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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus einem Messgerät und einem das zu messende Medium enthaltenden Behälter.
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In der Automatisierungstechnik werden Messgeräte eingesetzt, die zur Überwachung eines Mediums bzw. der Eigenschaft eines Mediums dienen. Dabei wird häufig der Füllstand, der Druck oder die Temperatur des Mediums in einem Behälter gemessen. Meist bestehen solche Messgeräte aus einem als Prozessanschluss bezeichneten Unterteil und einem darauf aufgesetzten Gehäuse als Oberteil, das vorrangig zum Schutz dient und die für die Signalauswertung erforderliche Elektronik beinhaltet. Der Prozessanschluss stellt so die Verbindung des Messgeräts mit einem Behälter oder einer Rohrleitung bzw. einem Anschlussstutzen her und beinhaltet meist das Sensorelement selbst.
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Um das Messgerät an die Anlage bzw. den Behälter, in der bzw. dem sich das zu messende Medium befindet, anzuschließen, haben sich stutzenartige Adapter, sogenannte Anschlussstutzen, als vorteilhaft erwiesen, wie sie bspw. in der deutschen Patentschrift
DE 196 28 551 B4 beschrieben sind. Diese Anschlussstutzen weisen ein sich in axialer Richtung erstreckendes Durchgangsloch und einen in diesem Durchgangsloch befindlichen umlaufenden Dichtsteg mit einer schulterartigen Verjüngung auf. Üblicherweise wird das Messgerät in den Anschlussstutzen eingeschraubt, wobei die untere Seite des Messgeräts, d.h. der Prozessanschluss, an dem umlaufenden Dichtsteg anliegt. Durch Einschrauben des Messgeräts mit einem vorgegebenen Drehmoment kann der Anpressdruck zwischen Prozessanschluss und Dichtsteg des Anschlussstutzens definiert werden. Neben dem Einschrauben sind aber auch weitere Verbindungsmöglichkeiten bekannt, insbesondere sogenannte Clamp-Verbindungen.
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Zum Abdichten der Verbindung zwischen Messgerät bzw. Prozessanschluss und Anschlussstutzen kommen diverse Dichtelemente infrage, wobei häufig Elastomer-Dichtungen, d.h. O-Ringe verwendet werden. Allerdings unterliegen Elastomer-Dichtungen der Alterung und müssen daher regelmäßig getauscht werden.
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Um trotz einwirkender Druck- und Temperaturschwankungen eine langzeitstabile und optimiert reinigbare Verbindung zwischen Anschlussstutzen und Messgerät bzw. Prozessanschluss zu erreichen, schlägt die deutsche Patentschrift
DE 10 2009 028 662 B4 vor, das Dichtelement aus einem chemisch resistenten und temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), auszuführen. PEEK ist chemisch sehr stabil und weist bei typischen Belastungsarten und Temperaturbereichen, bspw. in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, eine hohe Langzeitstabilität auf. Darüber hinaus ermöglicht ein Dichtelement aus PEEK einen optimalen Kraftverlauf zwischen Dichtsteg und Prozessanschluss bei einer minimalen Berührungsfläche zwischen dem äußeren Ende des Dichtstegs und dem Dichtelement, so dass eine maximale Verpressung des Dichtelements in einem quasi linienförmigen Bereich realisierbar ist. Grundsätzlich ist auch Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einigen Einschränkungen denkbar.
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Häufig ist beim Einführen des Messgeräts in den Anschlussstutzen eine definierte Kraft notwendig, die, um eine optimale Dichtwirkung zu erzielen und gleichzeitig das Dichtelement aber nicht zu beschädigen, einen Maximalwert nicht übersteigen darf. Dies kann bspw. dadurch realisiert werden, indem eine schulterartige Verbreitung des Messgeräts bei einem bestimmten Zeitpunkt auf dem Anschlussstutzen zum Anliegen kommt und damit einen Anschlag darstellt oder für den Einschraubvorgang ein Drehmomentschlüssel vorgeschrieben wird, welcher jedoch oftmals nicht unmittelbar verfügbar ist.
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Um das Messgerät auch ohne Drehmomentschlüssel in den Anschlussstutzen des Behälters einschrauben zu können, muss das Dichtelement zwischen den Dichtflächen von Messgerät und Anschlussstutzen, d.h. zwischen dem Außen- und dem Innenkonusabschnitt, so beschaffen sein, dass es dem großen Druck auch bei höheren Einschraubmomenten widerstehen kann. Die Auswahl eines hierfür notwendigen, besonders steifen und damit widerstandsfähigen Materials, das gleichzeitig als Dichtmaterial für die eigentliche Abdichtung zwischen Messgerät und Anschlussstutzen sorgt, ist regelmäßig schwierig.
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Die
DE 102017128291 A1 schlägt daher vor, das Dichtelement in wenigstens zwei Abschnitte zu unterteilen, mit einem Endabschnitt, der im vorderen, dem Medium zugewandten Bereich des Dichtelements angeordnet ist, und einem sich daran anschließenden, dem Medium abgewandten zweiten Abschnitt. Der vordere Abschnitt übernimmt die eigentliche Abdichtfunktion zwischen Messgerät und Anschlussstutzen, während der zweite Abschnitt dafür vorgesehen ist, für einen definierten und damit druck- bzw. kraftstabilen Anschlag während des Einschraubvorgangs des Messgeräts in den Anschlussstutzen zu sorgen. Der vordere Endabschnitt des Dichtelements besteht dabei aus einem chemisch resistenten und temperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff oder aus einem Elastomer, während der zweite Abschnitt aus Metall, Keramik oder einem faserverstärkten Kunststoff ausgeführt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Einführen des Messgeräts in den Anschlussstutzen auch ohne außenliegenden Anschlag oder eines definierten Einschraubmoments weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist, dass das Messgerät einen rotationssymmetrischen Gehäuseteil umfasst, das in den Anschlussstutzen des Behälters eingeführt ist, vorzugsweise eingeschraubt oder mittels Clamp-Verbindung, und einen Außenkonusabschnitt aufweist, der mit einem am Dichtsteg des Anschlussstutzens vorgesehen Innenkonusabschnitt ein abgeschrägtes Dichtflächenpaar bildet. Zwischen dem Gehäuseteil des Messgeräts und dem Anschlussstutzen ist ein Dichtelement angeordnet, das zumindest teilweise flächig zwischen dem Außen- und dem Innenkonusabschnitt angeordnet ist und aus einem chemisch resistenten und temperaturbeständigen Kunststoff, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, besonders bevorzugt aus Polyetheretherketon (PEEK) besteht.
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Erfindungsgemäß weist zunächst der Innenkonusabschnitt eine dem Medium zugewandte Kante auf, die sozusagen zum Medium hin den Abschluss des Innenkonusabschnitts und damit des Dichtstegs bildet. Der Außenkonusabschnitt weist seinerseits in dem Bereich, der dieser Kante gegenüberliegt, eine Ausnehmung auf, in die sich das Dichtelement während des Einführvorgangs des Messgeräts in den Anschlussstutzen hineinbewegt.
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Vorzugsweise befindet sich die Kante etwa mittig zur Längserstreckung der Ausnehmung, so dass die Kante das Dichtelement idealerweise gleichmäßig in die Ausnehmung hineindrückt und eine Scherwirkung im Randbereich der Ausnehmung verhindert wird.
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Der Grund für dieses Hineinbewegen besteht darin, dass die beiden Konusflächen mit einem Winkel zueinander verlaufen, derart, dass sich der Abstand zwischen beiden Konusflächen zum Medium hin verringert. Dadurch drückt die besagte Kante das Dichtelement in Richtung des Außenkonusabschnitts und somit in die Ausnehmung hinein.
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Im Ergebnis wird die Dichtkante unabhängig von den sonstigen Gegebenheiten mit einer definierten Kraft verpresst, während im weiteren rückwärtigen Verlauf ein schlagartiger und für den Monteur deutlich spürbarer definierter Anschlag entsteht, womit neben einer Drehmomentbegrenzung gleichzeitig die Zentrierung und die Absicherung vor einer Überformung oder Überlastung der Elastizität des Thermoplastes im Bereich der Dichtkante sichergestellt ist. Das Gehäuseteil des Messgeräts wird somit am weiteren Einführen gehindert, da durch das in die Ausnehmung hineingedrückte Dichtelement gewissermaßen ein Anschlag definiert wird.
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Durch die Erfindung wird nun trotz einer nach außen einheitlichen Materialoberfläche ein fester Anschlag und eine flexibel anpassbare Dichtkraft in unmittelbarer Nachbarschaft ermöglicht. Dadurch werden maßgebliche Kriterien diverser Hygienerichtlinien eingehalten und gleichzeitig die Eigenschaften von PEEK als Dichtwerkstoff perfekt zur Geltung gebracht: Geringe Elastizität für die optimierte hygienekonforme langzeitstabile Dichtwirkung ausschöpfen und dabei über dasselbe Material im rückwärtigen Bereich die Begrenzung vor Überlastung des vorderen zum Medium hin abgrenzenden Bereiches sicherstellen. Gleichzeitig wird die Herstellbarkeit vereinfacht, da durch den vergrößerten Verformungsweg wesentlich größere Toleranzen für den festen Anschlag möglich sind.
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Vorzugsweise ist die Längserstreckung der Ausnehmung deutlich kleiner als die Längserstreckung des Innenkonusabschnitt. So wird sichergestellt, dass das Dichtelement noch in einer ausreichenden Fläche zwischen den beiden Konusflächen aufliegt und somit der gewünschte Anschlageffekt erzielt wird.
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Weiter bevorzugt ist die Ausnehmung durch wenigstens einen fließenden Übergang begrenzt, vorteilhafterweise die dem Medium abgewandte Begrenzung. Wenn eine abrupte Begrenzung durch eine 90°-Kante vermieden wird, reduziert sich die Kerbwirkung an dieser Stelle, wodurch die Materialbeanspruchung in diesem Bereich reduziert werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ausnehmung mit einem anderen Werkstoff ganz oder teilweise verfüllt ist. Dabei besteht dieser Werkstoff aus einem Material, dessen Festigkeit sich vom Gehäuseteil und vom Dichtelement unterscheidet. Beispielsweise könnte hier ein Elastomer eingesetzt werden. Denkbar ist aber auch eine metallische Feder.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Dichtelement in wenigstens zwei Abschnitte unterteilt ist, mit einem vorderen, dem Medium zugewandten Endabschnitt und einem sich daran anschließenden, dem Medium abgewandten zweiten Abschnitt, wobei das Dichtelement im vorderen, dem Medium zugewandten Endabschnitt zumindest teilweise aus dem chemisch resistenten und temperaturbeständigen Kunststoff besteht und im dem Medium abgewandten zweiten Abschnitt aus Metall besteht. Im zweiten Abschnitt aus Metall wird dann der definierte und damit druck- bzw. kraftstabiler Anschlag erreicht, während davon unabhängig die Dichtfunktion ausschließlich im vorderen, dem Medium zugewandten Endabschnitt des Dichtelements realisiert wird.
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Alternativ dazu könnte der definierte und damit druck- bzw. kraftstabile Anschlag auch durch eine stufenartige Erhöhung des metallischen Gehäuseteils des Messgeräts realisiert werden, so dass im vom Medium abgewandten Bereich die beiden Konusflächen von Gehäuseteil und Dichtsteg unmittelbar aufeinander aufliegen.
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Durch die Erfindung wird erreicht, dass sich der maßlich zulässige Bereich für die Verpressung (Verformungsweg) vergrößert, wodurch ein metallischer Anschlag in einem anderen Bereich der Baugruppe sehr einfach in einem rückwärtigen Bereich umsetzbar wäre, bei dennoch gegebenem Toleranzausgleich. Durch eine Verfüllung der Ausnehmung können die nicht sehr ausgeprägten elastischen Eigenschaften des PEEK-Dichtelements kompensiert werden und damit die Dichtfunktion verbessert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine bekannte Anordnung aus einem Messgerät und einem Anschlussstutzen;
- 2 ein Schnittbild durch eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Messgerät und einem Anschlussstutzen;
- 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teilbereichs aus 2.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine bekannte Anordnung aus einem Messgerät 1 und einem Anschlussstutzen 20 als Teil eines Behälters (nicht weiter gezeigt), in dem sich das zu messende Medium befindet. Als Messgerät 1 ist hier beispielhaft ein induktiver Leitfähigkeitssensor mit einer Messsonde 2 gezeigt, welcher in den Anschlussstutzen 20 eingeschraubt ist. Im vorderen, dem Medium zugewandten Bereich weist der Anschlussstutzen 20 ein sich in axialer Richtung erstreckendes Durchgangsloch und einen in diesem Durchgangsloch befindlichen umlaufenden Dichtsteg 23 auf. Das Messgerät 1 umfasst einen rotationssymmetrischen Gehäuseteil 10, das in den Anschlussstutzen 20 eingeführt ist und einen Außenkonusabschnitt 11 aufweist, der mit einem am Dichtsteg 23 des Anschlussstutzens 20 vorgesehen Innenkonusabschnitt 21 ein abgeschrägtes Dichtflächenpaar bildet. Die Verbindung zwischen Messgerät 1 und Anschlussstutzen 20 wird bei dieser bekannten Anordnung dadurch realisiert, dass das Gehäuseteil 10 eine Ummantelung aus PEEK umfasst.
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Im Folgenden wird nun der Bereich, in dem sich das abgeschrägte Dichtflächenpaar bildet, näher beleuchtet, um die Erfindung zu beschreiben.
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2 zeigt ein Schnittbild durch eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Messgerät 1 und einem Anschlussstutzen 20. In 3 ist der eingekreiste Bereich in 2 vergrößert dargestellt.
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Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung gem. 1 wird hier die Abdichtung nicht durch Ummantelung des Gehäuseteils 10 realisiert, sondern mittels eines separaten Dichtelements 30, das nunmehr der Messsonde 2 zuzuordnen ist.
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Zu erkennen ist die Kante 22 am Innenkonusabschnitt 21 des Dichtstegs 23, die sozusagen zum Medium hin den Abschluss bildet. Der Außenkonusabschnitt 11 weist seinerseits in dem Bereich, der dieser Kante 22 gegenüberliegt, eine Ausnehmung 12 auf, in die sich das Dichtelement 30 während des Einführvorgangs des Messgeräts 1 in den Anschlussstutzen 20 hineinbewegt. Vorzugsweise befindet sich die Kante 22 etwa mittig zur Längserstreckung der Ausnehmung 12, d. h. in Richtung der Längsachse L des Messgeräts 1. Dadurch drückt die Kante 22 das Dichtelement 30 gleichmäßig in die Ausnehmung 12 hinein.
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Der Grund für dieses Hineinbewegen besteht darin, dass die beiden Konusflächen mit einem Winkel zueinander verlaufen, derart, dass sich der Abstand zwischen beiden Konusflächen zum Medium hin verringert. Dadurch drückt die Kante 22 das Dichtelement 30 in Richtung des Außenkonusabschnitts 11 und somit in die Ausnehmung 12 hinein. Im Bereich der Dichtkante 22 liegt das Dichtelement nicht flächig auf dem Außenkonusabschnitt 11 auf und wird damit federweicher. Die Ausnehmung 12 kann leer bleiben oder mit einem anderen Werkstoff ganz oder teilweise verfüllt sein. Dabei besteht der Werkstoff aus einem Material, dessen Festigkeit sich vom Gehäuseteil 10 und vom Dichtelement 30 unterscheidet. Beispielsweise könnte hier ein O-Ring eingesetzt werden. Denkbar ist aber auch eine metallische Feder. Alternativ könnte am Gehäuseteil 10 selbst ein federnder Bereich ausgebildet sein, der die Dichtstelle elastisch unterstützt. Im Ergebnis wird somit das Gehäuseteil 10 des Messgeräts 1 am weiteren Einführen gehindert, da durch das in die Ausnehmung 12 hineingedrückte Dichtelement 30 gewissermaßen ein Anschlag definiert wird.
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In den 2 und 3 ist die Ausnehmung 12 jeweils nutenförmig mit abrupten Begrenzungen in Form von 90°-Kanten dargestellt. Vorteilhafterweise bietet es sich an, die Ausnehmungen fließend in die eigentliche Dichtfläche des Außenkonusabschnitts 11 übergehen zu lassen (nicht gezeigt), so dass die Begrenzungen der Ausnehmung 12 statt der gezeigten 90°-Kanten als Krümmungen ausgeführt sind. Dadurch können Kerbwirkungen und damit die Materialbeanspruchung in diesen Bereichen reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Messsonde
- 10
- Gehäuseteil
- 11
- Außenkonusabschnitt
- 12
- Ausnehmung
- 20
- Anschlussstutzen
- 21
- Innenkonusabschnitt
- 22
- Kante
- 23
- Dichtsteg
- 30
- Dichtelement
- L
- Längsachse des Messgeräts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19628551 B4 [0003]
- DE 102009028662 B4 [0005]
- DE 102017128291 A1 [0008]
