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Die Erfindung betrifft einen Schutzdeckel für einen Temperatursensor, der dazu ausgebildet ist, Infrarotlicht zur Temperaturmessung auszustrahlen, wobei der Schutzdeckel aus einem für Infrarotlicht durchlässigen Material gefertigt ist und eine dem Sensor zugewandte Sensorseite und eine von dem Sensor abgewandte Schutzseite aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Sensoreinrichtung für Biomasse, insbesondere Lebensmittel, insbesondere Milch, mit einem Temperatursensor, der dazu ausgebildet ist, Infrarotlicht zur Temperaturmessung auszustrahlen, und mit einem Schutzdeckel, der im Strahlenweg des Infrarotlichts an dem Temperatursensor angeordnet ist.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Schutzdeckels sowie ein Verfahren zum Herstellen der Sensoreinrichtung.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
JP 2007-111058 A ist ein Temperatursensor für Milchprodukte bekannt, der mittels Infrarotstrahlung die Temperatur von Milch in einem Milchtank erfasst.
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Damit sich in der Landwirtschaft Milch nach dem Melken im Kuhstall nicht chemisch verändert, wird sie in Tanks gesammelt und regelmäßig von der Molkerei abtransportiert. Um die Abholintervalle verlängern zu können, wird die Milch in speziellen Behältern vor Ort temperiert und kontinuierlich überwacht, wobei insbesondere die Temperatur der Milch überwacht wird. Temperaturfühler, die in Berührungskontakt zur Milch stehen, sind dabei nicht geeignet, da sich direkt an der Fühleroberfläche oder an Schnittstellen Bakterien oder andere Rückstände ansammeln können. Darüber hinaus können durch den Kontakt mit der Milch Inhaltsstoffe aus dem Material des Temperatursensors in die Milch ausdiffundieren und dadurch chemisch auf die Milch Einfluss nehmen.
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In der Offenlegungsschrift
EP 3 056 146 A1 wird außerdem eine Schutzkappe für einen Infrarot-Hautanalysesensor beschrieben, die aus hygienischen Gründen für den Transport steril verpackt ist und nach Durchführung einer Messung direkt entsorgt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Schutzdeckel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein häufiger Austausch des Schutzdeckels nicht notwendig ist, wobei der Schutzdeckel selbst kostengünstig und in hoher Stückzahl fertigbar ist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Schutzseite des Schutzdeckels eine wasserabweisende Mikrostruktur aufweist. Der Schutzdeckel ist somit auf seiner insbesondere der Milch zugewandten Schutzseite mit einer hydrophoben Mikrostruktur versehen, die also mechanisch in die Oberfläche der Schutzseite eingearbeitet ist und aufgrund ihrer Ausformung einen hydrophoben (Lotus-) Effekt gewährleistet. Dadurch wird erreicht, dass der Schutzdeckel nicht mit einer hydrophoben Beschichtung versehen werden muss, die beispielsweise im Kontakt mit der Milch mit dieser auf Dauer chemisch reagieren könnte, sondern seine hydrophobe Eigenschaft allein durch die Strukturierung seiner Oberfläche erhält. Dadurch ist der Schutzdeckel beschichtungsfrei verwendbar und auch für längere Zeit, und zwar, ohne dass ein Austausch erfolgen muss. Die Mikrostruktur ist dabei derart ausgebildet, dass sie verhindert, dass sich Flüssigkeit an der Oberfläche der Schutzseite sammelt und an dieser anhaften kann.
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Bevorzugt weist die Mikrostruktur eine Vielzahl von Mikroerhebungen auf, die sich insbesondere linienförmige oder gitterförmig über die Schutzseite des Schutzdeckels erstrecken. Hierdurch wird die hydrophobe Eigenschaft der Schutzseite des Schutzdeckels auf einfache Art und Weise erreicht. Die Mikrostruktur wird insbesondere bei der Herstellung des Schutzdeckels, insbesondere durch nachträgliches Prägen oder durch das Vorsehen einer entsprechenden Form bereits in einer Gießform, hergestellt.
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Vorzugsweise ist der Schutzdeckel aus einem biokompatiblen Kunststoff gefertigt, sodass auch bei Berührungskontakt mit dem Lebensmittel, insbesondere Milch, ein Ausdiffundieren von Inhaltsstoffen des Kunststoffs in das Lebensmittel unterbleibt und eine dauerhafte Anwendung des Schutzdeckels möglich ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kunststoff des Schutzdeckels HDPE-, PMMA oder ABS-Kunststoff aufweist. Bei diesen Kunststoffen handelt es sich um biokompatible Kunststoffe, die vorteilhaft verarbeitet werden können und sich dazu eignen, mit der erfindungsgemäßen Mikrostruktur an der Schutzseite versehen zu werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Schutzdeckel eine Stärke oder Höhe zwischen Schutzseite und Sensorseite von höchstens 2 mm, insbesondere von höchstens 1 mm, besonders bevorzugt von 0,7 mm auf. Die Stärke oder Höhe des Schutzdeckels beträgt somit 2 mm oder weniger, wodurch der Schutzdeckel insgesamt kompakt gebaut ist und den Temperatursensor nicht oder kaum vergrößert. Dadurch ist der Schutzdeckel auch einfach an bereits bestehenden Temperatursensoren nachrüstbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Schutzdeckel an seinem Außenrand Befestigungsmittel zur Befestigung des Schutzdeckels an dem Temperatursensor auf. Die Befestigungsmittel sind somit insbesondere integral mit dem Schutzdeckel ausgebildet und gewährleisten eine einfache Montage des Schutzdeckels an dem Temperatursensor und eine einfache Handhabung und einen einfachen Austausch des Schutzdeckels.
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Bevorzugt weisen die Befestigungsmittel einen Schrumpfrand auf, der auf den Temperatursensor aufschrumpfbar ist. Der Schrumpfrand weist insbesondere einen im Vergleich zum Schutzdeckel selbst größere Stärke auf, die derart gewählt ist, dass beim Abkühlen des Schutzdeckels der Randbereich durch Materialschwindung schrumpft und dadurch auf den Temperatursensor aufschrumpfbar ist. Bei der Herstellung wird dazu ein Außenrand des Schutzdeckels belastet, der insbesondere nicht verpresst ist und dazu geeignet ist, auf den Temperatursensor aufgeschoben und aufgeschrumpft zu werden. Dazu weist der Außenrand insbesondere eine Kontur auf, die zumindest im Wesentlichen der Außenkontur des Temperatursensors an seinem Sensorkopf entspricht, wobei der Außenrand insbesondere nur geringfügig größer ist als der Temperatursensor, sodass der Außenrand auf den Temperatursensor aufgeschoben werden kann. Das Aufschrumpfen kann auch dadurch erzielt werden, dass der abgekühlte Schutzdeckel auf den Temperatursensor aufgesetzt und am Außenrandbereich nachträglich erhitzt wird, sodass der Randbereich auf den Temperatursensor aufschmilzt, wobei die Schmelztemperatur derart gewählt wird, dass keine chemische Verbindung zu dem Temperatursensor selbst erfolgt und es somit bei einer rein formschlüssigen Verbindung bleibt, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Schutzdeckel und Temperatursensor also vermieden wird. Dadurch ist auch weiterhin die Austauschbarkeit des Schutzdeckels gewährleistet.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weisen die Befestigungsmittel bevorzugt einen Klemmrand oder Kleberand auf. Der Klemmrand zeichnet sich dadurch aus, dass er unter elastischer Verformung auf den Temperatursensor aufschiebbar ist, sodass der Schutzdeckel durch elastische Vorspannung an dem Temperatursensor gehalten beziehungsweise geklemmt ist. Der Kleberand zeichnet sich dadurch aus, dass er dazu geeignet ist, mit einem Klebemittel zusammenzuwirken, das zwischen dem Temperatursensor und dem Klemmrand vorgesehen wird. Hierdurch wird eine besonders dauerhafte und insbesondere stoffdichte Verbindung zwischen Schutzdeckel und Temperatursensor gewährleistet. Besonders bevorzugt ist der Außenrand des Schutzdeckels dazu geeignet, ein dicht viskoses oder elastisch verformbares Dichtmittel aufzunehmen, um in Verbindung mit dem Temperatursensor eine Abdichtung des Temperatursensors zu gewährleisten, die verhindert, dass Flüssigkeit oder Lebensmittel an dem Schutzdeckel vorbei zu dem Temperatursensor gelangt.
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Bevorzugt ist der Schutzdeckel geneigt zu dem Temperatursensor ausgerichtet. Dies erschwert das Ablagern von Flüssigkeitsresten im Sichtfeld des Sensors. Weiterhin ist bevorzugt die Größe des Schutzdeckels derart gewählt, dass sich am Rand des Schutzdeckels Flüssigkeitsreste ablagern könnten, ohne im Sichtfeld des Sensors zu liegen. Die bevorzugte Mikrostruktur befindet sich optional nur im Bereich des Sichtfelds des Temperatursensors auf der Schutzseite, bevorzugt erstreckt sie sich jedoch über die gesamte Schutzseite. Optional ist der Schutzdeckel außerdem bevorzugt als Linse ausgebildet und ist somit direkt in die Auslegung der Optik des Temperatursensors integrierbar.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch den erfindungsgemäßen Schutzdeckel aus. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist der Außenrand an den Temperatursensor angepasst, wie vorstehend bereits beschrieben, sodass der Schutzdeckel formschlüssig auf den Temperatursensor aufschiebbar und insbesondere aufschrumpfbar oder -klebbar oder -klemmbar ist.
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Bevorzugt ist dabei der Schutzdeckel auf dem Temperatursensor aufgeschrumpft, aufgeklemmt oder aufgeklebt. Dabei ist die Sensorseite des Schutzdeckels dem Temperatursensor zugewandt und die Schutzseite der Biomasse oder dem Lebensmittel, dessen Temperatur zu erfassen ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des vorstehend beschriebenen Schutzdeckels mit den Merkmalen des Anspruchs 13 zeichnet sich dadurch aus, dass der Schutzdeckel durch einen Spritzgießprozess hergestellt und in seiner Schutzseite eine wasserabweisender Mikrostruktur eingebracht wird. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
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Bevorzugt wird die Mikrostruktur während des Spritzgießprozesses durch ein Formwerkzeug in die Schutzseite eingebracht. Alternativ wird die Mikrostruktur nachträglich durch ein Prägeverfahren, oder durch ein Laserbearbeitungsverfahren in die Schutzseite eingebracht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der vorstehend beschriebenen Sensoreinrichtung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruchs 14 aus.
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Dabei wird ein Temperatursensor bereitgestellt und ein wie vorstehend beschrieben hergestellter oder ausgebildeter Schutzdeckel, wobei der Schutzdeckel auf einem freien Sensor endet des Temperatursensors angeordnet, insbesondere aufgeschrumpft, aufgeklebt oder aufgeklemmt wird.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine vorteilhafte Sensoreinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2A und 2B ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzdeckels der Sensoreinrichtung und
- 3 die Sensoreinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine vorteilhafte Sensoreinrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Sensoreinrichtung 1 weist einen Temperatursensor 2 auf, der Mittel 3 zum Ausstrahlen von Infrarotlicht zur Temperaturmessung aufweist. Im Strahlenweg des Temperatursensors 2, der durch gestrichelte Linien 4 angedeutet ist, liegt außerdem ein Schutzdeckel 5, der den Temperatursensor 2 an seinem Sensorkopf 6 überdeckt.
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Der Schutzdeckel 5 weist eine dem Temperatursensor 2 zugewandte Sensorseite 7 sowie eine von dem Temperatursensor 2 abgewandte Schutzseite 8 auf. Die Sensoreinrichtung 1 ist insbesondere in einen Tank 9 für Biomasse, insbesondere für Lebensmittel, vorzugsweise Milch, derart eingebaut, dass die Schutzseite 8 des Schutzdeckels 5 der Biomasse zugewandt ist, wobei der Temperatursensor 2 mittels der Infrarotmessung die Temperatur der Biomasse in dem Tank erfasst beziehungsweise überwacht.
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Die Schutzseite 8 ist mit einer wasserabweisenden beziehungsweise hydrophoben Mikrostruktur 10 versehen. 1 zeigt dazu einen vergrößerten Abschnitt des Schutzdeckels 5, der mit 1A bezeichnet ist. Die Mikrostruktur 10 weist dabei an der Schutzseite 8 eine Vielzahl spitzer Erhebungen 11 auf, die sich insbesondere linienförmig oder gitterförmig über die Schutzseite 8 des Schutzdeckels 5 erstrecken. Dabei ist die Mikrostruktur 10 derart ausgebildet, dass sie das Ablagern von Flüssigkeit oder Schmutzpartikeln an der Schutzseite 8 verhindert.
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Bevorzugt erstreckt sich die Mikrostruktur 10 über die gesamte Schutzseite 8, alternativ erstreckt sich die Mikrostruktur nur über den Sichtbereich des Sensors 2, sodass zumindest in dem Bereich des Schutzdeckels 5, der von den Infrarotstrahlen des Temperatursensors 2 beaufschlagt wird, ein Ablagern von Flüssigkeit und somit ein Verschmutzen des Temperatursensors 2 mit der Zeit verhindert wird.
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Der Schutzdeckel 5 ist insbesondere aus einem biokompatiblen Kunststoff, insbesondere aus HDPE (high-density Polyethylen), PMMA (Polymethylmethacrylat) oder ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) gefertigt sein. Insbesondere wird ein Kunststoff verwendet, der eine FDA-Zulassung aufweist und somit keine Inhaltsstoffe aufweist, die bei längerem Kontakt mit der Biomasse/dem Lebensmittel in diese eindiffundieren können. Die Höhe des Schutzdeckels zwischen der Sensorseite 7 und der Schutzseite 8 beträgt bevorzugt maximal 2 mm, besonders bevorzugt 0,7 mm, sodass der Schutzdeckel niedrigbauend ausgebildet ist und die Infrarotstrahlung nur geringfügig beeinträchtigt. Vorteilhafterweise wird die Mikrostruktur 10 bereits bei der Herstellung des Schutzdeckels 5 in einem Spritzgießverfahren berücksichtigt.
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2 zeigt hierzu vereinfacht ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Schutzdeckels 5 mithilfe einer Spritzgießeinrichtung 12. Diese weist, wie in der Schnittdarstellung von 2A gezeigt, zwei Werkzeughälften 13 und 14 auf, die zwischen sich eine oder mehrere Hohlkammern 15 zur Herstellung jeweils eines Schutzdeckels 5 im geschlossenen Zustand einschließen. Vorzugsweise sind die Hohlkammern 15 im geschlossenen Zustand durch einen gemeinsamen Verteilerkanal 16, durch welchen die flüssige Kunststoffmasse in die Hohlkammern 15 eingebracht wird, verbunden. Die Werkzeughälften 13, 14 sind dabei insbesondere auf eine Temperatur von 40°C bis 80°C vortemperiert.
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Jeder der Kammern 15 ist ein Auswurfstempel 17 sowie ein Formstempel 18 zugeordnet, welche die Kammern 15 zweiseitig begrenzen. Dabei ist der Formstempel 18 der späteren Schutzseite 8 des Schutzdeckels 5 und der Auswurfstempel 17 der Sensorseite 7 zugeordnet. Der Formstempel 18 weist auf seiner der Kammer zugewandten Seite die Negativform 19 der Mikrostruktur 8 auf, sodass dann, wenn der Kunststoff in die Kammer 15 eingeführt wird, die Mikrostruktur bereits durch den Formstempel 18 an den Schutzdeckel 5 angeformt wird. Insbesondere wird nach dem Einfüllen des Kunststoffs in die jeweilige Hohlkammer 15 der Formstempel 18 derart verfahren, dass das Volumen der Kammer 15 verkleinert und der darin befindliche Kunststoff gepresst wird, sodass sichergestellt ist, dass sich die Mikrostruktur 8 an dem Schutzdeckel 5 ausbildet. Dabei wird der Kunststoff auf die zuvor genannte Höhe h von maximal 2 mm verpresst.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verbleibt dabei ein Außenrandabschnitt 20 des Schutzdeckels 5 in der Hohlkammer 15, der nicht verpresst ist und zu einer becherförmigen Form des jeweiligen Schutzdeckels 5 führt. Dabei ist der Innendurchmesser des Außenabschnitts 20 derart gewählt, dass der Schutzdeckel 5 auf den Sensor 2 mit dem Außenrand 20 aufschiebbar ist, wie auch in 1 gezeigt.
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Durch das Verdichten des Kunststoffs der jeweiligen Kammer 15 werden Schwindung, Bindenaht, Verzug sowie innere Spannungen des Schutzdeckels 5 eliminiert. Nach einer vorgegebenen Kühlzeit wird das spritzgegossene Bauteil aus den Kammern 15 durch Auseinandernehmen der Werkzeughälften 13, 14 entformt und auf den Temperatursensor 2, insbesondere auf den Sensorkopf 6 aufgeschoben. Durch ein Nachschwinden des unverdichteten Außenrandbereichs 20, der bevorzugt zur Stabilisierung des Schutzdeckels 5 mit einer Wanddicke größer von 2 mm ausgeführt ist, schrumpft der Schutzdeckel 5 mit dem Außenrandbereich 20 auf den Außenrand des Sensorkopfs 6 fest. Der Außenrandbereich 20 bildet somit ein Befestigungsmittel 23 in Form eines Schrumpfrands 24. Alternativ kann der Schutzdeckel 5 mit den seitlichen Flügelflächen am Außenrandbereich 20 auf den Sensorkopf 6 aufgeklebt oder geklemmt werden. In letzteren Fällen bildet der Außenrandbereich 20 also einen Klemmrand oder einen Kleberand.
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2B zeigt die Werkzeughälfte 14 der Einrichtung 12 in einer vereinfachten Draufsicht zum besseren Verständnis. Zweckmäßigerweise werden die einzelnen Schutzdeckel 5 voneinander nach dem Entformen gelöst und das überschüssige Material, das sich beispielsweise aus dem Verteilerkanal 16 ergibt, optional für einen weiteren Spritzgießvorgang wieder eingeschmolzen.
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Optional weist der Sensorkopf 6 randseitig einen insbesondere ringförmigen Vorsprung 21 auf, wie in 1 durch gestrichelte Linien gezeigt, der von dem Schutzdeckel 5 entweder beim Aufschieben durch elastische Verformung des Schutzdeckels 5 hintergriffen wird, wodurch ein sicheres Halten des Schutzdeckels 5 an dem Sensorkopf 6 gewährleistet ist, oder an dem Schutzdeckel 5 wird durch das Aufschrumpfen an dem Sensorkopf 6 befestigt, wodurch ebenfalls der Vorsprung 21 hintergriffen und damit eine sichere und mediendichte Halterung des Schutzdeckels 5 an dem Sensorkopf 6 gewährleistet ist.
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Optional ist der Schutzdeckel 5 außerdem zumindest im Sichtbereich des Sensors 2 als Linse ausgebildet, welche somit die Optik des Temperatursensors 2 mitbildet.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung 1, wobei aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel bereits bekannte Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind, sodass insofern auf die obenstehende Beschreibung verwiesen wird. Im Folgenden soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
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Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist der Schutzdeckel 5 geneigt zu dem Temperatursensor 2 beziehungsweise zur Strahlenrichtung oder zu einer Mittellängsachse des Temperatursensors 2 ausgerichtet, wodurch das Ablagern von Flüssigkeit oder Biomasse an dem Schutzdeckel 5 weiter erschwert wird.
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Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist außerdem der Schutzdeckel 8 nicht auf den Sensorkopf 6 aufgeschoben, sondern wird separat durch ein Gehäuse 22 an diesem oder beabstandet zu diesem, wie in 3 gezeigt, gehalten. Die Größe des Schutzdeckels 5 ist in beiden Fällen bevorzugt derart gewählt, dass sich im Rand zwischen Schutzdeckel 5 und Gehäuse 22 und/oder Außenrandbereich 20 Flüssigkeitsreste ablagern können, ohne im Sichtfeld des Temperatursensors 2 zu liegen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich die Mikrostruktur 10 nur über das Sichtfeld des Sensors 2 auf der Schutzseite 8 entlang erstreckt.
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Die Ausbildung des Schutzdeckels 8 aus Kunststoff hat darüber hinaus den Vorteil, dass bei einer Beschädigung keine scharfen Splitter gebildet werden, welche in die Flüssigkeit gelangen könnten. Außerdem ist ein Austausch eines beschädigten Schutzdeckels 5 jederzeit sicher möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007111058 A [0004]
- EP 3056146 A1 [0006]
