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Die Erfindung betrifft einen Sensor, beispielsweise Abstandssensor und/oder Positionssensor, mit einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse und einem insbesondere nach dem induktiven, dem kapazitiven oder dem Wirbelstrom-Prinzip arbeitenden Sensorelement, welches in dem Gehäuse zumindest teilweise angeordnet ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System mit einem solchen Sensor und einer Befestigungseinrichtung.
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Sensoren zur Abstandsmessung werden bei unterschiedlichen Temperaturen und Abständen eingesetzt. Wenn man einen Abstand sehr genau messen möchte, ist es wichtig, die thermische Ausdehnung des Sensors aufgrund von Temperaturänderungen zu kennen bzw. möglichst genau zu definieren, um diese möglichst gut kompensieren zu können.
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Zylindrische Sensoren ohne Gewinde werden in der Regel in einer Klemmvorrichtung gespannt. Bei dieser Art von Klemmung ist der genaue Ort des Kraftschlusses zwischen Klemmvorrichtung und Sensorgehäuse nicht bekannt. Besonders bei Umfangsklemmungen ist unklar, wo der Sensor tatsächlich „geklemmt“ wird. Aufgrund von geringfügigen Toleranzen des Sensorgehäuses oder der Klemmvorrichtung, oder aufgrund von kleinen Verunreinigungen (Staub, oder auch Fett/Öl) in der Klemmung kann der Ort des Kraftschlusses nicht genau bestimmt werden, oder sich sogar mit der Zeit bzw. unter wechselnden Temperaturen verändern.
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Erhöht sich die Temperatur, so dehnt sich der Sensor mit dem typischen materialspezifischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses, ausgehend von der Klemmstelle, aus. Gleichzeitig dehnt sich die Klemmvorrichtung aufgrund ihres eigenen materialspezifischen Ausdehnungskoeffizienten ebenfalls aus. Dies führt dazu, dass sich das Messelement (Elektrode/Spule) des Sensors aufgrund der Ausdehnung in Richtung Messobjekt hin oder davon wegbewegt, je nach Materialien des Sensors und der Klemmvorrichtung. Ein Messfehler ist die Folge, da die Distanz zum Messobjekt sich aufgrund der Einspannung ändert.
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Bei vielen Messaufgaben ist aber nur die Position des Messobjekts von Bedeutung und daher muss der Einfluss der Temperaturausdehnung von Sensor und Klemmvorrichtung möglichst eliminiert werden können.
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Besonders bei Präzisionsmessungen, beispielsweise mit kapazitiven Sensoren, ist der Einfluss durch unterschiedliche Temperaturausdehnung nicht zu vernachlässigen. Derartige Sensoren besitzen häufig eine Auflösung im Bereich von Nanometern. Als Material für diese Sensoren wird häufig ein Nickelstahl mit geringer thermischer Ausdehnung (z.B. INVAR mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α = 1. 10-6 /K) verwendet, da die aktive Sensorfläche bei Temperaturänderungen möglichst konstant gehalten werden soll.
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Besteht nun die Klemmvorrichtung aus herkömmlichen Stahl, z.B. Edelstahl (1.4301, α = 16·10-6 /K), so kann beispielsweise bei einer Klemmvorrichtung von 10 mm Breite (d.h. der Ort der Klemmung ist auf maximal 10 mm unbestimmt) und einer Temperaturänderung in der Anwendung von 100°C eine relative Ausdehnung von (16-1) ·10-6/K · 100K ·10mm = 15µm auftreten. Dies ist ein erheblicher Messfehler, wenn im Nanometerbereich gemessen werden soll.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor sowie ein System mit einem Sensor und einer Befestigungseinrichtung derart auszugestalten und weiterzubilden, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln eine zuverlässige Messung bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglicht ist.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe in Bezug auf den Sensor durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach ist der in Rede stehende Sensor, beispielsweise Abstandssensor und/oder Positionssensor, mit einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse und einem insbesondere nach dem induktiven, dem kapazitiven oder dem Wirbelstrom-Prinzip arbeitenden Sensorelement, welches in dem Gehäuse zumindest teilweise angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Gehäuses mindestens ein Befestigungsbereich ausgebildet ist, so dass das Gehäuse ausschließlich mit dem Befestigungsbereich kraftschlüssig mit einer Befestigungseinrichtung verbindbar ist.
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In Bezug auf das System wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Damit ist ein System mit einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einer Befestigungseinrichtung angegeben, wobei die Befestigungseinrichtung eine Öffnung zur Aufnahme des Sensors aufweist und wobei das Gehäuse ausschließlich mit seinem Befestigungsbereich kraftschlüssig in und/oder an der Öffnung der Befestigungseinrichtung festlegbar ist.
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In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass eine verbesserte Klemmung des zumindest im wesentlichen zylindrischen Sensors erreicht werden kann, indem der Ort der Klemmung durch den definierten Befestigungsbereich reproduzierbar festgelegt ist, vorzugsweise steht der Sensor ausschließlich mit seinem Befestigungsbereich in Kontakt mit der Befestigungseinrichtung. Dadurch wird eine Kompensation des Messfehlers aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnung ermöglicht. Mit anderen Worten kann der Ort des Kraftschlusses durch den Befestigungsbereich genau definiert werden. Auf dieser Grundlage kann die Ausdehnung von einem bekannten Punkt oder einem sehr klein gehaltenen Bereich in der späteren Messanwendung berechnet werden bzw. die Messung ist dann über den gesamten Einsatztemperaturbereich äußerst exakt wiederholbar und kann aktiv im Messsystem kompensiert werden.
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Der Begriff „zylindrisch“ ist dabei im weitesten Sinne zu verstehen. Es muss sich somit nicht zwangsweise um einen Kreiszylinder handeln, kann dieser auch andere Formen aufweisen, beispielsweise eine eckige oder ovale Grundfläche, schief ausgebildet sein und/oder kann sich die Grundfläche über die Höhe des Zylinders hinweg verändern.
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In vorteilhafter Weise kann der Befestigungsbereich durch mindestens eine Erhebung, vorzugsweise mit einer Höhe von maximal 0,05 mm, und/oder durch mindestens eine Vertiefung, vorzugsweise mit einer Tiefe von maximal 0,05 mm, ausgebildet sein. Dadurch kann auf konstruktiv einfache Weise der Befestigungsbereich realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuse aus einem Stahl, beispielsweise aus Edelstahl, oder aus einer Stahllegierung hergestellt sein.
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In weiter vorteilhafter Weise kann der Befestigungsbereich durch Materialvertiefungen von der außerhalb des Befestigungsbereichs liegenden Oberfläche des Gehäuses abgegrenzt sein. Durch diese konstruktive Maßnahme ist eine besonders einfache Positionierung des Sensors gegenüber der Befestigungseinrichtung möglich. Dabei ist es des Weiteren denkbar, dass die Materialvertiefungen V-förmig oder U-förmig oder halbkreisförmig oder trapezförmig ausgebildet sind. Entsprechende Geometrien lassen sich beispielsweise durch Drehen herstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Befestigungsbereich durch eine Vielzahl von punktförmigen Erhebungen gebildet sein. Aufgrund der punktförmigen Erhebungen kann ein verbesserter Kraftschluss bzw. eine verbesserte Klemmung zwischen dem Sensor und der Befestigungseinrichtung erzeugt werden. Hierbei ist es möglich, dass die punktförmigen Erhebungen einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet sind, d.h. aus dem Gehäuse herausgearbeitet sind. Alternativ können die Erhebungen auf das Gehäuse aufgebracht sein.
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In weiter vorteilhafter Weise kann sich der Befestigungsbereich in Umfangsrichtung, vorzugsweise ringförmig, um das Gehäuse herum erstrecken. Ein solcher umlaufender Ring kann bei der Herstellung des Gehäuses besonders einfach herausgearbeitet werden, beispielsweise bei einem Drehen des Gehäuses.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Breite des ringförmigen Befestigungsbereichs möglichst klein gewählt sein und gleichzeitig derart auf die Größe des Gehäuses abgestimmt sein, dass der Befestigungsbereich ausreichend breit ist, um ein Verkippen des Gehäuses im mit der Befestigungseinrichtung verbundenen Zustand zu verhindern. Die Breite des ringförmigen Befestigungsbereichs sollte möglichst klein ausgeführt werden, um den Ort des Kraftschlusses bzw. der Klemmung möglichst genau zu definieren. Allerdings ist zu beachten, dass ein zu schmaler ringförmiger Befestigungsbereich die Gefahr der Verkippung des Sensors in der Befestigungseinrichtung mit sich bringt. Ausschlaggebend ist das Verhältnis von der Breite des ringförmigen Befestigungsbereichs zu der Länge des Gehäuses, bzw. die Länge der Befestigungseinrichtung. So ergibt sich ein Bereich an dem Gehäuse, welcher dann in der Befestigungseinrichtung einen sehr viel genauer definierten Ort des Kraftschlusses zulässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Befestigungsbereich ringförmig um das Gehäuse herum verlaufen und kann der Außendurchmesser des Gehäuses im Befestigungsbereich größer sein als der Außendurchmesser des Gehäuses außerhalb des Befestigungsbereichs. Im Konkreten ist es denkbar, dass der Außendurchmesser des Gehäuses im Befestigungsbereich höchstens 0,05 mm, insbesondere höchstens 0,02 mm, vorzugsweise 0,01 mm, größer ist als der Außendurchmesser des Gehäuses außerhalb des Befestigungsbereichs. Das Verhältnis der Außendurchmesser des Befestigungsbereichs und des übrigen Gehäuses zueinander sollte geeignet gewählt werden. Bei größeren Sensoren wird ein größerer Außendurchmesser des Befestigungsbereichs ausreichen, beispielsweise 0,05 mm bei einem Gehäusedurchmesser von 10 mm, bei kleineren Sensoren sollte der Außendurchmesser des Befestigungsbereichs kleiner gewählt werden, beispielsweise 0,01 mm bei einem Außendurchmesser des Gehäuses von 5 mm.
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In vorteilhafter Weise ist die Befestigungseinrichtung derart ausgebildet, dass der Sensor mit einer Umfangsklemmung mit der Befestigungseinrichtung verbindbar ist. Alternativ ist es denkbar, dass der Sensor derart in der Öffnung anordenbar ist, dass ein Befestigungsmittel, beispielsweise eine Befestigungsschraube oder ein Befestigungsstift, an dem Befestigungsbereich des Gehäuses angreift.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Ansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1a in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors,
- 1b in einer schematischen Darstellung eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Sensors,
- 1c in einer schematischen Darstellung einen vergrößerten Ausschnitt aus 1a,
- 2 in einer schematischen Darstellung eine geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems,
- 3 in schematischen Darstellung eine weitere teils geschnittene Ansicht des Systems gemäß 2,
- 4 in einer schematischen Darstellung eine teilweise geschnittene Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems, und
- 5 in schematischen Darstellung eine weitere teilweise geschnittene Ansicht des Systems gemäß 4.
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Die 1a bis 1c zeigen einen Sensor 1, beispielsweise einen kapazitiven Wegsensor, der einen Messbereich von beispielsweise 0,2 mm aufweisen kann. An dem Gehäuse 2 ist ein ringförmiger Befestigungsbereich 3 ausgebildet, wobei der Befestigungsbereich 3 auch eine andere Geometrie aufweisen kann. Der ringförmige Befestigungsbereich 3 kann sich beispielsweise ca. 3 mm bis 5 mm hinter der Messfläche 4 des Sensorelements 5 (1 b) befinden. Das Gehäuse 2 des Sensor 1 kann beispielsweise einen Außendurchmesser von 6 mm und eine Länge von 12 mm aufweisen. Bei einer solchen Dimensionierung des Gehäuses 2 kann der ringförmige Befestigungsbereich 3 beispielsweise einen Außendurchmesser 6 aufweisen, der um 0,01 mm größer ist als der restliche Außendurchmesser des (zylindrischen) Gehäuses 2 des Sensors 1. Die Breite des ringförmigen Befestigungsbereichs 3 kann beispielsweise 2 mm betragen. Somit ist die Position des Kraftschlusses durch den Befestigungsbereich 3 exakt definierbar, wodurch eine temperaturbedingte Ausdehnung bei der Messwertaufnahme kompensiert werden kann.
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Des Weiteren ist zu erkennen, dass der ringförmige Befestigungsbereich 3 durch Materialvertiefungen 7, die als V-förmige Eindrehungen ausgebildet sind, vom übrigen Gehäuse 2 abgegrenzt ist (in 1c vergrößert dargestellt).
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Bei dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Sensor 1 ebenfalls einen ringförmigen Befestigungsbereich 3 an dem Gehäuse 2 auf. Des Weiteren ist zu erkennen, dass der Sensor 1 in eine Öffnung 8 der Befestigungseinrichtung 9 eingebracht ist. Da der Außendurchmesser 6 des ringförmigen Befestigungsbereichs 3 geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des übrigen Gehäuses 2, ist der Sensor 1 ausschließlich über den Befestigungsbereich 3 mit der Befestigungseinrichtung 9 verklemmt. Um die Umfangsklemmung zu erzeugen, wird das als Schraube ausgebildete Befestigungsmittel 10 angezogen.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3, mit dem Unterschied, dass der Ort der Klemmung durch den ringförmigen Befestigungsbereich 3 und die Position des als Schraube ausgebildeten Befestigungsmittels 10 bestimmt wird. Dabei ist zu erkennen, dass die Schraube 10 genau an dem definierten Befestigungsbereich 3 anliegt und somit an einer äußerst exakt definierten Position die Klemmung hervorruft.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Befestigungsbereich
- 4
- Messfläche
- 5
- Sensorelement
- 6
- Außendurchmesser (Befestigungsbereich)
- 7
- Materialvertiefungen
- 8
- Öffnung
- 9
- Befestigungseinrichtung
- 10
- Befestigungsmittel
