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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen modularen Linsen-Gehäuse-Baukasten zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Radarsensoren, einen Radarsensor, die Verwendung einer Linse für einen modularen Linsen-Gehäuse-Baukasten sowie die Verwendung eines Gehäuses für einen modularen Linsen-Gehäuse-Baukasten.
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Hintergrund der Erfindung
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Sensoren werden in unterschiedlichen Ausführungen benötigt. Der Aufbau eines Sensors, der Funktionseinheiten bzw. Komponenten wie zum Beispiel eine Linse zur Bündelung von Radarwellen, ein Gehäuse und mechanische Prozessanschlüsse aufweist, ist an die Ausführung angepasst, so dass für jeden Sensortyp eine spezielle Fertigung der Komponenten vorgenommen wird und die Komponenten unterschiedlich zusammengefügt werden. Beispielsweise ist ein Messbereich durch die Linse definiert, so dass für unterschiedliche Messerbereiche auch unterschiedliche Linsen erforderlich sind, die wiederum eine entsprechende Aufnahme im Gehäuse benötigen. Hierdurch können für die Komponenten eines Sensortyps in der Regel nur Stückzahlen, die den Stückzahlen des Sensors entsprechen, erreicht werden. Zusätzlich sind die Prozessanschlüsse anwendungs- bzw. prozessspezifisch, so dass jeder Prozessanschluss separat betrachtet werden muss. Dadurch ergibt sich eine sehr hohe Anzahl an Varianten. Für den Zusammenbau hingegen werden für jeden Sensortyp spezielle werkzeuggebundene Bauteile benötigt, die mit hohen Kosten verbunden sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist daher, Sensoren so zu gestalten, dass die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden und kostengünstiger und einfacher hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein modularer Linsen-Gehäuse-Baukasten zur Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Radarsensoren bereitgestellt. Der Linsen-Gehäuse-Baukasten weist eine Mehrzahl von unterschiedlichen Linsen und eine Mehrzahl von unterschiedlichen Gehäusen auf, wobei alle Gehäuse zur Anbringung einer der Linsen dieselbe mechanische Linsen-Gehäuse-Schnittstelle aufweisen, und wobei alle Linsen zur Anbringung an einem der Gehäuse dieselbe mechanische Linsen-Gehäuse-Gegenschnittstelle aufweisen. Bei dem Linsen-Gehäuse-Baukasten können somit unterschiedliche Gehäuse beliebig mit unterschiedlichen Linsen kombiniert werden. Hierdurch wird der Aufwand zur Herstellung deutlich verringert. Anstatt für jede mögliche Kombination einen speziellen Radarsensor herzustellen, genügt es, lediglich die unterschiedlichen Linsen und die unterschiedlichen Gehäuse herzustellen, und die gewünschte Linse in das gewünschte Gehäuse einzusetzen. Durch die Verringerung der Bauteilformen und die Definition der Schnittstellen verringert sich zudem der Aufwand für die Werkzeuge zur Integration einer Linse in ein Gehäuse, wodurch die Kosten zur Herstellung eines Radarsensors deutlich gesenkt werden können. Wird eine neue Linsenart benötigt, genügt es, lediglich eine Linse mit der definierten Schnittstelle herzustellen, ohne dass an dem bzw. den Gehäusen etwas verändert werden muss. Im umgekehrten Fall müssen keine Linsen, d.h. Linsen mit z.B. angepasster Geometrie, hergestellt werden, wenn ein neues Gehäuse, z.B. ein Gehäuse, das für andere Einsatzfelder bestimmt ist, verwendet werden soll. Zudem muss dann auch kein neues Werkzeug hergestellt werden, um die Linse z.B. im Spritzgussverfahren mit dem Gehäuse zu verbinden, wodurch zusätzlich Kosten eingespart werden. Zusätzlich lassen sich Linsen in den Baukasten integrieren, die beispielsweise aufgrund extremer Dicke nicht mehr spritzgussgerecht hergestellt werden können, sondern spanend hergestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die mechanische Schnittstelle und die mechanische Linsen-Gehäuse-Gegenschnittstelle ferner eingerichtet, um eine der Linsen durch Einspritzen an einem der Gehäuse anzubringen. Unter „mechanischer Schnittstelle“ wird somit auch das Einspritzen der Linse in ein Gehäuse verstanden. Die Einspritzform der Linse ist demnach kompatibel bzw. passend zur mechanischen Schnittstelle des Gehäuses gestaltet. Die Linse und das Gehäusematerial können dabei aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist jedes der Gehäuse eine Gehäu4sewand auf, welche einen Prozessanschluss ausbildet, ausgeführt zur Anbringung an einer Behälteröffnung oder einer Behälterwand. Die verschiedenen Gehäuse unterscheiden sich somit beispielsweise durch den Prozessanschluss. Der Prozessanschluss wird z.B. gemäß den äußeren Bedingungen wie chemische Umgebung, Temperatur, Medium, Feuchtigkeit und der geeigneten Anbringung z.B. auf, an oder in einem Behälter ausgewählt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Prozessanschluss als Flansch, Gewinde, Sockel mit einer Klebefuge, Sockel mit einer Schweißnahtvorbereitung oder als Sockel mit einer Klemmvorrichtung ausgeführt. Durch die derartigen Prozessanschlüsse kann der Sensor z.B. fest auf einen Behälter montiert oder geschweißt werden, oder er kann wieder entfernbar durch ein Außengewinde in eine Behälteröffnung geschraubt werden oder an den Behälter geklemmt werden. Das Prozessanschluss kann auch derart ausgeführt sein, dass die Außenwand verlängert ist und ein Innengewinde aufweist, so dass der Sensor auf einen Stutzen des Behälters aufgeschraubt werden kann oder als Behälterdeckel dienen kann. Eine Klebefuge erlaubt eine einfache Montage durch Aufkleben auf eine Behälterwand.
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Gemäß einer Ausführungsform weist zumindest eines der Gehäuse eine Gehäusewand und einen mechanischen Prozessanschluss auf, wobei die Gehäuseaußenwand einstückig mit dem Prozessanschluss verbunden ist. Somit kann das Gehäuse beispielsweise in einem Verfahren, wie z.B. Spritzgussverfahren, in einem einzelnen Schritt hergestellt werden. Beispielsweise weist eines der Gehäuse einen Flansch, ein Gewinde oder einen Klemmanschluss auf, die jeweils mit dem Gehäuse ein einstückiges Teil bilden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Material des Gehäuses Kunststoff. Somit lässt sich das Gehäuse z.B. im Spritzgussverfahren einfach herstellen. Vorzugsweise ist das Material dem Material der Linse chemisch ähnlich. Hierdurch werden ähnliche Eigenschaften z.B. bezüglich der Ausdehnung bei einer bestimmten Temperatur, der Festigkeit oder der Temperaturbeständigkeit erreicht, so dass mechanische Spannungen und Verformungen der Schnittstelle vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist zumindest eines der Gehäuse weiterhin einen Gehäusedeckel auf, wobei der Gehäusedeckel, die Gehäuseaußenwand und die angebrachte Linse einen dichten Hohlraum bilden. Unter „dicht“ ist hierbei luftdicht, wasserdicht, und/oder geschützt gegen Eindringen eines Stoffes von außen zu verstehen. Die Dichtigkeit kann dabei gemäß einer Schutzartklasse spezifiziert sein. Der Deckel kann dabei auf das Gehäuse aufgesetzt und mit diesem dicht verbunden werden oder mit dem Gehäuse einstückig hergestellt werden. Der Sensor kann weiterhin eine Drahtloskommunikationseinheit und eine Batterie aufweisen, die in den Hohlraum eingesetzt werden, wodurch ein autarker Betrieb möglich wird. Alternativ kann der Sensor drahtgebunden mit Energie versorgt werden und über ein Drahtverbindung Daten mit der Umwelt austauschen.
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Gemäß einer Ausführungsform bildet die Linsen-Gehäuse-Schnittstelle eine kreisförmige Öffnung aus, in die eine der Linsen eingesetzt werden kann, wobei der Rand der Öffnung zur Aufnahme der Linse mindestens eine umlaufseitige Nut oder einen umlaufseitige Vorsprung aufweist. Die umlaufenden Nuten werden jeweils von zwei umlaufenden Vorsprüngen gebildet. Analog weist die Linse mindestens einen Vorsprung oder eine Nut auf, und zwar derart, dass die gehäuseseitige Schnittstelle formschlüssig zur linsenseitigen Gegenschnittstelle passt. „Formschlüssig“ bedeutet hierbei, dass die Nuten und Vorsprünge der beiden Schnittstellen so ineinandergreifen, dass kein Spalt, bzw. Spiel und kein Absatz entsteht.
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Gemäß einer Ausführungsform sind für die Linsen-Gehäuse-Schnittstelle zumindest eines der folgende Maße definiert: der Durchmesser der mindestens einen Nut, der Durchmesser des mindestens einen Vorsprungs, die Höhe der mindestens einen Nut, die Höhe des mindestens einen Vorsprungs, die gesamte Höhe der Gegenschnittstelle und die gesamte Breite der Gegenschnittstelle.
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Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest eine der Linsen eine beidseitig gekrümmte Linse, eine einseitig gekrümmte und einseitig plane Linse, eine Linse mit einer ersten Krümmung und einem ersten Krümmbereich, oder eine Linse mit einer zweiten Krümmung und einem zweiten Krümmbereich, wobei die zweite Krümmung unterschiedlich zu der ersten Krümmung ist, und der zweite Krümmbereich unterschiedlich zu dem zweiten Krümmbereich ist. Die Krümmung kann hierbei konvex oder konkav sein. Somit kann der Baukasten eine Reihe unterschiedlicher Linsen enthalten, die jeweils in jedes der Gehäuse eingesetzt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modulare Linsen-Gehäuse-Baukasten eine Mehrzahl an Elektronikplatinen auf, wobei alle Gehäuse dieselbe mechanische Elektronikplatinen-Schnittstelle aufweisen zur Anbringung einer der Elektronikplatinen. Alle Elektronikplatinen weisen hierbei dieselbe mechanische Elektronikplatinen-Gegenschnittstelle auf zur Anbringung an einem der Gehäuse. Das heißt, der modulare Linsen-Gehäuse-Baukasten kann analog der Linsen-Gehäuse-Schnittstelle eine weitere einheitliche mechanische Schnittstelle aufweisen, die eine Elektronikplatine aufnehmen kann. Somit kann der Baukasten mehrere unterschiedliche Elektronikplatinen aufweisen, die jeweils in jedes der Gehäuse eingesetzt werden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Radarsensor bereitgestellt, der eine Linse und ein Gehäuse aufweist, wobei die Linse und das Gehäuse Bauteile eines modularen Linsen-Gehäuse-Baukastens wie oben beschrieben sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor ein Füllstandsensor, ein Durchflussmesssensor oder ein Grenzstandmesser.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Verwendung einer Linse für einen oben beschriebenen modularen Linsen-Gehäuse-Baukasten oder für einen oben beschriebenen Radarsensor bereitgestellt.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Verwendung eines Gehäuses für einen oben beschriebenen modularen Linsen-Gehäuse-Baukasten oder für einen oben beschriebenen Radarsensor bereitgestellt.
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Somit wird ein Baukasten bereitgestellt, bei dem die Funktionseinheiten eines Radarsensors, d.h., Linse, Elektronikplatine und Prozessanschluss, so weit standardisiert sind, dass sie beliebig miteinander kombiniert werden können. Dadurch ist es möglich, jede Linse mit jeder Elektronikplatine und jedem Gehäuse bzw. jedem Prozessanschluss zu kombinieren, ohne dass separate Fertigungswerkzeuge gebaut werden müssen.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Hierbei zeigt
- 1 eine Zeichnung einer beidseitig konvex ausgeführten Linse gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht,
- 2 eine Zeichnung einer beidseitig konvex ausgeführten Linse gemäß einer Ausführungsform in einer Schnittansicht,
- 3 eine Zeichnung einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse gemäß einer Ausführungsform in einer Seitenansicht,
- 4 eine Zeichnung einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse gemäß einer Ausführungsform in einer Schnittansicht,
- 5 eine Zeichnung einer beidseitig konvex ausgeführten Linse gemäß einer weiteren Ausführungsform in einer Schnittansicht,
- 6 eine Zeichnung eines Sensorgehäuses mit Flansch-Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform,
- 7a eine Zeichnung eines Sensors mit einer beidseitig konvex ausgeführten Linse und einem Flansch als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 7b einen vergrößerte Darstellung der Linsen-Gehäuse-Schnittstelle,
- 8 eine Zeichnung eines Radarsensors mit einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 9 eine Zeichnung eines Radarsensors mit einer beidseitig konvex ausgeführten Linse und einem Außengewinde als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 10 eine Zeichnung eines Radarsensors mit einer mit einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse und einem Außengewinde als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 11 eine Zeichnung eines Radarsensors mit einer beidseitig konvex ausgeführten Linse und einem Klemmanschluss als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 12 eine Zeichnung eines Sensors mit einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse und einem Klemmanschluss als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 13 eine Zeichnung eines Sensors mit einer beidseitig konvex ausgeführten Linse und einer Klebefuge als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 14 eine Zeichnung eines Sensors mit einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse und einer Klebefuge als Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 15 eine Zeichnung eines Sensors mit einer beidseitig konvex ausgeführten Linse und einer Schweißnahtvorbereitung für einen Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 16 eine Zeichnung eines Sensors mit einer einseitig konvex und einseitig planar ausgeführten Linse und einer Schweißnahtvorbereitung für einen Prozessanschluss gemäß einer Ausführungsform in Schnittansicht,
- 17 eine zusammenfassende Zeichnung des modularer Linsen-Gehäuse-Baukastens.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1-16 zeigen Ausführungsbeispiele der Linsengeometrien, des Gehäuses und der Prozessanschlüsse eines Sensors. Zur Verdeutlichung der Variabilität der in den Radarsensor einsetzbaren unterschiedlichen Linsen werden jeweils eine Linsengeometrie mit beidseitig gekrümmter Form, hier als beidseitig konvexe Form dargestellt, sowie eine Linsengeometrie mit einseitig gekrümmter, hier wiederum als konvexe Form dargestellt, und einseitig planarer Form gezeigt.
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1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Seitenansicht einer beidseitig konvex ausgeführten Linse 100 zur Bündelung z.B. von Radarwellen eines Sensors, die in ein hier vorgestelltes Gehäuse eingesetzt werden kann. Die umlaufenden Vorsprünge 102 und 104 sowie die Nut 103 dienen zur mechanischen Aufnahme im Gehäuse, wie z.B. in 7a gezeigt wird.
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2 zeigt die Linse 100 mit der Gegenschnittstelle 202 zur Schnittstelle des Gehäuses in einer Schnittansicht. Die Abmessungen der Schnittstelle 202 sowie des Außendurchmessers sind standardisiert, so dass der innere Bereich 204 der Linse 100, d.h. der Bereich zwischen der Gegenschnittstelle 202 gemäß den Anforderungen an die Linse bis auf den Durchmesser beliebig variierbar ist, während die Gegenschnittstelle 202 eine fest definierte Geometrie aufweist. Die Geometrie der Gegenschnittstelle 202, wie zum Beispiel die Höhe 210, die Breite 212, die Anzahl der umlaufenden Vorsprünge 102, 104, und/oder der Nut 103 kann gegenüber der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Geometrie abweichen.
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3 und 4 zeigen eine Zeichnung einer Linse 300 in einer Seitenansicht (3) bzw. einer Schnittansicht (4). Die Linse 300 weist im Unterschied zur Linse 100 eine konvexe Seite 302 und eine planare Seite 304 auf. Die Schnittstelle 202 mit den umlaufenden Vorsprüngen 102 und 104 sind identisch zu den in 1 bzw. 2 gezeigten Umläufen 102 bzw. 104.
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Die in 5 gezeigte beidseitig konvexe Linse 500 weist wieder die identische Schnittstelle 202 der vorangegangenen Figuren auf, jedoch ist der Bereich 504, in dem die Linse gekrümmt ist, kleiner als der in den 1 bis 4 gezeigten gekrümmten Bereichen der Linsen 100 bzw. 300. Weiterhin ist die Krümmung im Bereich 504 zumindest teilweise stärker ausgeprägt als die Krümmung der Linsen 100 bzw. 300. Idealerweise entspricht die Höhe des nicht gekrümmten Bereiches 502 der Linse 500 zur Schnittstelle 202 hin der Höhe der Schnittstelle 202, so dass die Linse einfach zu fertigen ist und keine Absätze entstehen.
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In 6 ist ein Sensorgehäuse 600 mit einer Linsenaufnahme 602, die das Gegenstück zur Schnittstelle 202, bildet zu sehen, die in dieser Offenbarung als Gegenschnittstelle 602 bezeichnet wird, sowie einen Prozessanschluss, der als Flansch 604 ausgeführt ist. Der Flansch 604 ist vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse 600 verbunden.
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In 7a ist ein Sensor 700 mit einem Gehäuse 600, einer Linse 100 und einem mechanischen Prozessanschluss 604 als Schnittstelle zur Prozessumgebung dargestellt, sowie einer Hornantenne 702 zum Abstrahlen und Empfangen von Radarwellen. Die Elektronikeinheit 704 stellt die Energieversorgung für den Sensor bereit, generiert die Radarwellen, empfängt das reflektierte Signal und wertet dieses aus. Die Linse 100 ist beidseitig konvex ausgeführt und weist umfangsseitig die mechanische Schnittstelle 202 zum Gehäuse auf, die der Schnittstelle 202 in 1 bis 4 entspricht. Der Prozessanschluss 604 ist als Flansch entsprechend dem in 6 gezeigten Flansch 604 ausgeführt. Auch weitere Komponenten wie die Elektronikeinheit 704 und die Hornantenne 702 können in das Gehäuse 600 integriert werden, ohne dass dieses angepasst werden muss. Weiterhin weist das Gehäuse einen Deckel 608 und eine Außenwand 606 auf.
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In 7b ist die beispielhafte Linsen-Gehäuse-Schnittstelle 602 vergrößert dargestellt. In diesem Beispiel weist sie zwei Nuten 612 und drei Vorsprünge 613 auf.
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Der in 8 gezeigte Radarsensor 800 weist das gleiche Gehäuse 600 wie das in 7 auf, einschließlich dem Flansch 604, in das jedoch in diesem Beispiel eine einseitig konvex und einseitig planar ausgeführte Linse 300 eingesetzt ist.
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9 und 10 zeigen einen Radarsensor 900 bzw. einen Radarsensor 1000, mit wiederum einer beidseitig konvex ausgeführten Linse 100 (9) bzw. einer einseitig konvex und einseitig planaren Linse 300. In diesen Ausführungsbeispielen weist das Gehäuse 600 ein Außengewinde 904 als Prozessanschluss auf.
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Die Ausführungsbeispiele in den 11 und 12 zeigen Zeichnungen, bei denen das Gehäuse 600 des Sensors 1100 mit der Linse 100 bzw. des Radarsensors 1200 mit der Linse 300 jeweils mit einer Klemmvorrichtung 1104 als Prozessanschluss ausgestattet sind. Die Klemmvorrichtung 1104 ist Teil eines Sockels 1106, der z.B. einstückig mit dem Gehäuse 600 verbunden ist.
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In den Ausführungsbeispielen der 13 und 14 dient eine Klebefuge 1304, die an der Unterseite eines Sockels 1306 angebracht ist, als Prozessanschluss. Der Sockel 1306 ist wiederum einstückig mit dem Gehäuse 600 verbunden.
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In den Ausführungsbeispielen der 15 und 16 ist der Sockel 1506 für einen Prozessanschluss mit einer Schweißnahtvorbereitung 1504 ausgestattet.
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17 zeigt eine Darstellung eines modularen Linsen-Gehäuse-Baukastens 1700. Der Baukasten weist eine Mehrzahl von unterschiedlichen Linsen 1710, eine Mehrzahl von Gehäusen 1720 sowie eine Mehrzahl von unterschiedlichen Elektronikplatinen 1730 auf, die beliebig miteinander kombinierbar sind. Die Gehäuse 600 sind jeweils gleich bis auf die einstückige Verbindung mit jeweils unterschiedlichen Prozessanschlüssen 1722. Jede der Linsen 1710 kann in die Öffnung 610 eingesetzt werden. Am gehäuseseitigen Rand der Öffnung 610 befindet sich die beschriebene einheitliche Linsen-Gehäuse-Schnittstelle 602 zur Aufnahme einer Linse 1710. Ähnlich können die unterschiedlichen Elektronikplatinen 1730 in die einheitliche Elektronikplatinen-Schnittstelle 1752 eingesetzt werden.
