DE102022108596A1

DE102022108596A1 - Sensor für die Prozessmesstechnik, Messanordnung, Prozessanlage und Verfahren zum Betrieb eines Sensors

Info

Publication number: DE102022108596A1
Application number: DE102022108596.1A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Fabian Witt
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-04-08
Filing date: 2022-04-08
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Sensor (1) für die Prozessmesstechnik zur Messung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße eines sich in einem Behälter (2) befindlichen Prozessmediums (M), mit einem Detektor (3), einem Prozessanschluss (4), einer Sensorelektronik (5) und einem Gehäuse (6), wobei die Sensorelektronik (5) in dem Gehäuse (6) angeordnet ist und wobei der Sensor (1) einen Wärmetauscher (7) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Messanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15, eine Prozessanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16 und ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 17.
Beispielsweise betrifft die Erfindung einen Füllstandsensor, mittels welchem Füllstände von Füllgut z. B. in einem Behälter gemessen werden können. Der Füllstand in dem Behälter wird dabei insbesondere kontinuierlich bestimmt. Die Erfindung kann auch einen Grenzstandsensor betreffen. Mittels diesem wird der Füllstand nicht kontinuierlich bestimmt, sondern es wird das Erreichen eines vordefinierten Füllstands, dem sogenannten Grenzstand, erfasst. Der Grenzstandsensor kann als Grenzstandschalter ausgebildet sein. Mit dem Begriff „Füllstand“ wird im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere eine Füllhöhe bezeichnet. Bei dem Füllgut kann es sich beispielsweise um Flüssigkeiten, Pasten, Pulver oder grobe Schüttgüter handeln.
Sensoren für die Prozessmesstechnik ist gemein, dass diese derart montiert werden müssen, dass sie die zu messende Prozessgröße des Prozessmediums messen können und insbesondere ein Detektor des Sensors in der Nähe des Prozessmediums angeordnet ist oder dieses sogar berühren kann.
Nachteilig bei bekannten Sensoren ist, dass ihr Temperaturanwendungsbereich, bezogen auf die Temperatur des Prozessmediums und/oder der Prozessumgebung, beschränkt ist, dass ihr Platzbedarf groß ist oder dass sie aufwändig in der Herstellung und/oder im Betrieb sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen weitergebildeten Sensor bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Messanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15, eine Prozessanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16, und ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Ansprüchen und Unteransprüchen aufgeführten Merkmale können, auch über Kategoriegrenzen hinweg, in beliebiger, technisch sinnvoller Weise sowohl miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Beispielsweise können in Zusammenhang mit dem Sensor erläuterte Merkmale auch mit Merkmalen der Messanordnung oder des Verfahrens kombiniert werden und umgekehrt.
Ein erfindungsgemäßer Sensor für die Prozessmesstechnik zur Messung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße eines sich in einem Behälter befindlichen Prozessmediums weist einen Detektor, einen Prozessanschluss, eine Sensorelektronik und ein Gehäuse auf. Die Sensorelektronik ist in dem Gehäuse angeordnet. Der Sensor umfasst einen Wärmetauscher.
Auf diese Weise kann der Temperaturanwendungsbereich des Sensors erweitert werden, ohne übermäßige Steigerung des Herstellungs- und/oder Betriebsaufwands bzw. des Platzbedarfs.
Der Wärmetauscher dient insbesondere zum Schutz der Sensorelektronik vor Übertemperatur. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante besteht hierin der Hauptzweck des Wärmetauschers bzw. ist der Wärmetauscher auf Erfüllung dieses Zwecks hin optimiert.
Bei der physikalischen Prozessgröße kann es sich um den Füllstand oder Grenzstand handeln.
Als Prozessanschluss wird im Rahmen dieser Druckschrift der Teil oder das Element des Sensors bezeichnet, mit dem dieser in einer Prozessumgebung, z. B. an einem Behälter, anordenbar ist. Der Prozessanschluss stellt damit die mechanische Schnittstelle zwischen dem Sensor und einer Prozessumgebung dar. Dass der Sensor einen Prozessanschluss aufweist, bedeutet insbesondere, dass das Gehäuse mit einer Prozessumgebung verbindbar ist. Der Prozessanschluss wirkt bevorzugt mit einem Gehäusebereich des Sensors zusammen. Der Prozessanschluss kann mit einem Gehäusebereich des Sensors einstückig ausgebildet sein. Der Prozessanschluss kann mit einem Gehäusebereich des Sensors verbunden sein. Der Prozessanschluss kann aus einem für die Prozessumgebung geeignet ausgewählten, bspw. mechanisch und chemisch beständigen Material, bspw. einem geeignet legierten Stahl, Kunststoff, Glas oder Keramik gefertigt sein. Der Prozessanschluss kann ein Prozessanschluss-Außengewinde umfassen oder hierdurch gebildet sein. Der Prozessanschluss kann eine Überwurfmutter umfassen oder hierdurch gebildet sein, die mit einem Gewinde oder Vorsprung des Gehäuses des Sensors zusammenwirken kann. Der Prozessanschluss kann einen sogenannten „Clamp-Anschluss“, also einen Adapter zur Adaptierung eines Sensorbereichs an eine Aufnahme der Prozessumgebung umfassen oder hierdurch gebildet sein. Der Adapter kann einen inneren Bereich, z. B. Gewindebereich, zur Befestigung des Sensorbereichs, insbesondere Bereichs des Gehäuses und einen äußeren Bereich, z. B. Klemmbereich, zur Befestigung an einer Aufnahme der Prozessumgebung umfassen. Der Prozessanschluss kann einen Flansch umfassen oder hierdurch gebildet sein. Der Flansch kann die Form einer Scheibe haben. Die Scheibenform kann eine zentrale Durchbrechung aufweisen, also ringscheibenförmig sein. Der Prozessanschluss kann einen Befestigungswinkel oder Befestigungsbügel umfassen.
Wenn der Detektor auf einer Seite des Prozessanschlusses an dem Sensor angeordnet ist und die Sensorelektronik auf der anderen bzw. wenn die Sensorelektronik bei bestimmungsgemäßer Befestigung des Sensors in der Prozessumgebung außerhalb des Behälters angeordnet ist, dann kann der Wärmetauscher die Sensorelektronik besonders effektiv vor Überhitzung schützen.
Bevorzugt umfasst die Sensorelektronik einen integrierten Schaltkreis. Bevorzugt ist die maximale Betriebstemperatur der Sensorelektronik geringer als 250 Grad Celsius oder 100 Grad Celsius oder 70 Grad Celsius oder 50 Grad Celsius.
Der Behälter kann zumindest im Wesentlichen geschlossen sein. Das Prozessmedium kann in dem Behälter ruhen. Der Behälter kann auch ein Rohr oder eine Rinne sein, in dem bzw. der das Prozessmedium strömt.
In einer Ausführungsform haust das Gehäuse ausschließlich oder in erster Linie die Sensorelektronik ein. Insbesondere in dieser Ausführungsform kann der Sensor ein äußeres Sensorgehäuse aufweisen und das Gehäuse kann innerhalb dieses äußeren Sensorgehäuses angeordnet sein.
Das Gehäuse kann selbst ein äußeres Gehäuse sein. Das Gehäuse kann zusätzlich zur Sensorelektronik weitere Komponenten des Sensors zumindest teilweise einhausen, beispielsweise den Detektor. Die Sensorelektronik kann dann in einem Bereich des Gehäuses angeordnet sein. Dieser Bereich wird im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere als Elektronikgehäusebereich bezeichnet.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Wärmetauscher ausschließlich oder in erster Linie dazu eingerichtet bzw. so an dem Sensor angeordnet, dass er den - insbesondere konduktiven und/oder durch Wärmestrahlung bewirkten - Transport von thermischer Energie zwischen einerseits dem Behälter bzw. dem Prozessmedium und andererseits der Sensorelektronik bzw. dem Gehäuse oder dem Elektronikgehäusebereich verringert. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dies anstelle oder zusätzlich zu einer thermischen Isolationseinrichtung zwischen einerseits dem Behälter bzw. dem Prozessmedium und andererseits der Sensorelektronik bzw. dem Gehäuse oder dem Elektronikgehäusebereich besonders gut durch einen Wärmetauscher erzielbar ist.
Der Begriff „Wärmetauscher“ schließt jeden Kühlkörper oder Heizkörper und jede Wärmeübertragungskomponente ein. Der Wärmetauscher bewirkt bevorzugt eine Kühlung oder eine Heizung des Sensors bzw. von Bereichen des Sensors, insbesondere des Prozessanschlusses und/oder eines Sensorhalses. Vorzugsweise liegt die ausschließliche oder hauptsächliche thermische Wirkung des Wärmetauschers darin, den konduktiven/oder durch Wärmestrahlung bewirkten Transport von thermischer Energie zwischen einerseits dem Behälter bzw. dem Prozessmedium und andererseits der Sensorelektronik bzw. dem Gehäuse oder dem Elektronikgehäusebereich zu verringern. In einer Ausführungsvariante reduziert der Wärmetauscher dabei, anders als z. B. ein Isolationselement, nicht den von dem Behälter bzw. dem Prozessmedium in den Sensor strömenden Wärmestrom. Vorzugsweise leitet der Wärmetauscher diesen Wärmestrom zumindest teilweise ab, bevor er das Gehäuse oder den Elektronikgehäusebereich oder die Sensorelektronik erreicht.
Der Detektor kann ein Messfühler sein. In einer Ausführungsvariante weist der Detektor eine mechanische Schwingungseinheit auf, beispielsweise eine Schwinggabel. Der Sensor kann eine über eine Antriebseinheit zu einer Schwingung anregbare Membran aufweisen. Die mechanische Schwingungseinheit kann an der Membran angeordnet sein. Bevorzugt ist die mechanische Schwingungseinheit mittels der Antriebseinheit in eine Schwingung versetzbar. Die Antriebseinheit kann ein Piezoelement umfassen. Die Antriebseinheit kann induktiv wirken. Abhängig von einem Bedeckungsstand der mechanischen Schwingungseinheit mit einem Füllgut sowie abhängig von der Viskosität dieses Füllgutes, schwingt die mechanische Schwingungseinheit bevorzugt mit einer charakteristischen Frequenz, die von dem Sensor vorzugsweise detektiert wird und in ein Messsignal umgewandelt werden kann. Alternativ umfasst der Detektor einen optischen Detektor, beispielsweise ein Trübungsmessgerät, das bevorzugt optisch arbeitet. Der Detektor kann z. B. auch eine Radareinrichtung umfassen, der Sensor kann also ein Radarsensor sein. Der Sensor kann auch ein Drucksensor sein.
Wenn der Sensor für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist, z. B. solchen, in denen innerhalb des Prozessmediums sehr hohe Temperaturen vorherrschen und/oder auch der Behälter selbst eine sehr hohe Temperatur aufweist, dann kommen die Vorteile der Erfindung besonders zur Geltung. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Sensor dazu eingerichtet ist, nah am Behälter angeordnet zu sein, da dann die von dem Prozessmedium und/oder Behälter auf die Sensorelektronik übertragene Wärme eine Herausforderung für den Sensor darstellen kann.
Durch den Wärmetauscher kann eine besonders zuverlässige und/oder platzsparende Hochtemperatureignung des Sensors erreicht werden. Der Sensor kann zusätzlich zu dem Wärmetauscher ein Temperaturzwischenstück aufweisen, das die Sensorelektronik gegen Abstrahlwärme des Prozessmediums und/oder Behälters abschirmen, Abstand zwischen dem Prozessmedium bzw. dem Behälter und der Sensorelektronik schaffen und/oder die Sensorelektronik thermisch von dem Prozessmedium bzw. dem Prozessanschluss entkoppeln kann. Das Temperaturzwischenstück kann eine thermische Isolationseinrichtung sein. Wenn der Sensor ohne ein derartiges Temperaturzwischenstück auskommt, dann kann er besonders kompakt bauen. Wenn der Sensor ohne ein derartiges Temperaturzwischenstück auskommt, dann kann die Sensorelektronik näher an den Detektor bzw. das Prozessmedium bzw. den Behälter gebaut werden, was Ressourcen sparen kann.
Bevorzugt schützt der Wärmetauscher die Sensorelektronik effektiver vor Hitze als ein derartiges Temperaturzwischenstück.
Mit einer sehr hohen Temperatur ist insbesondere eine Temperatur gemeint, die höher ist als 200 Grad Celsius oder 250 Grad Celsius. Bevorzugt ist die sehr hohe Temperatur geringer als 500 Grad Celsius oder 450 Grad Celsius.
Wenn der Sensor dazu eingerichtet ist, an einer Aufnahme der Prozessumgebung befestigt zu sein, die über dem Behälter oder an dem oberen Bereich des Behälters angeordnet ist, dann kommen die Vorteile der Erfindung erneut besonders gut zur Geltung. Denn dann steigt die warme Luft nach oben und der Sensor muss besonders temperaturbeständig sein, um eine Beschädigung der Sensorelektronik zu vermeiden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Wärmetauscher additiv gefertigt. Bevorzugt ist die additive Fertigung 3D-Druck. Durch die geringe Losgröße beim additiven Fertigungsverfahren kann der Wärmetauscher auf den konkreten Anwendungsfall anpassbar und dennoch wirtschaftlich zu fertigen sein. Durch die additive Fertigung kann die Geometrie des Wärmetauschers so optimiert sein, dass Wärme optimal abgeführt werden kann. Der additiv gefertigte Wärmetauscher kann aufgrund des additiven Fertigungsverfahrens sehr komplexe und hinsichtlich Wärmeleitung optimierte Geometrien aufweisen.
Der Wärmetauscher kann thermisch leitende Kunststoffe umfassen oder hieraus gebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst der Wärmetauscher Metall oder ist aus Metall gebildet.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist die additive Fertigung Metall-3D-Druck. Der 3D-Druck und insbesondere der Metall-3D-Druck kann Pulverbettfusion sein. Der Metall-3D-Druck kann mittels eines nichtmetallischen Bindemittels erfolgen und beispielsweise Metallbindemittel-Strahltechnologie sein. Der Metall-3D-Druck kann indirekt sein, also das Entbindern und Sintern in Ofenprozessen umfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Metall-3D-Druck Direktmetalldruck. Der Direktmetalldruck kann als Direktmetall-Lasersintern (DMLS) ausgeführt sein. Bevorzugt wird hierbei Metallpulver schichtweise aufgeschmolzen. Bevorzugt ist der Direktmetalldruck bindemittelfrei. Bevorzugt ist der Direktmetalldruck klebstofffrei. Das Metall kann beispielsweise Stahl, Edelstahl, Messing oder Aluminium sein. Bevorzugt ist durch den Metall-3D-Druck zumindest nahezu die gleiche Festigkeit des Wärmetauschers erzielt, wie bei einem konventionell hergestellten Metallbauteil.
Der Wärmetauscher kann an dem Prozessanschluss angeordnet sein. Wenn der Prozessanschluss einen Flansch umfasst oder hierdurch gebildet ist, dann kann der Wärmetauscher mit dem Flansch verbunden sein.
Wenn der Wärmetauscher alternativ oder zusätzlich zumindest auch von dem Prozessanschluss gebildet ist bzw. als Prozessanschluss in den Sensor eingebaut ist, dann kann der mit dem Wärmetauscher einhergehende zusätzliche Fertigungsaufwand begrenzt sein. Denn der ohnehin erforderliche Prozessanschluss muss dann lediglich um die Funktionalität des Wärmetauschens erweitert werden.
Der Wärmetauscher kann alternativ oder zusätzlich zwischen dem Prozessanschluss und dem Gehäuse oder dem Elektronikgehäusebereich angeordnet sein. Vorteilhafterweise weist der Sensor einen Sensorhals auf. Der Sensorhals umfasst bevorzugt alle zwischen einerseits dem Prozessanschluss und andererseits dem Gehäuse oder dem Elektronikgehäusebereich oder der Sensorelektronik angeordneten Sensorbauteile oder Bereiche dieser Sensorbauteile. In einer Ausführungsvariante ist der Sensorhals oder ein Bereich des Sensorhalses durch den Wärmetauscher gebildet. Der Sensorhals oder ein Bereich des Sensorhalses kann einen Gehäusehals umfassen oder hierdurch gebildet sein. Der Gehäusehals kann an das Gehäuse angrenzen oder einen Bereich des Gehäuses bilden. Der Gehäusehals kann an den Elektronikgehäusebereich angrenzen. Der Gehäusehals kann von dem Gehäuse verschieden sein.
Der Sensorhals bzw. der Gehäusehals können eine halsartige Einschnürung aufweisen. In einer alternativen Ausgestaltung weisen der Sensorhals bzw. der Gehäusehals keine halsartige Einschnürung auf.
Der Wärmetauscher kann in das Gehäuse bzw. den Gehäusehals integriert sein. Der Wärmetauscher kann von dem Sensorhals oder einem Bereich des Sensorhalses gebildet sein. Der Wärmetauscher kann also auch Gehäusefunktion wie beispielsweise Schutz und Abdichtung übernehmen.
Der Wärmetauscher kann tragend, also zur Aufnahme von mechanischen Kräften, beispielsweise Sensorhaltkräften, ausgebildet sein.
Wenn der Wärmetauscher multifunktional ist, also zusätzlich zu seiner Funktion des Wärmetauschens bzw. des Wärmeübertragens mindestens eine weitere Funktion aufweist, etwa eine Prozessanschlussfunktion und/oder eine Gehäusefunktion, dann kann der mit dem Wärmetauscher verbundene Mehraufwand reduziert sein. Mit einer „Prozessanschlussfunktion“ ist insbesondere eine Sensorbefestigungsfunktion gemeint. Denn der Wärmetauscher kann dann anstelle der Komponente, deren Funktion er mit übernimmt, vorgesehen sein. Und es hat sich gezeigt, dass die mit der Multifunktionalität des Wärmetauschers verbundene Komplexität der Formgebung bzw. Belastbarkeit besonders gut in der Ausführungsform erzielbar ist, in der der Wärmetauscher additiv gefertigt ist.
Wenn der Wärmetauscher mindestens einen beispielsweise spiralförmigen Fluidkanal aufweist, durch den, bevorzugt mittels mindestens eines Wärmeträgermediumanschlusses, Wärmeträgermedium leitbar ist, dann kann der Wärmetauscher besonders effektiv ausgestaltet sein, bei geringem Platzbedarf. Zudem kann der Wärmetauscher dann, auf besonders vorteilhafte Weise, nicht nur eine Kühlfunktion, sondern auch eine Heizfunktion aufweisen. Durch geeignete Temperierung des Wärmeträgermediums kann entweder eine Kühl- oder eine Heizwirkung auf den Sensor bzw. den Prozessanschluss erzielbar sein. Eine Kühlwirkung kann vorteilhaft sein, um die Sensorelektronik oder auch den Flansch selbst vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Eine Heizwirkung kann Vorteile bei sehr kalten Prozessen oder bei sehr kalten Umgebungsbedingungen bieten, um beispielsweise ein Vereisen der Sensorelektronik oder auch Kondensatbildung an der Sensorelektronik zu vermeiden.
Der Fluidkanal kann in mindestens zwei Ebenen verlaufen.
Bevorzugt ist, vorzugsweise mittels des mindestens einen Wärmeträgermediumanschlusses, ein Pumpaggregat zum Pumpen des Wärmeträgermediums durch den mindestens einen Fluidkanal an den Sensor anschließbar, bevorzugt unter Ausbildung eines geschlossenen Wärmeträgermediumkreislaufs. Das Wärmeträgermedium kann ein Heiz- oder Kühlmedium sein. Das Wärmeträgermedium kann ein Gas sein. Bevorzugt ist das Wärmeträgermedium eine Wärmeträgerflüssigkeit. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Wärmetauscher, bzw. der Prozessanschluss, so gefertigt, dass man an seinen mindestens einen Fluidkanal eine Flüssigkeitsversorgung anschließen kann, ähnlich wie bei einer Wasserkühlung z. B. eines Verbrennungsmotors. Der Wärmeträgermediumanschluss kann z. B. Schlauchkupplungen umfassen. Insbesondere wenn das Pumpaggregat zu dem Sensor extern, also nicht in diesen integriert ist, kann das Pumpaggregat ein Temperierungsaggregat umfassen. Wärme des Wärmeträgermediums kann dann von dem Temperierungsaggregat beabstandet zu dem Sensor abgegeben werden.
Es hat sich gezeigt, dass in der Ausführungsform, in der der Wärmetauscher additiv gefertigt ist, der mindestens eine Fluidkanal besonders fein und/oder komplex und/oder in jeden Winkel des Wärmetauschers bzw. Prozessanschlusses verlegt sein kann. Hierdurch kann eine punktgenaue Temperierung einzelner Teilbereiche des Prozessanschlusses bzw. des Sensorhalses durch entsprechende Auslegung der Leitungsführung möglich sein. Zudem kann auch bei sehr kleinen Wärmetauschern bzw. Prozessanschlüssen bzw. Sensorhälsen eine Flüssigkeits-Heizung/- Kühlung realisiert sein, da der mindestens eine Fluidkanal entsprechend dünn sein kann. Durch eine Vielzahl an einzelnen Kanälen, Fluidkanalabschnitten bzw. durch einen sehr langen Fluidkanal kann eine sehr große Oberfläche für die Wärmeübertragung zwischen dem Material des Wärmetauschers, insbesondere Metall, und dem Wärmeträgermedium genutzt und realisiert werden. Bevorzugt weisen die den Fluidkanal bildenden Wände einen geschlossenen Querschnitt auf. Der Fluidkanalquerschnitt kann kreisflächenförmig sein. Der Fluidkanalquerschnitt kann vieleckig, z. B. quadratisch sein.
Der Fluidkanal kann Fluidkanalabzweigungen aufweisen. Der Fluidkanal kann Fluidkanalzusammenführungen aufweisen. Der Fluidkanal kann sich selbst an Fluidkanalkreuzungen kreuzen. Der Fluidkanal kann ein Leitungsnetz bilden. Das Leitungsnetz kann Knotenpunkte aufweisen. Die Knotenpunkte können durch Fluidkanalabzweigungen und/oder Fluidkanalzusammenführungen und/oder Fluidkanalkreuzungen gebildet sein. Der Fluidkanal kann in dem Wärmetauscher - zumindest bereichsweise oder überwiegend - mit gleichbleibendem Abstand benachbart zu sich selbst verlaufen, etwa durch eine spiralförmige oder mäandernde Anordnung des Fluidkanals. Durch das Leitungsnetz und/oder den Bereich des Wärmetauschers, in dem der Fluidkanal benachbart zu sich selbst verläuft, kann die Kühl- bzw. Heizwirkung des Wärmetauschers gesteigert werden. Das Leitungsnetz und/oder der Bereich des Wärmetauschers, in dem der Fluidkanal benachbart zu sich selbst verläuft, kann eine hohe räumliche Komplexität aufweisen, um in jedem Bereich des Wärmetauschers die Wärme oder Kälte optimal zu verteilen. Wenn der Wärmetauscher ein Leitungsnetz und/oder einen Bereich aufweist, in dem der Fluidkanal benachbart zu sich selbst verläuft, dann ist bevorzugt das Leitungsnetz und/oder dieser Bereich von dem Prozessanschluss bzw. dem Sensorhals gebildet oder an dem Prozessanschluss angeordnet.
Bevorzugt weist der Fluidkanal genau einen Fluidkanaleingang und/oder genau einen Fluidkanalausgang auf. Der Fluidkanaleingang und der der Fluidkanalausgang können einander gegenüberliegend angeordnet sein. Der Fluidkanaleingang und der der Fluidkanalausgang können nebeneinander angeordnet sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine Wärmeträgermediumanschluss an dem Fluidkanaleingang und/oder dem Fluidkanalausgang angeordnet. Der Fluidkanal kann einen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen. Alternativ kann sich der Querschnitt des Fluidkanals über die Fluidkanallänge verändern. Die Querschnittsfläche des Fluidkanals kann zwischen 100 mm² und 0,5 mm², zwischen 50 mm² und 0,5 mm², zwischen 10 mm² und 0,5 mm² oder zwischen 5 mm² und 0,5 mm² betragen. Wenn die Länge des mindestens einen Fluidkanals oder die Gesamtlänge der Kanäle größer ist als 1 m oder 5 m, dann kann eine effektive Heizung oder Kühlung erzielbar sein. Wenn die Länge des mindestens einen Fluidkanals oder die Gesamtlänge der Kanäle kleiner ist als 50 m oder 10 m, dann kann der Strömungswiderstand in vertretbarem Rahmen bleiben. Das Volumen des mindestens einen Fluidkanals in dem Wärmetauscher kann größer sein als das Materialvolumen des Wärmetauschers. Der Wärmetauscher kann also überwiegend aus dem mindestens einen Fluidkanal bestehen. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante erstreckt sich der mindestens eine Fluidkanal gleichmäßig in dem gesamten Wärmetauscher bzw. dem gesamten Prozessanschluss. Das Leitungsnetz und/oder der Bereich, in dem der Fluidkanal benachbart zu sich selbst verläuft, kann jeden Bereich des Wärmetauschers bzw. Prozessanschlusses bzw. Gehäusehalses ausfüllen. Durch mindestens einen derartigen Fluidkanal kann bereits mit kleinen Wärmetauschern eine große Heiz- bzw. Kühlwirkung erzielbar sein.
Wenn der Wärmetauscher, insbesondere in der Ausführungsform, in der der Wärmetauscher durch den Sensorhals oder ein Bereich des Sensorhalses gebildet ist, Luftkühlflächen zur Vergrößerung seiner Oberfläche aufweist, dann kann er trotz großem Temperaturanwendungsbereich besonders wirtschaftlich zu betreiben sein. Die Luftkühlflächen können anstelle oder zusätzlich zu dem mindestens einen beispielsweise spiralförmigen Fluidkanal des Wärmetauschers vorgesehen sein. Die Kühlwirkung kann durch auf den Wärmetauscher wirkende Luftbewegungen erhöht sein. Dadurch kann die Sensorelektronik näher an den Detektor bzw. das Prozessmedium bzw. den Behälter gebaut werden, was Ressourcen sparen kann.
Die Luftbewegung kann, insbesondere bei unter freiem Himmel angeordneten Behälter, durch Wind bewirkt sein. Die Luftbewegung kann erzwungen sein, beispielsweise durch einen Ventilator und/oder durch Ausnutzung von unterschiedlichen Lufttemperaturen, insbesondere bewirkt durch das Aufheizen von Luft z. B. durch den Behälter und/oder das Prozessmedium.
In der Ausführungsform mit additiv gefertigtem Wärmetauscher können Geometrien, insbesondere der Luftkühlflächen und/oder des mindestens einen Fluidkanals, realisiert sein, die sich durch eine besonders gute Kühl- bzw. Heizwirkung bei geringem Platz- bzw. Materialbedarf des Wärmetauschers auszeichnen und die mittels konventioneller spanender Herstellungsverfahren oder Gussverfahren nicht oder nur mit unwirtschaftlich erhöhtem Aufwand herstellbar wären.
Insbesondere wenn der bevorzugt Luftkühlflächen aufweisende Wärmetauscher an dem Prozessanschluss angeordnet ist, dann weist der Prozessanschluss bevorzugt eine der Prozessumgebungs-Luft zugewandte Seite auf. Der Wärmetauscher kann dann auf dieser Seite an dem Prozessanschlusses angeordnet sein. Auf diese Weise kann beispielsweise das Gehäuse oder der Elektronikgehäusebereich effektiv gegen Wärmeübertragung des Behälters geschützt sein, vorzugsweise ohne dass ein Temperaturzwischenstück notwendig ist.
Durch die Vergrößerung der Oberfläche des Wärmetauschers kann der Wärmeübergang zwischen dem Prozessanschluss bzw. dem Sensorhals und der Prozessumgebung zur verbesserten Abführung von störender Wärme verbessert sein.
Die Luftkühlflächen können Kühlrippen sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das Verhältnis der Oberfläche des Wärmetauschers zu seinem Bauvolumen größer als 0,5 cm²/cm³, 5 cm²/cm³, 10 cm²/cm³oder 100 cm²/cm³. Der Begriff „Bauvolumen“ bezeichnet insbesondere den Platzbedarf oder Einbau-Platzbedarf des Wärmetauschers, der nichtmehr für andere Komponenten des Sensors oder der Prozessumgebung zur Verfügung steht. Der Begriff „Oberfläche des Wärmetauschers“ umfasst im Rahmen dieser Druckschrift auch die Innenfläche eines etwaigen Fluidkanals.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung umfasst einen Sensor gemäß dieser Offenbarung und einen Behälter, in dem das Prozessmedium angeordnet ist. Der Sensor ist mittels des Prozessanschlusses an dem Behälter befestigt. Zur Befestigung des Sensors weist die Prozessumgebung, also z. B. der Behälter bevorzugt eine Aufnahme auf, die z. B. als Klemm- oder Rohrverschraubungsstutzen ausgebildet sein kann. Die Aufnahme kann an dem Behälter verfügbar oder einsetzbar sein und eine Sensorbefestigungseinrichtung umfassen. Die Aufnahme kann eine Behälterdurchbrechung umfassen. Bevorzugt umfasst die Messanordnung das Pumpaggregat. Vorzugsweise umfasst die Messanordnung einen geschlossenen Wärmeträgermediumkreislauf. Bevorzugt ist das Pumpaggregat bzw. das Pump- und Temperierungsaggregat und der mindestens eine Fluidkanal Teil eines geschlossenen Wärmeträgermediumkreislaufs.
Eine erfindungsgemäße Prozessanlage umfasst eine Messanordnung gemäß dieser Offenbarung. Wenn der Behälter dieser Messanordnung unter freiem Himmel angeordnet ist, dann kann die Kühlwirkung durch auf den Wärmetauscher wirkenden Wind erhöht sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Sensors gemäß dieser Offenbarung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor gekühlt oder beheizt wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Prozessanschluss gekühlt oder beheizt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Sensorhals gekühlt oder beheizt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mittels des Wärmetauschers ausschließlich der Prozessanschluss gekühlt oder beheizt.
In einer anderen Ausführungsform wird mittels des Wärmetauschers ausschließlich der Sensorhals gekühlt oder beheizt.
In einer weiteren Ausführungsform wird mittels des Wärmetauschers ausschließlich der Prozessanschluss und der Sensorhals gekühlt oder beheizt.
Bevorzugt wird der Wärmetauscher mit vorzugsweise flüssigem Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt, z. B. mittels eines Pump- und Temperierungsaggregats.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:

1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Sensors,
2 eine Querschnittsdarstellung des Wärmetauschers des Sensors aus 1,
3 ein schematische Darstellung des Wärmetransports bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Sensor ohne Wärmetauscher,
4 eine schematische Darstellung des Wärmetransports bei dem in 1 gezeigten Sensor,
5 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Sensors.

In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten mit gleicher Funktion.
Bei dem in 1 gezeigten, für Hochtemperaturanwendungen geeigneten Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels handelt es sich um einen Radarsensor für die Prozessmesstechnik zur Messung des Füllstands eines sich in einem Behälter 2 befindlichen Prozessmediums M.
Der Sensor 1 weist eine Radareinrichtung als Detektor 3, einen als ringscheibenförmigen Flansch 18 ausgebildeten Prozessanschluss 4, eine Sensorelektronik 5 und ein Gehäuse 6 auf. Die Sensorelektronik 5 ist in dem Gehäuse 6 angeordnet. Der Sensor 1 umfasst einen Wärmetauscher 7. Genauer gesagt ist der Wärmetauscher 7 von dem Prozessanschluss 4 gebildet.
Der Sensor 1 ist an einer Aufnahme 15 der Prozessumgebung, genauer gesagt des Behälters 2 befestigt, die an dem oberen Bereich des Behälters 2 angeordnet ist und Behälterdurchbrechung umfasst.
Der Sensor 1 weist einen Sensorhals 8 auf. Der Sensorhals 8 umfasst alle zwischen dem Prozessanschluss 4 und dem Gehäuse 6, genauer gesagt dem Elektronikgehäusebereich, angeordneten Sensorbauteile. Der Sensorhals umfasst einen Gehäusehals 9. Der Gehäusehals 9 weist eine halsartige Einschnürung auf.
Der Wärmetauscher 7 ist additiv gefertigt, und zwar im Wege des Metall-3D-Drucks durch Pulverbettfusion.
Der Wärmetauscher 7 ist, begünstigt durch die additive Fertigung, multifunktional, da er zusätzlich zu seiner Funktion des Wärmetauschens bzw. der Wärmeübertragung eine Prozessanschlussfunktion aufweist. Der Wärmetauscher 7 ersetzt den herkömmlichen Prozessanschluss.
Der Wärmetauscher 7 weist einen spiralförmigen Fluidkanal 10 auf, durch den, mittels zweier Wärmeträgermediumanschlüsse 11, Wärmeträgermedium leitbar ist. Der Fluidkanal 10 weist genau einen Fluidkanaleingang und genau einen Fluidkanalausgang auf. Der Fluidkanaleingang und der der Fluidkanalausgang sind einander gegenüberliegend angeordnet. Ein Wärmeträgermediumanschluss 11 ist an dem Fluidkanaleingang und der andere Wärmeträgermediumanschluss 11 ist an dem Fluidkanalausgang angeordnet. Der Fluidkanal verläuft in drei Ebenen E1, E2, E3.
1 zeigt auch ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung 17. Diese umfasst den Sensor 1 und den Behälter 2, in dem das Prozessmedium M angeordnet ist. Der Sensor 1 ist mittels des als Wärmetauscher 7 ausgebildeten Prozessanschlusses 6 an dem Behälter 2 befestigt. Zur Befestigung des Sensors weist der Behälter die Aufnahme 15 auf. Das Pump- und Temperierungsaggregat 12 und der geschlossene Wärmeträgermediumkreislauf ist in 1 der einfacheren Darstellbarkeit halber nicht dargestellt.
Wie neben 1 auch 2 zeigt, die den Wärmetauscher 7 im Querschnitt darstellt, ist der Fluidkanal 10 begünstigt durch die additive Fertigung besonders fein und komplex und in jeden Winkel des Wärmetauschers 7 bzw. des Prozessanschlusses 4 verlegt. Der Fluidkanal 10 verläuft in dem Wärmetauscher 7 überwiegend mit gleichbleibendem Abstand benachbart zu sich selbst. Der Bereich 16 des Wärmetauschers 7, in dem der Fluidkanal 10 benachbart zu sich selbst verläuft, weist eine hohe räumliche Komplexität auf, um in jedem Bereich des Wärmetauschers 7 die Wärme oder Kälte optimal zu verteilen. Der Sensor 1 kommt ohne Temperaturzwischenstück aus. Die beiden Pfeile P in den 1 und 2 zeigen den Strom des Wärmeträgermediums an.
Der Prozessanschluss 4 wird gekühlt, indem der Wärmetauscher 7 mit flüssigem Kühlmedium beaufschlagt wird.
3 zeigt den durch Pfeile symbolisierten Wärmetransport bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Sensor ohne Wärmetauscher. Die Wärme strömt von dem Behälter 2 durch den Prozessanschluss 4 des Sensors zu der Sensorelektronik 5.
4, bei der der Wärmetransport ebenfalls durch Pfeile symbolisiert ist, zeigt, dass der Wärmetauscher 7 den Wärmetransport bei dem in 1 gezeigten Sensor zumindest teilweise ableitet, bevor er das Gehäuse 5 erreicht.
Zudem zeigt 4 schematisch das Pumpaggregat 12 zum Pumpen des Wärmeträgermediums durch den mindestens einen Fluidkanal 10. Das Pumpaggregat 12 umfasst ein Temperierungsaggregat. Wärme des Wärmeträgermediums ist von dem Temperierungsaggregat beabstandet zu dem Sensor 1 abgebbar, wie es durch die zwei in 4 rechts eingezeichneten Pfeile symbolisiert ist. Die Wärme wird von dem Pump- und Temperierungsaggregat 12 an die Prozessumgebung abgegeben. Das Pump- und Temperierungsaggregat 12 und der Fluidkanal 10 sind Teil eines geschlossenen Wärmeträgermediumkreislaufs.
Bei dem in 5 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel des Sensors 1 ist der Wärmetauscher 7 nicht durch den auch hier als ringscheibenförmigen Flansch 18 ausgebildeten Prozessanschluss 4 gebildet. Stattdessen ist ein Bereich des Sensorhalses 8, genauer gesagt ein Bereich des Gehäusehalses 9, durch den Wärmetauscher 7 gebildet. Der Wärmetauscher 7 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel multifunktional, da er zusätzlich zu seiner Funktion des Wärmetauschens eine Gehäusefunktion aufweist. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt:

Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Grenzstandsensor und der Detektor 3 weist eine mechanische Schwingungseinheit auf, und zwar eine Schwinggabel. Anstelle eines Fluidkanals weist der Wärmetauscher 7 als Kühlrippen ausgebildete Luftkühlflächen 13 zur Vergrößerung seiner Oberfläche 14 auf.

Begünstigt durch die additive Fertigung sind Geometrien der Luftkühlflächen 13 realisiert, die sich durch eine besonders gute Kühl- bzw. Heizwirkung bei geringem Platz- bzw. Materialbedarf des Wärmetauschers 7 auszeichnen und die mittels konventioneller spanender Herstellungsverfahren oder Gussverfahren nicht oder nur mit unwirtschaftlich erhöhtem Aufwand herstellbar wären.
Durch die Vergrößerung der Oberfläche des Wärmetauschers 7 ist der Wärmeübergang zwischen dem Sensorhals 8 und der Prozessumgebung zur verbesserten Abführung von störender Wärme verbessert. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel leitet der Wärmetauscher 7 den Wärmetransport zumindest teilweise ab, bevor er das Gehäuse 5 erreicht. Die Kühlwirkung des Wärmetauschers 7 wird durch auf den Wärmetauscher 7 wirkende Luftbewegungen gesteigert.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Behälter
3: Detektor
4: Prozessanschluss
5: Sensorelektronik
6: Gehäuse
7: Wärmetauscher
8: Sensorhals
9: Gehäusehals
10: Fluidkanal
11: Wärmeträgermediumanschluss
12: Pump- und Temperierungsaggregat
13: Luftkühlflächen
14: Oberfläche
15: Aufnahme
16: Bereich des Wärmetauschers
17: Messanordnung
18: Flansch
E1, E2, E3: Ebenen
P: Pfeile
M: Prozessmedium

Claims

Sensor (1) für die Prozessmesstechnik zur Messung einer physikalischen und/oder chemischen Prozessgröße eines sich in einem Behälter (2) befindlichen Prozessmediums (M), mit einem Detektor (3), einem Prozessanschluss (4), einer Sensorelektronik (5) und einem Gehäuse (6), wobei die Sensorelektronik (5) in dem Gehäuse (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) einen Wärmetauscher (7) umfasst.
Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) additiv gefertigt ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Fertigung 3D-Druck ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Fertigung Metall-3D-Druck ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) an dem Prozessanschluss (4) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) zumindest auch von dem Prozessanschluss (4) gebildet ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) einen Sensorhals (8) aufweist, der alle zwischen dem Prozessanschluss (4) und dem Gehäuse (6) oder der Sensorelektronik (5) angeordneten Sensorbauteile oder Bereiche von Sensorbauteilen umfasst und der Wärmetauscher (7) von dem Sensorhals (8) oder einem Bereich des Sensorhalses (8) gebildet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorhals (8) oder ein Bereich des Sensorhalses (8) einen Gehäusehals (9) umfasst oder hierdurch ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) multifunktional ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) mindestens einen beispielsweise spiralförmigen und/oder mäanderförmigen Fluidkanal (10) aufweist, und der Fluidkanal (10) einen Wärmeträgermediumanschluss (11) aufweist.
Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (10) in mindestens zwei Ebenen (E1, E2, E3) verläuft.
Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Wärmeträgermediumanschlusses (11) ein Pumpaggregat (12) zum Pumpen des Wärmeträgermediums durch den mindestens einen Fluidkanal (10) an den Sensor (1) anschließbar ist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) Luftkühlflächen (13) zur Vergrößerung seiner Oberfläche (14) aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Oberfläche (14) des Wärmetauschers (1) zu seinem Bauvolumen größer ist als 0,5 cm²/cm³, 5 cm²/cm³, 10 cm²/cm³ oder 100 cm²/cm³.
Messanordnung (17) mit einem Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und mit einem Behälter (2), in dem Prozessmedium (M) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mittels des Prozessanschlusses (4) an dem Behälter (2) befestigt ist.
Prozessanlage mit einer Messanordnung (17) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) unter freiem Himmel angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb eines Sensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1), bevorzugt der Prozessanschluss (4), gekühlt oder beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Sensor (1) einen Sensorhals (8) aufweist, der alle zwischen dem Prozessanschluss (4) und dem Gehäuse (6) angeordneten Sensorbauteile oder Bereiche von Sensorbauteilen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorhals (8) gekühlt oder beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (7) mit Heiz- oder Kühlmedium beaufschlagt wird.