dieses Profil kann der Konzentrator auch als Energierichtungsgeber fungieren. Diese Geometrie bewirkt eine linienförmige Berührung beim anfänglichen Kontakt. Die Folge ist ein sehr konzentriertes Einleiten der Ultraschallenergie und damit ein schnelles Erwärmen und Anschmelzen des Materials.
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Die Schweißnaht ist dennoch als Quetschnaht ausgebildet, da die zwei zu verschweißenden Teilbereiche ineinandergleiten und eine mediumsdichte Verbindung eingehen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten den Schweißprozess zu beenden, etwa nach Ablauf einer konstanten Zeit, nach Zurücklegen eines konstanten Wegs, nach Erreichen eines bestimmten Punkts, nach Verbrauch einer vorgegebenen Energie, nach einer vorgegebenen Leistung oder einer Kombination von all dem. Bevorzugt wird nach einem konstanten Weg geschweißt, d.h. die beiden Bauteile verschmelzen immer gleich weit ineinander. Beim Schweißen wird ein definierter Druck p von der Sonotrode 10 mit einer gewissen Ultraschallenergie US auf die Hülse 6 bzw. das Gegenstück 12 gegeben. Es wird bei Zimmertemperatur geschweißt.
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Für die zweite Schweißnaht 8.2 wird eine Quetschnaht verwendet. Zur Bildung der Quetschnaht umfasst das Gehäuse 2 ein zweites keilförmiges Profil 2.2. Zur Bildung der Quetschnaht umfasst die Hülse 6 weiter ein drittes keilförmiges Profil 6.5. Der erste Endabschnitt 6.1 der Hülse 6 wird mit einem in die erste Ausnehmung 7.1 eingeführten Gegenstück 12 und mit dem Gehäuse 2 verschweißt. Das Gegenstück 12 umfasst eine zum zweiten keilförmigen Profil 2.2 und zum dritten keilförmigen Profil 6.5 korrespondierende zweite ebene Fläche 12.1, wobei die entstehende Quetschnaht die zweite Schweißnaht 8.2 bildet. Die Schweißnaht 8.2 umfasst somit zwei Teilabschnitte, die beide mit dem Bezugszeichen 8.2 gekennzeichnet sind.
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Für die fakultative vierte Schweißnaht 8.4 wird ebenfalls eine Quetschnaht verwendet. Zur Bildung der Quetschnaht umfasst das Gehäuse 2 einen zweiten Konzentrator 11.2 und die Hülse umfasst einen dritten Konzentrator 6.5. Der zweite Konzentrator 11.2 und der dritte Konzentrator 6.5 korrespondieren zur Bildung der vierten Schweißnaht 8.4 mit einer zweiten schrägen Fläche 12.2 und einer dritten schrägen Fläche 12.2 des Gegenstücks 12. „Schräg“ in diesem Zusammenhang bedeutet, schräg im Querschnitt zur Richtung der Einführung. Die vierte Schweißnaht 8.4 umfasst also zwei Teilabschnitte, die hier mit dem gleichen Bezugszeichen 8.4 gekennzeichnet sind.
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Zur Bildung der zweiten Schweißnaht 8.2 und der vierten Schweißnaht 8.4 wird die Sonotrode 10 also auf der Seite des ersten Endabschnitts 6.1 angesetzt.
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3 zeigt schematisch einen Leitfähigkeitssensor 30 mit einem zum Eintauchen in ein Medium 31 bestimmten Gehäusemodul 1. Im Gehäusemodul 1 sind die Sende- und Empfangsspule untergebracht, sowie gegebenenfalls mindestens Teile der die Sendespule mit einer Wechselspannung erregenden Treiberschaltung und zumindest Teile der mit der Empfangsspule verbundenen Empfangsschaltung, die dem Erfassen und Aufbereiten eines in der Empfangsspule induzierten, von der Leitfähigkeit des Mediums 31 abhängigen Signals dient. Das Gehäusemodul 1 bildet einen die im Gehäusemodul 1 enthaltenen Spulen durchsetzenden Kanal 9 aus, der von Medium 31 durchströmt ist, wenn das Gehäusemodul 1, wie in 3 gezeigt, in das Medium 31 eingetaucht ist. Das Medium 31 kann sich in einem Behälter, insbesondere in einem Rohr oder einem Reaktionsgefäß, in einer technischen Produktionsanlage befinden. Der Leitfähigkeitssensor 30 ist dann in einer in der Rohr- bzw. Gefäßwand integrierten Armatur gehalten, und taucht in das in dem Rohr oder Gefäß enthaltenen Mediums 31 ein.
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Die im Gehäusemodul 1 enthaltene Sensorschaltung steht über eine Kabelverbindung mit einer übergeordneten Einheit, im vorliegenden Beispiel mit einem Messumformer 32 in Verbindung. Bei der übergeordneten Einheit kann es sich auch um einen Computer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung handeln. Die Verbindung zwischen dem Leitfähigkeitssensor 30 und der übergeordneten Einheit kann auch eine drahtlose Verbindung sein. In diesem Fall kann es sich bei der übergeordneten Einheit auch um ein tragbares Gerät, insbesondere auch um ein internet- oder funkfähiges Telefon, wie z.B. ein Smartphone, handeln. Die übergeordnete Einheit dient zur Versorgung der Sensor- und der Treiberschaltung mit Energie, sowie zur Erfassung und weiteren Verarbeitung, insbesondere auch zur Anzeige, der von dem Leitfähigkeitssensor 30 erfassten Messwerte.
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Der Leifähigkeitssensor 30 ist etwa über eine galvanisch getrennte Schnittstelle, insbesondere eine induktive Schnittstelle, mit einem Messumformer 32, etwa über ein Kabel verbunden. Der Messumformer wiederum ist über eine Busverbindung wie Fieldbus Foundation, Modbus, Hart o.ä. an ein Leitsystem angeschlossen. Alternativ kann der Leitfähigkeitssensor auch direkt über eine Busverbindung an ein Leitsystem angeschlossen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensormodul eines Leitfähigkeitssensor
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- Erstes keilförmiges Profil
- 2.2
- Zweites keilförmiges Profil
- 3
- Leiterplatte
- 3a
- Öffnung Leiterplatte
- 4
- Sendspule
- 5
- Empfangsspule
- 6
- Hülse
- 6.1
- Erster Endabschnitt
- 6.2
- Zweiter Endabschnitt
- 6.3
- Erste ebene Fläche
- 6.4
- Erste schräge Fläche
- 6.5
- Dritter Konzentrator
- 6.6
- Drittes keilförmiges Profil
- 7.1
- Erste Ausnehmung
- 7.2
- Zweite Ausnehmung
- 8.1
- Erste Schweißnaht
- 8.2
- Zweite Schweißnaht
- 8.3
- Dritte Schweißnaht
- 8.4
- Vierte Schweißnaht
- 9
- Kanal
- 10
- Sonotrode
- 11.1
- Erster Konzentrator
- 11.2
- Zweiter Konzentrator
- 12
- Gegenstück
- 12.1
- Zweite ebene Fläche
- 12.2
- Zweite schräge Fläche
- 12.3
- Dritte schräge Fläche
- 30
- Leifähigkeitssensor
- 31
- Medium
- p
- Druck
- US
- Ultraschall
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Joachim Nehr mit dem Titel „Neuro-Fuzzy-Modellierung zur umfassenden Prozessüberwachung am Beispiel des Ultraschallschweißens von Kunststoffteilen“ der Universität Stuttgart aus dem Jahr 2011 [0009]
