DE102015107101A1 - Temperature sensor, inductive conductivity sensor and method of making the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor (10) zum Bestimmen der Temperatur eines Mediums (2) in einem Behältnis (3), umfassend: ein Temperaturelement (14), das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert; und ein Gehäuse (9) mit einer Gehäusewandung (16), wobei das Temperaturelement (14) in dem Gehäuse (9) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (9) einen zum Eintauchen in das Medium (2) bestimmten mediumsundurchlässigen Gehäuseabschnitt (8) aufweist, wobei der zum Eintauchen in das Medium bestimmte Gehäuseabschnitt (8) einen Bereich (11) umfasst über den das Temperaturelement (14) mit dem Medium (2) in Verbindung steht. Der Temperatursensor (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich (11) einen Mehrschichtenaufbau aufweist, und der Bereich (11) zumindest eine andere physikalische Eigenschaft, insbesondere eine andere Wärmeleitfähigkeit, umfasst, als der Rest des zum Eintauchen bestimmten Gehäuseabschnitts. Die Erfindung betrifft weiter einen Leitfähigkeitssensor (1) und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Temperatursensors (10) oder eines solchen Leitfähigkeitssensors (1).The invention relates to a temperature sensor (10) for determining the temperature of a medium (2) in a container (3), comprising: a temperature element (14) which supplies an electrical signal as a measure of the temperature; and a housing (9) having a housing wall (16), wherein the temperature element (14) in the housing (9) is arranged, wherein the housing (9) for immersion in the medium (2) certain medium-impermeable housing portion (8) wherein the housing section (8) intended for immersion in the medium comprises a region (11) via which the temperature element (14) is connected to the medium (2). The temperature sensor (10) is characterized in that at least the region (11) has a multilayer construction, and the region (11) comprises at least one other physical property, in particular a different thermal conductivity, than the rest of the housing section intended for immersion. The invention further relates to a conductivity sensor (1) and a method for producing such a temperature sensor (10) or such a conductivity sensor (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor und einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Bestimmen der Temperatur bzw. der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums in einem Behältnis. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung derselben.The invention relates to a temperature sensor and an inductive conductivity sensor for determining the temperature or the specific electrical conductivity of a medium in a container. The invention further relates to a method for producing the same.
Im Allgemeinen werden in der Prozessautomatisierung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Medium häufig Leitfähigkeitssensoren verwendet, die nach einem induktiven oder einem konduktiven Messprinzip arbeiten.In general, in process automation for measuring the electrical conductivity of a medium, conductivity sensors are often used which operate according to an inductive or a conductive measuring principle.
Ein konduktiver Leitfähigkeitssensor umfasst mindestens zwei Elektroden, die zur Messung in ein Medium eingetaucht werden. Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums wird der Widerstand oder Leitwert der Elektrodenmessstrecke im Medium bestimmt. Bei bekannter Zellkonstante lässt sich daraus die Leitfähigkeit des Mediums ermitteln. Zur Messung der Leitfähigkeit einer Messflüssigkeit mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ist es zwingend erforderlich, mindestens zwei Elektroden in Kontakt mit der Messflüssigkeit zu bringen.A conductive conductivity sensor comprises at least two electrodes, which are immersed in a medium for measurement. To determine the electrical conductivity of the medium, the resistance or conductance of the electrode measuring section in the medium is determined. If the cell constant is known, the conductivity of the medium can be determined from this. For measuring the conductivity of a measuring liquid by means of a conductive conductivity sensor, it is absolutely necessary to bring at least two electrodes into contact with the measuring liquid.
Beim induktiven Prinzip der Leitfähigkeitsbestimmung von Prozessmedien werden Sensoren eingesetzt, die eine Sendespule sowie eine davon beabstandet angeordnete Empfangsspule aufweisen. Mittels der Sendespule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf geladene Teilchen, z.B. Ionen, in dem flüssigen Medium einwirkt und einen entsprechenden Stromfluss im Medium hervorruft. Durch diesen Stromfluss entsteht an der Empfangsspule ein elektromagnetisches Feld, das in der Empfangsspule ein Empfangssignal (Induktionsspannung) nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert. Dieses Empfangssignal kann ausgewertet und zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen Mediums herangezogen werden.In the inductive principle of the conductivity determination of process media, sensors are used which have a transmitting coil and a receiving coil arranged at a distance from it. By means of the transmitting coil an alternating electromagnetic field is generated which is sensitive to charged particles, e.g. Ions, acts in the liquid medium and causes a corresponding current flow in the medium. As a result of this current flow, an electromagnetic field is produced at the receiving coil, which induces a received signal (induction voltage) in accordance with the Faraday law of induction in the receiving coil. This received signal can be evaluated and used to determine the electrical conductivity of the liquid medium.
Typischerweise sind induktive Leitfähigkeitssensoren wie folgt aufgebaut: Die Sende- und Empfangsspule sind in der Regel als Ringspulen ausgestaltet und umfassen eine durchgehende, von dem Medium durchströmbare Öffnung. Die Spulen sind in einem Gehäuse angeordnet, das in das zu messende Medium getaucht wird. Beide Spulen sind somit von Medium umströmt. Bei Erregung der Sendespule bildet sich ein innerhalb des Mediums verlaufender geschlossener Strompfad, der sowohl Sende- als auch Empfangsspule durchsetzt. Durch Auswertung des Strom- oder Spannungssignals der Empfangsspule in Antwort auf das Signal der Sendespule kann dann die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit ermittelt werden. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert.Typically, inductive conductivity sensors are constructed as follows: The transmitting and receiving coils are generally designed as toroidal coils and comprise a continuous, through-flow of the medium opening. The coils are arranged in a housing which is immersed in the medium to be measured. Both coils are thus flowed around by medium. Upon excitation of the transmitting coil, a closed current path running within the medium forms, penetrating both the transmitting and the receiving coil. By evaluating the current or voltage signal of the receiving coil in response to the signal of the transmitting coil, the conductivity of the measuring liquid can then be determined. The principle itself is established in industrial process measurement technology and documented in a large number of publications in the patent literature.
Die Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit wird zur Steuerung verfahrenstechnischer Prozesse genutzt. In der Lebensmitteltechnologie beispielsweise werden Produktströme in Rohrleitungen von Reinigungslösungen oder Spülwasser durch die Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit unterschieden. Auch werden in Abhängigkeit von bestimmten Medien verfahrenstechnische Prozesse beeinflusst.The measurement of the specific electrical conductivity is used to control process engineering processes. In food technology, for example, product flows in pipelines are differentiated from cleaning solutions or rinsing water by measuring the specific electrical conductivity. Also, depending on certain media process engineering processes are influenced.
Eine schnelle Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ist dafür unbedingt erforderlich. Das bedingt aber auch eine exakte und schnelle Temperaturmessung, um den Leitfähigkeitswert auf eine Bezugstemperatur rückrechnen zu können. Die Leitfähigkeit ist hochgradig temperaturabhängig. In Gasen, Lösungen und Elektrolyten beispielsweise ist der Widerstand stark temperaturabhängig, da dort die Beweglichkeit der Ionen und die Anzahl der Ladungsträger mit steigender Temperatur stark zunimmt. In der Regel steigt die Ladungsträgerbeweglichkeit mit der Temperatur und der Widerstand wird kleiner.A quick measurement of the specific electrical conductivity is absolutely necessary for this. However, this also requires an accurate and rapid temperature measurement in order to be able to recalculate the conductivity value to a reference temperature. The conductivity is highly temperature dependent. In gases, solutions and electrolytes, for example, the resistance is strongly temperature-dependent, since there the mobility of the ions and the number of charge carriers increases strongly with increasing temperature. As a rule, the charge carrier mobility increases with the temperature and the resistance becomes smaller.
In der Lebensmitteltechnologie und Biotechnologie bestehen weiterhin Forderungen die Sensoren thermisch sterilisieren zu können und die Sensoren so zu gestalten, dass diese gut reinigbar sind (Stichwort: „hygienisches Design“).In food technology and biotechnology, there are still demands to thermally sterilize the sensors and to design the sensors so that they are easy to clean (keyword: "hygienic design").
Induktive Leitfähigkeitssensoren müssen prinzipbedingt wenigstens teilweise aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Üblicherweise wird dafür Kunststoff eingesetzt. Diese Kunststoffe benötigen für die Verwendung im Lebensmittel- oder Biotechnologiebereich eine spezielle Zulassung.As a matter of principle, inductive conductivity sensors must at least partially consist of electrically insulating material. Usually, plastic is used for this purpose. These plastics require a special approval for use in the food or biotechnology sector.
Wie erwähnt ist die exakte und ausreichend schnelle Bestimmung der Temperatur essentiell für eine präzise Leitfähigkeitsmessung. Der Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur ist dafür entweder in einem Kunststoffgehäuse oder in einer in das Kunststoffgehäuse eingebrachten Metallbuchse untergebracht. Der Temperatursensor ist dabei als drahtbehafteter Temperaturfühler oder als Bauelement auf einer Platine ausgestaltet. Außer einer Wärmeleitpaste erfolgt keine besondere thermische Anbindung an die Umgebung.As mentioned, the accurate and sufficiently fast determination of the temperature is essential for a precise conductivity measurement. The temperature sensor for determining the temperature is accommodated for this purpose either in a plastic housing or in a metal bushing introduced into the plastic housing. The temperature sensor is configured as a wired temperature sensor or as a component on a circuit board. Apart from a thermal compound there is no special thermal connection to the environment.
Ein Kunststoffgehäuse (häufig einteilig hergestellt) vermeidet Dichtübergänge zwischen unterschiedlichen Werkstoffpaarungen und ermöglicht kontinuierliche, d.h. spaltfreie Oberflächen. Solche Gehäuse sind geeignet Forderungen zum hygienischen Design zu erfüllen. Die Dicke des Kunststoffs wirkt sich maßgeblich auf die Temperaturansprechzeit aus. Diese ist entsprechend relativ hoch (> 15 s). Es werden aber teils große Wandstärken benötigt um etwa die Druckbeständigkeit des Gehäuses zu erhöhen oder Dampfdiffusion durch die Gehäusewand zu verzögern. Kunststoffe, welche für den Lebensmittel- oder Biotechnologiebereich zugelassen sind, haben eine schlechte Wärmeleitfähigkeit.A plastic housing (often made in one piece) avoids sealing transitions between different material combinations and allows continuous, ie gap-free surfaces. Such enclosures are suitable to meet requirements for hygienic design. The thickness of the plastic significantly affects the temperature response time. This is correspondingly relatively high (> 15 s). But partly large wall thicknesses are needed around for example, to increase the pressure resistance of the housing or to delay vapor diffusion through the housing wall. Plastics that are approved for the food or biotechnology sector, have a poor thermal conductivity.
Eine zur Unterbringung des Sensor im Gehäuse eingebrachte Metallbuchse hingegen bindet den Temperatursensor thermisch zwar besser an den Prozess an, so dass sich eine relativ kurze Temperaturansprechzeit (< 10 s) ergibt. Der Dichtübergang zwischen Metallgehäuse und Kunststoffgehäuse stellt aber eine potentielle Leckagestelle für den Sensor dar und erzeugt Spalte, die nicht den Forderungen eines hygienischen Designs entsprechen.On the other hand, a metal bushing which accommodates the sensor in the housing binds the temperature sensor thermally better to the process, so that a relatively short temperature response time (<10 s) results. However, the seal transition between metal housing and plastic housing presents a potential leakage point for the sensor and creates gaps that do not meet the requirements of a hygienic design.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor bereit zu stellen, der eine geringe Temperaturansprechzeit bei gleichzeitigem hygienischem Design aufweist.The invention has for its object to provide a sensor that has a low temperature response time while maintaining a hygienic design.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Temperatursensor umfassend: ein Temperaturelement, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert; und ein Gehäuse mit einer Gehäusewandung, wobei das Temperaturelement in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen zum Eintauchen in das Medium bestimmten mediumsundurchlässigen Gehäuseabschnitt aufweist, wobei der zum Eintauchen in das Medium bestimmte Gehäuseabschnitt einen Bereich umfasst über den das Temperaturelement mit dem Medium in Verbindung steht. Der Temperatursensor ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich über den das Temperaturelement mit dem Medium in thermischer Verbindung steht einen Mehrschichtenaufbau aufweist, und der Bereich eine höhere Wärmeleitfähigkeit umfasst, als der Rest des zum Eintauchen bestimmten Gehäuseabschnitts.The object is achieved by a temperature sensor comprising: a temperature element which supplies an electrical signal as a measure of the temperature; and a housing having a housing wall, wherein the temperature element is arranged in the housing, wherein the housing has a medium-impermeable housing section intended for immersion in the medium, wherein the housing section intended for immersion in the medium comprises an area over which the temperature element with the medium in Connection stands. The temperature sensor is characterized in that at least the region over which the temperature element is in thermal communication with the medium has a multilayer construction, and the region comprises a higher thermal conductivity than the rest of the housing section intended for immersion.
Somit kann gewährleistet werden, dass sowohl ein hygienisches Design erreicht wird, also auch dass die Temperatur des Medium schnell an den Temperatursensor geleitet wird und so eine geringe Temperaturansprechzeit gewährleistet werden kann.Thus, it can be ensured that both a hygienic design is achieved, so also that the temperature of the medium is quickly passed to the temperature sensor and so a low temperature response time can be guaranteed.
In einer ersten vorteilhaften Variante weist ausschließlich der Bereich einen Mehrschichtenaufbau auf. Dies stellt eine kosteneffiziente, aber dennoch den Anforderungen genügende, Ausführungsform dar.In a first advantageous variant, only the area has a multi-layer structure. This represents a cost-efficient, but nevertheless satisfying, embodiment.
In einer zweiten vorteilhaften Variante weist der gesamte zum Eintauchen in das Medium bestimmte Gehäuseabschnitt einen Mehrschichtenaufbau auf. Dies ist eine einfach zu fertigende Ausführungsform.In a second advantageous variant, the entire housing section intended for immersion in the medium has a multi-layer structure. This is an easy to manufacture embodiment.
Bevorzugt umfasst der Bereich über den das Temperaturelement mit dem Medium in thermischer Verbindung steht eine Keramik, ein Metall oder einen thermisch leitfähigen Kunststoff. Der Mehrschichtenaufbau umfasst zumindest eine erste und eine zweite Schicht, wobei die Gehäusewandung die erste Schicht bildet und die Keramik, das Metall oder den thermisch leitfähigen Kunststoff die zweite Schicht bildet.Preferably, the area over which the temperature element is in thermal communication with the medium comprises a ceramic, a metal or a thermally conductive plastic. The multilayer structure comprises at least a first and a second layer, wherein the housing wall forms the first layer and the ceramic, the metal or the thermally conductive plastic forms the second layer.
Keramik ist als guter Wärmeleiter bekannt; ebenso Metalle. Als Metall kommt hier etwa ein Edelstahl zum Einsatz. Als thermisch leitfähiger Kunststoff kommt etwa ein Kunststoff mit mineralischen Zusätzen zum Einsatz.Ceramics are known as a good conductor of heat; as well as metals. As a metal here is about a stainless steel used. As a thermally conductive plastic is about a plastic with mineral additives used.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Keramik ZrO2, Al2O3 oder ein Gemisch daraus. Dies sind gängige Keramiken, welche den gegebenen Anforderungen genügen.In an advantageous embodiment, the ceramic comprises ZrO 2 , Al 2 O 3 or a mixture thereof. These are common ceramics that meet the given requirements.
Um einen innigen Kontakt zwischen Keramik und Kunststoffgehäuse zu erreichen ist die Keramik vollständig oder teilweise porös. Die Poren sind dabei kleiner 0,2 µm um gängige Hygienestandards wie etwa „3A“ oder „EHEDG“ einzuhalten.To achieve intimate contact between ceramic and plastic housing, the ceramic is completely or partially porous. The pores are less than 0.2 μm to comply with common hygiene standards such as "3A" or "EHEDG".
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast. Der Kunststoff des Gehäuses unterscheidet sich vom thermisch leitfähigen Kunststoff. Der Kunststoff des Gehäuses ist bevorzugt für die Verwendung im Lebensmittel- oder Biotechnologiebereich zugelassen.In a preferred embodiment, the housing is made of a plastic, in particular of a thermoplastic. The plastic of the housing differs from the thermally conductive plastic. The plastic of the housing is preferably approved for use in the food or biotechnology sector.
Umfasst der Mehrschichtenaufbau eine poröse Keramik, werden die Poren durch das Spritzgussmaterial des Kunststoffs des Gehäuses direkt verfüllt oder in einem nachfolgenden Vergussschritt verschlossen. Somit wird die poröse Keramik mit etwa einem Thermoplast umspritzt, so dass die Keramik dauerhaft fest und hygienisch gestaltet in der Gehäusewandung sitzt.If the multi-layer structure comprises a porous ceramic, the pores are filled directly by the injection-molding material of the plastic of the housing or closed in a subsequent encapsulation step. Thus, the porous ceramic is encapsulated with about a thermoplastic, so that the ceramic permanently fixed and hygienically designed sits in the housing.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor umfassend: eine Sendespule, die ein Eingangssignal in das Medium einstrahlt; und eine über das Medium mit der Sendespule gekoppelte Empfangsspule, die ein Ausgangssignal liefert. Der Leitfähigkeitssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen Temperatursensor wie vorstehend beschrieben umfasst, wobei das Gehäuse des Temperatursensors die Sendespule und die Empfangsspule umgibt, und die Leitfähigkeit anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur bestimmbar ist.The object is further achieved by an inductive conductivity sensor comprising: a transmitting coil which irradiates an input signal into the medium; and a receive coil coupled to the transmit coil via the medium and providing an output signal. The conductivity sensor is characterized in that it comprises a temperature sensor as described above, wherein the housing of the temperature sensor surrounds the transmitting coil and the receiving coil, and the conductivity on the basis of the input signal, the output signal and the temperature can be determined.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Temperatursensors oder eines induktiven Leitfähigkeitssensors wie oben stehend beschrieben, umfassend die Schritte: Herstellen der Keramik, des Metalls oder des thermisch leitfähigen Kunststoffs; Umspritzen der Keramik, des Metalls oder des thermisch leitfähigen Kunststoffs mittels Spritzgießen mit einem Kunststoff zur Gestaltung des Gehäuses, wobei sich dieser Kunststoff vom thermisch leitfähigen Kunststoff unterscheidet.The object is further achieved by a method for producing a temperature sensor or an inductive conductivity sensor as described above, comprising the steps of: producing the ceramic, the metal or the thermal conductive plastic; Encasing the ceramic, the metal or the thermally conductive plastic by means of injection molding with a plastic for the design of the housing, wherein this plastic differs from the thermally conductive plastic.
Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Abtragen des zum Eintauchen in das Medium bestimmten Gehäuseabschnitts, insbesondere eines Teilbereichs um die Keramik, das Metall oder den thermisch leitfähigen Kunststoff herum, bis auf einen Abstand, insbesondere bis auf 0,1 mm, zur Höhe der Keramik, des Metalls oder des thermisch leitfähigen Kunststoffs. Somit ergibt sich ein glatter Übergang zwischen Gehäuse und Keramik, Metall oder thermisch leitfähiger Kunststoff, wodurch sich ein hygienisches Design realisieren lässt.The method preferably further comprises the step of removing the housing section intended for immersion in the medium, in particular a partial area around the ceramic, the metal or the thermally conductive plastic, to a distance, in particular to 0.1 mm, from the height of the Ceramic, metal or thermally conductive plastic. This results in a smooth transition between housing and ceramic, metal or thermally conductive plastic, whereby a hygienic design can be realized.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows
Der erfindungsgemäße induktive Leitfähigkeitssensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen
Der Leitfähigkeitssensor
Der Leitfähigkeitssensor
Die Sendespule
Das Gehäuse
Der Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule
Der Leitfähigkeitssensor
Wie erwähnt steht der Temperatursensor
Die
Der Temperatursensor
Der Temperatursensor
In
Der Mehrschichtenaufbau des Gehäuses
Bei der Keramik handelt es sich um ZrO2 oder Al2O3. Die Keramik ist dabei vollständig oder teilweise porös mit Poren, die kleiner als 0,2 µm sind. Insbesondere die Varianten mit Keramik und Metall werden in der ersten Ausführungsform, d.h. wenn ausschließlich der Bereich
Alternativ kann ein thermisch leitfähiger Kunststoff verwendet werden. Dieser thermisch leitfähige Kunststoff unterscheidet sich von dem Kunststoff des Gehäuses
Das Temperaturelement
Zur Herstellung des Temperatursensors
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Leitfähigkeitssensor conductivity sensor
- 22
- Medium medium
- 33
- Behältnis container
- 44
- Flansch flange
- 55
- Datenverarbeitungseinheit Data processing unit
- 66
- Sendespule transmitting coil
- 77
- Empfangsspule receiving coil
- 88th
-
zum Eintauchen in
2 bestimmter Gehäuseabschnitt von1 for immersion in2 certain housing section of1 - 99
- Gehäuse casing
- 1010
- Temperatursensor temperature sensor
- 1111
- Bereich Area
- 1212
- Kanal channel
- 1313
- Strompfad current path
- 1414
- Temperaturelement temperature element
- 1515
- Wärmeleitkleber Thermal Adhesive
- 1616
- Gehäusewandung housing
- 1717
- Weitere Schicht Another layer
- 1818
- Leitungen cables
Claims (11)
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