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Die Erfindung betrifft eine Messsonde zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums, das sich in einem Behälter befindet. Bei dem Behälter kann es sich um einen Tank, eine Rohrleitung, o.ä. handeln.
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Zur Erfassung von Prozessvariablen in der Automatisierungstechnik dienen beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Analysemessgeräte, usw. Die Messgeräte erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, Analysedaten, wie den pH-Wert, die Trübung oder die Leitfähigkeit. Messgeräte bestehen im Wesentlichen aus einer Messsonde, mit zumindest einem Sensorelement bzw. einem Messelement, das Information über die Prozessvariable liefert, und zumindest einer Elektronikeinheit, die das Sensorelement ansteuert, die von dem Sensorelements/der Messsonde gelieferten Informationen aufbereitet und/oder auswertet und Messwerte der Prozessvariable zur Verfügung stellt. Die in der vorliegenden Patentanmeldung beschriebene Messsonde ist in dem zuvor beschriebenen Umfang zu verstehen. Sie gilt selbstverständlich auch für Prozessvariablen der Automatisierungstechnik, die hier nicht explizit genannt sind.
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Messgeräte werden im industriellen Umfeld häufig in einer Prozessumgebung eingesetzt, deren Temperatur über der maximal zulässigen Temperatur von temperaturempfindlichen Komponenten oder temperaturempfindlicher Bauteile der Elektronikeinheit, des sog. Messumformers, liegt. Um zu verhindern, dass eine temperaturempfindliche Komponente oder ein temperaturempfindliches Bauteil zerstört wird - was üblicherweise zum Ausfall des Messgeräts führt - ist beispielsweise zwischen der Messsonde, die dem Prozess ausgesetzt ist, und der Elektronikeinheit mit dem zumindest einen temperaturempfindlichen Bauteil eine Verbindungskomponente vorgesehen, deren thermischer Widerstand so hoch ist, dass das Sensorelement/die Messsonde und die Elektronikeinheit thermisch in dem erforderlichen Maße voneinander entkoppelt sind. Eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 103 493 A1 bekannt geworden.
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Darüber hinaus ist zu beachten, dass Messgeräte beim Einsatz in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie, aber auch im Lebensmittelbereich z.B. aufgrund von Reinigungsprozessen oftmals schnell aufeinanderfolgenden Temperaturänderungen unterworfen sind. Infolge schneller Temperaturänderungen treten zumindest kurzzeitig hohe Temperaturgradienten auf. Diese Temperaturgradienten sind erst abgeklungen, wenn das thermische Gleichgewicht zwischen Messgerät und Prozess erreicht ist.
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Aufgrund der unterschiedlichen Randbedingungen, wie z.B. geforderte Druckfestigkeit und/oder elektrische Leitfähigkeit, ist es bei industriellen Applikationen ratsam, die thermisch entkoppelnde Verbindungskomponente aus einem Material zu fertigen, das bezüglich Stabilität und Leitfähigkeit die Eigenschaften von Metall hat. Die üblicherweise hohe thermische Leitfähigkeit von Metallen läuft einer angestrebten thermischen Entkopplung jedoch prinzipiell zuwider. Denkbar ist es, über die Anpassung der Geometrie der Verbindungskomponente einen hohen thermischen Widerstand und damit eine gute thermische Entkopplung zu erreichen. Insbesondere lässt sich durch eine geeignete Querschnittsreduzierung und/oder eine geeignete Vergrößerung der Länge der Verbindungskomponente ein gewünschter hoher thermischer Widerstand realisieren.
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Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass sich kaum eine kompakte Ausgestaltung eines Messgeräts erreichen lässt, wenn zwecks thermischer Entkopplung eine Verbindungskomponente mit erhöhter Längsausdehnung verwendet wird. Auch ist eine Querschnittsreduktion nicht beliebig möglich, da unterhalb eines vorgegebenen Querschnitts der Verbindungskomponente die am industriellen Einsatzort des Messgeräts erforderliche Stabilität nicht mehr gewährleistet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Messsonde zur Bestimmung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße in der Automatisierungstechnik vorzuschlagen, die zur Temperaturreduktion geeignet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Messsonde zur Bestimmung oder Überwachung einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums, das sich in einem Behälter befindet, wobei eine rohrförmige Gehäusekomponente zur Aufnahme zumindest eines für die Prozessgröße sensitiven Messelements vorgesehen ist, wobei in einem Endbereich der rohrförmigen Gehäusekomponente ein Prozessadapter vorgesehen ist, der über ein Schraubgewinde in ein Prozessanschlussteil des Behälters einschraubbar ist, wobei im gegenüberliegenden Endbereich des rohrförmigen Gehäuses ein Gehäuseadapter zur Befestigung des Messelektronikgehäuses vorgesehen ist, wobei in einem Zwischenbereich zwischen dem Prozessadapter und dem Gehäuseadapter die Außenwandung der rohrförmigen Komponente eine definierte Außenkontur aufweist, die so ausgestaltet ist, dass über die definierte Außenkontur zwecks Einschrauben des Prozessadapters in oder Ausschrauben des Prozessadapters aus dem Prozessanschlussteil des Behälters ein Drehmoment auf die rohrförmige Komponente einleitbar ist, und wobei in die Außenkontur bevorzugt über den Gesamtumfang parallel angeordnete Kühlrippen eingebracht sind.
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Erfindungsgemäß ist somit keine Änderung des Designs der Messsonde erforderlich. Vielmehr wird der zum Ein- und Ausschrauben der Messsonde vorgesehene und verwendete Gehäusebereich zusätzlich mit Kühlrippen versehen. Diese Kühlrippen sind so ausgestaltet und bemessen, dass weder die Stabilität der Messsonde noch die Funktionalität des für den Ein- und Ausschraubvorgang vorgesehenen Gehäusebereichs beeinträchtigt wird. Erfindungsgemäß wird eine kompakte Messsonde bereitgestellt, die zusätzlich noch die Funktion erfüllt, einen Temperaturunterschied zwischen dem Prozess, in dem sich die Messsonde befindet, und der temperaturempfindlichen Elektronikeinheit durch Einfügen von Kühlrippen, die den Wärmetransport behindern, herbeizuführen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Messsonde schlägt vor, die definierte Außenkontur derart auszugestalten, dass sie eine Angriffsfläche für das Ansetzen eines Werkzeugs zum Einschrauben oder Ausschrauben der Messsonde aus dem Prozessanschlussteil aufweist. Bevorzugt ist die definierte Außenkontur als n-Kant-Antrieb, bevorzugt als Sechskantantrieb ausgestaltet. In industriellen Anwendungen sind Prozessadapter mit ¾" und 1 ½" Prozessgewinde weit verbreitet.
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Neben den kantig ausgestalteten Flächen zum Ansetzen eines Werkzeuges wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass die definierte Außenkontur einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweist. Bei dieser Ausgestaltung ist beispielsweise bzw. bevorzugt im Bereich der definierten Außenkontur zumindest eine radiale Bohrung vorgesehen ist, über die ein Drehmoment mittels eines geeigneten Werkzeugs auf die Messsonde übertragbar ist.
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Weiterhin wird in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung vorgeschlagen, dass die Kühlrippen durch in die definierte Außenkontur eingebrachte Nuten generiert sind. Bevorzugt laufen diese über den gesamten Umfang der definierten Außenkontur. Die Einstichtiefe der einzelnen Nuten ist abhängig von der definierten Außenkontur: Während die Einstichtiefe bei einer Außenkontur mit im Wesentlichen rundem Querschnitt über den Umfang gleich ist, kann sie bei einer kantigen Außenkontur über den Umfang unterschiedlich sein. Hier ist die Einstichtiefe im Bereich der Kanten größer als im Bereich der gerade verlaufenden Flächen. In jedem Fall ist darauf zu achten, dass die Einstichtiefe im Bereich der stärksten Reduktion des Durchmessers so bemessen ist, dass weiterhin eine ausreichende Stabilität der Messsonde sichergestellt ist. Die Einstichtiefe liegt im Bereich von einigen Millimetern, z.B. bei einem Prozessadapter mit ¾" Prozessgewinde zwischen 4-7 mm. Eine Nut zwischen zwei nebeneinanderliegenden Kühlrippen weist bevorzugt einen halbrunden oder einen rechteckigen, trapezförmigen oder dreieckigen Querschnitt mit bevorzugt abgerundeten Ecken auf.
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Der Abstand zwischen zwei nebeneinander liegenden Kühlrippen liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1-2mm. Auch hier ist darauf zu achten, dass die verbleibende Stabilität hinreichend groß ist, damit bei Krafteinleitung durch Ansetzen eines Werkzeugs im Bereich der Außenkontur keine Verformungen auftreten.
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Bevorzugt werden die Nuten zur Schaffung der Kühlrippen mittels einer Drehmaschine und eines Einstichstahls in die Außenkontur eingebracht. Alternativ kann ein Fräsverfahren eingesetzt werden. Wird die rohrförmige Gehäusekomponente als Gussteil hergestellt, so werden die Kühlrippen und Nuten u.U. schon im Werkzeug abgebildet.
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Bevorzugt ist die Messsonde aus Edelstahl gefertigt. Weitere geeignete Materialien sind z.B. Aluminium, Normalstahl, Alloy oder Titan.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine erfindungsgemäße Messsonde mit 1 ½" Prozessgewinde in Seitenansicht,
- 1a: einen Längsschnitt durch die in 1 gezeigte Messsonde gemäß der Kennzeichnung A-A,
- 1b: einen Querschnitt durch die in 1 gezeigte Messsonde gemäß der Kennzeichnung B-B,
- 1 c: eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Messsonde,
- 2: eine erfindungsgemäße Messsonde mit ¾" Prozessgewinde in Seitenansicht,
- 2a: einen Querschnitt durch die in 2 gezeigte Messsonde gemäß der Kennzeichnung A-A,
- 2b: einen Längsschnitt durch die in 2 gezeigte Messsonde gemäß der Kennzeichnung B-B,
- 2c: eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Messsonde und
- 3: eine schematische Darstellung eines Messgeräts, das über die erfindungsgemäße Messsonde an einem Behälter befestigt ist.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Messsonde 1 - hier mit 1½" Prozessadapter 6 - in Seitenansicht. Die Messsonde 1 weist eine rohrförmige Gehäusekomponente 4 zur Aufnahme zumindest eines für die Prozessgröße sensitiven Messelements 5 vor. Das Messelement ist in 1 nicht gesondert dargestellt. Wie bereits zuvor erwähnt, ist es so ausgestaltet, dass es Information über die zu bestimmende oder überwachende Prozessvariable liefert. In 3 ist beispielsweise ein Radar-Füllstandsmessgerät dargestellt. Das Messelement 5 ist hier die Antenne, die die Messsignale aussendet und empfängt. Im Falle eines TDR-Füllstandsmessgeräts ist das Messelement 5 eine leitfähige längliche Sonde, die sich in den Behälter 2 hineinerstreckt.
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Bezugnehmend auf 1 ist in einem Endbereich der rohrförmigen Gehäusekomponente 4 ein Prozessadapter 6 vorgesehen, der über ein Schraubgewinde 7 in ein korrespondierendes Gewinde eines Prozessanschlussteils 8 des Behälters 2 einschraubbar ist. Wie in 3 zu sehen, kann sich das Prozessanschlussteil 8 in einer Öffnung 13 im Deckel 14 des Behälters 2 befinden. Selbstverständlich kann das Prozessanschlussteil 8 auch in der Seitenwand des Behälters 2 angeordnet sein. Üblicherweise ist dies der Fall bei Druckmessgeräten oder Grenzstand-Messgeräten.
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Im gegenüberliegenden Endbereich der rohrförmigen Gehäusekomponente 4 ist ein Gehäuseadapter 9 zur Befestigung des Messelektronikgehäuses 10 vorgesehen. Üblicherweise ist auch hier eine Schraubverbindung vorgesehen. Die Verbindung zur Aufnahme des Messelektronikgehäuses 10 kann weiterhin als geschweißte Verbindung ausgeführt sein, und zwar mit oder ohne Schraubgewinde. Darüber hinaus kann es sich auch um eine gesteckte Verbindung handeln, die z.B. mit einem Sicherungsring gesichert ist. Selbstverständlich können auch die genannten Verbindungstechniken miteinander kombiniert sein. Im Zwischenbereich zwischen dem Prozessadapter 6 und dem Gehäuseadapter 9 weist die Außenwandung der rohrförmigen Komponente 4 eine definierte Außenkontur 11 auf. Diese Außenkontur 11 ist so ausgestaltet, dass über sie zwecks Einschrauben des Prozessadapters 6 in oder Ausschrauben des Prozessadapters 6 aus dem Prozessanschlussteil 8 des Behälters 2 ein Drehmoment auf die rohrförmige Komponente 4 einleitbar ist.
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Gemäß der Erfindung sind in die Außenkontur 11 bevorzugt über den Gesamtumfang parallel angeordnete Kühlrippen 12 bzw. Nuten 15 eingebracht. Durch die Nuten 15 wird der Querschnitt der rohrförmigen Komponente im Bereich der definierten Außenkontur verringert. Durch die Nuten 15 bzw. Kühlrippen 12 wird verhindert, dass die im Behälter 2 herrschende Temperatur nicht uneingeschränkt zu der temperaturempfindlichen Messelektronik 16 weitergeleitet wird. Vielmehr führen die Nuten 15 in Folge der Reduktion des Durchmessers der Messsonde 1 in dem Zwischenbereich zu einer Erhöhung des thermischen Widerstands und damit zu einem Temperaturabfall von einigen Grad Celsius.
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In dem Längsschnitt aus 1a und dem Querschnitt aus 1b ist die Einstichtiefe t der Nuten 15 zwischen den Kühlrippen 12 sowie der Abstand a zweier nebeneinanderliegender Kühlrippen 12 dargestellt. Beide Größen sind so dimensioniert, dass weiterhin die geforderte und notwendige Stabilität der Messsonde 1 sichergestellt ist. In dem Querschnitt in 1b ist zu sehen, die Einstichtiefe t der Nuten 15 über den Umfang der definierten Außenkontur 11 variieren kann. Die Einstichtiefe t endet auf einer Kreislinie mit dem Radius r. So ist die Einstichtiefe t2 bei einem n-Kant Antrieb im Bereich der Ecken größer als die Einstichtiefe t1 im Bereich der gerade verlaufenden Abschnitte t1.
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Da sich die in den Figuren 2, 2a, 2b und 2c dargestellte Messsonde 1 von der in den entsprechenden 1 nur durch die Dimensionierung unterscheidet, wird auf eine Wiederholung der Beschreibung verzichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsonde
- 2
- Behälter
- 3
- Medium
- 4
- rohrförmige Gehäusekomponente
- 5
- Messelement
- 6
- Prozessadapter
- 7
- Schraubgewinde
- 8
- Prozessanschlussteil
- 9
- Gehäuseadapter
- 10
- Messelektronikgehäuse
- 11
- Außenkontur
- 12
- Kühlrippe
- 13
- Öffnung
- 14
- Deckel
- 15
- Nut
- 16
- Messelektronik
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012103493 A1 [0003]
