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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Feldgerät in Form eines nach dem Radarprinzip arbeitenden Füllstandmessgerät (auch als Radarsensor bezeichnet).
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In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Beispiele für derartige Feldgeräte sind Füllstandmessgeräte, Grenzstandmessgeräte und Druckmessgeräte mit Sensoreinheiten, die die entsprechenden Prozessgrößen Füllstand, Grenzstand oder Druck oder auch davon abgeleitete Prozessgrößen erfassen. „Feld“ bezeichnet dabei den Bereich außerhalb von Leitwarten. Feldgeräte können damit insbesondere Aktoren, Sensoren, Datensammler (Datenlogger) und Messumformer sein. Häufig sind solche Feldgeräte mit übergeordneten Einheiten, zum Beispiel Leitsystemen oder Steuereinheiten, verbunden. Diese übergeordneten Einheiten dienen zur Prozesssteuerung, Prozessvisualisierung und/oder Prozessüberwachung. Die aus dem Stand der Technik bekannten Feldgeräte weisen in der Regel ein Gehäuse, eine Sensoreinheit und ein in dem Gehäuse angeordnetes Elektronikmodul auf. Die gemessenen Prozessgrößen werden üblicherweise ausgewertet und dessen Ergebnisse können beispielsweise zur Erzeugung eines Schaltbefehls und/oder einer proportionalen analogen oder digitalen Ausgangsgröße oder zur Anzeige von physikalischen Eigenschaften oder Prozessgrößen genutzt werden.
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Feldgeräte werden zum Teil auch für die Überwachung und Steuerung von Prozessen mit sehr hohen Prozesstemperaturen eingesetzt. Insbesondere im Bereich der hygienischen Anwendungen, bspw. in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie werden solch hohe Temperaturen erreicht, wenn bspw. ein CIP- (Clean in Place - Reinigung am Einbauort) oder SIP- (Sterilisation in Place - Sterilisierung am Einbauort) Prozess des Prozessbehälters und des Feldgeräts erfolgt. Bei diesen Prozessen werden die Prozessbehälter und die verbaute Messtechnik mittels unterschiedlicher Reinigungslösungen und Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen und erhöhtem Druck gereinigt und/oder sterilisiert. Die hohen Temperaturen von teilweise bis zu 140 °C müssen bspw. von einer temperaturempfindlichen Elektronik des Feldgeräts abgehalten werden.
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Im Feldgerät selbst ist üblicherweise Elektronik angeordnet, welche nur eine gewisse maximale Einsatztemperatur aufweist, die nicht überschritten werden darf. Typischerweise darf die Elektronik nicht dauerhaft auf über 90° erhitzt werden. Dies betrifft insbesondere in der Elektronik verbaute integrierte Schaltungen und eingebaute Chips, wie z.B. auch einen Radarchip. Das Feldgerät muss daher so aufgebaut sein, dass es auch bei hohen Betriebstemperaturen eingesetzt werden kann und gleichzeitig die sensible Elektronik nicht wärmegeschädigt wird.
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Die Wärme aus dem Prozess wird vorrangig über den Prozessanschluss bzw. ein zum Prozess gerichtetes Sensorelement in das Feldgerät eingetragen. Im Falle eines Radarsensors kann die Wärme zusätzlich zum Prozessanschluss auch über ein Antennensystem zur Abstrahlung der Radarsignale, d.h. insbesondere eine Linse und eine Hornantenne in das Feldgerät eingetragen werden.
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Im Stand der Technik existieren verschiedene Maßnahmen, wie bspw. Abstandsstücke, Kühlkörper, isolierte Gehäuse und aktive Kühleinrichtungen, mittels derer der Temperatureinsatzbereich von Feldgeräten zumindest kurzzeitig oder auch dauerhaft erweitert werden kann.
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Abstandsstücke oder auch Distanzstücke vergrößern den Abstand zwischen dem prozessnahen Ende des Feldgeräts und einer Elektronik. Durch die Vergrößerung des Abstands wird erreicht, dass eine Temperaturerhöhung in der Prozessumgebung nicht oder nur reduziert bis zu der Elektronik vordringt, sodass diese nicht geschädigt wird. Es wird an dieser Ausgestaltung jedoch als nachteilig empfunden, dass sich die Baulänge des Feldgeräts mit steigender zu erwartender Temperatur nicht unerheblich vergrößert, was die Einsatzmöglichkeiten dieser Feldgeräte reduziert.
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Alternativ können thermisch hochisolierte Gehäuse vorgesehen sein, bei denen ein Innenraum des Gehäuses, in dem bspw. die Elektronik angeordnet ist, durch Isolationsmaterialien oder thermische Trennung, bspw. durch ein doppelwandiges Gehäuse vor thermischen Einflüssen geschützt ist. Solche Gehäuse sind aber aufwändig und kostenintensiv in der Herstellung und meist deutlich größer als herkömmliche Gehäuse vergleichbarer Feldgeräte.
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Ferner ist es möglich, aktive Kühleinrichtungen vorzusehen. Solche aktiven Kühleinrichtungen, die bspw. nach dem Prinzip einer Kältemaschine arbeiten, sind technisch aufwändig und teuer in der Herstellung. Ferner haben solche aktiven Kühleinrichtungen einen hohen Energiebedarf und können daher aufgrund des begrenzten Energiebudgets in viele Feldgeräte nicht ohne weiteres integriert werden.
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Gemäß dem Stand der Technik ist die Elektronik im einfachsten Fall derart weit vom prozessseitigen Ende des Feldgerätes entfernt angeordnet, dass über die Gehäuseaußenwand außerhalb des Prozesses eine ausreichende Wärmemenge an die Umgebung abgegeben werden kann, damit die Elektronik selbst auch bei hohen Betriebstemperaturen nicht überhitzt. Allerdings hat dies zur Folge, dass die Elektronik sehr weit entfernt vom Prozessanschluss angeordnet werden muss und somit das Feldgerät besonders große Außenmaße aufweist.
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Es wird an diesen Feldgeräten als Nachteil empfunden, dass diese eine sehr lange Bauform aufweisen und daher teilweise nur schwierig, oder aufgrund der langen Bauform nicht eingesetzt werden können. Es gibt daher den allgemeinen Bedarf an kompakten Feldgeräten, die auch bei hohen Prozesstemperaturen eingesetzt werden können.
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Die zugrundliegende Aufgabe der Erfindung ist es, ein Feldgerät zur Verfügung zu stellen, mittels welchem auch bei geringer Bauhöhe ein ausreichender Schutz der Elektronik gegenüber Wärme realisiert ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes Feldgerät umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse ein erstes, prozessfernes Ende und ein zweites, prozessnahes Ende aufweist. Als Ende werden hier insbesondere Abschnitte des Gehäuses bezeichnet, welche in Richtung Prozess oder abgewandt des Prozesses orientiert sind. Insbesondere umfasst ein Ende einen Abschnitt, der sich über bis zu einem Drittel der Länge des Gehäuses erstreckt.
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In dem Gehäuse ist an dem ersten, prozessfernen Ende eine Elektronik angeordnet. Bei der Elektronik handelt es sich insbesondere um eine Auswerte- und/oder Steuerelektronik. Im Falle eines Radarsensors umfasst die Elektronik insbesondere auch einen Radarchip bzw. einen Transducer zur Erzeugung und zum Empfang von Radarstrahlung.
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In dem Gehäuse ist ferner an dem zweiten, prozessnahen Ende ein Sensorelement angeordnet. Als Sensorelement kann beispielsweise eine Schwinggabel oder eine Druckmesszelle dienen. Insbesondere kann hier jedoch als Sensorelement eine Hornantenne und ggf. eine dazu korrespondierende Linse angeordnet sein.
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Das Gehäuse weist zudem an dem zweiten, prozessnahen Ende einen Prozessanschluss auf, mittels welchem das Feldgerät an einem Behälter befestigbar ist. Der Prozessanschluss ist Teil des Gehäuses und kann einstückig mit dem weiteren Teil des Gehäuses oder auch separat ausgebildet sein. Der Prozessanschluss bildet die mechanische Schnittstelle zwischen dem Feldgerät und der Prozessumgebung, also insbesondere dem Behälter aus.
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Wie vorstehend schon erläutert, wird insbesondere über einen Teil des Prozessanschlusses, welcher mit einem Behälter in Verbindung steht und insbesondere in einen Behälter hineinragt, und/oder durch ein am zweiten, prozessnahen Ende angeordnetes Sensorelement Wärme aus der Prozessumgebung in das Feldgerät eingetragen.
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Erfindungsgemäß ist in dem Gehäuse eine Wärmeleitstruktur angeordnet. Die Wärmeleitstruktur erstreckt sich von dem zweiten, prozessnahen Ende in Richtung des ersten, prozessfernen Endes bis zu einem Abführabschnitt einer Gehäusewand. Die Wärmeleitstruktur dient entsprechend zur Ableitung von Wärme von dem Prozessanschluss bzw. dem Sensorelement. Der Abführabschnitt, an welchem die Wärme von der Wärmeleitstruktur an das Gehäuse abgegeben wird, ist insbesondere beabstandet zur Elektronik und beabstandet zum zweiten, prozessfernen Ende angeordnet. Der Abführabschnitt ist zudem beabstandet zum Prozessanschluss ausgebildet, und befindet sich außerhalb des Behälters. Die Wärmeleitstruktur leitet die auftretende Wärme insbesondere direkt vom Prozessanschluss und/oder dem Sensorelement zum Abführabschnitt.
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Die Wärmeleitstruktur ist derart ausgelegt, dass der thermische Widerstand zwischen dem zweiten, prozessnahen Ende und dem Abführabschnitt der Gehäusewand über die Wärmeleitstruktur geringer ist als der thermische Widerstand jedes anderen Verbindungspfades vom zweiten, prozessnahen Ende zur Elektronik. Insbesondere ist der thermische Widerstand geringer als der thermische Widerstand eines Verbindungspfads direkt über das Gehäuse und/oder über einen Hohlleiter zur Elektronik.
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Durch die Wärmeleitstruktur wird die Möglichkeit geboten, die Baugröße des Feldgerätes, d.h. den Abstand zwischen Elektronik und dem zweiten, prozessnahen Ende, zu verringern. Die Wärme wird effektiv über die Wärmeleitstruktur von der Wärmequelle an die Gehäusewand und schließlich an die Umgebung abgegeben. Durch die vergleichsweise große Außenfläche des Gehäuses entsteht hier eine effektive Konvektion.
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Es wird so eine Möglichkeit zur passiven Kühlung des Feldgeräts geschaffen. Unter passiver Kühlung wird gemäß der vorliegenden Anmeldung verstanden, dass der Vorgang der Kühlung selbst ohne die Zufuhr externer Energie erfolgt. Die Kühlung erfolgt damit im vorliegenden Fall durch einen gezielten Abtransport von in das Feldgerät eingetragener Wärme über die Wärmeleitstruktur und die Abgabe der Wärme durch Abstrahlung und Konvektion. Durch eine passive Kühlung wird ein besonders einfacher und kompakter Aufbau erreicht, der zudem auch kostengünstig realisiert werden kann.
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Der thermische Widerstand der Wärmeleitstruktur kann über den Bauteilquerschnitt und über die Materialauswahl beeinflusst werden. Dabei weist die Wärmeleitstruktur einen möglichst großen Bauteilquerschnitt auf und ist aus möglichst gut thermisch leitenden Materialien wie z.B. Aluminium, Kupfer oder Titan ausgebildet. Im Vergleich dazu weisen insbesondere das Gehäuse und auch im Falle eines Radarsensors ein Hohlleiter geringere Bauteilquerschnitte auf und sind aus schlechter wärmeleitenden Materialien (z.B. Kunststoff) ausgebildet. Durch dieses Zusammenspiel lässt sich die Wärmeleitung im Bauteil lenken.
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Der thermische Widerstand der Wärmeleitstruktur ist insbesondere um 20% geringer und vorzugsweise um 50% geringer als der thermische Widerstand der anderen Verbindungspfade vom Prozessanschluss bzw. Sensorelement zur Elektronik.
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Die Bauteildicke der Wärmeleitstruktur ist mindestens doppelt so groß wie die Bauteildicke eines Hohlleiters oder mindestens um ein Drittel größer als die Bauteildicke des Gehäuses außerhalb des Prozessanschlusses. Als Bauteildicke wird insbesondere die Erstreckung eines Bauteils in radialer Richtung des Gehäuses bezeichnet.
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Die wirksame Querschnittsfläche der Wärmeleitstruktur ist mindestens doppelt so groß und bevorzugt mindestens viermal mal so groß wie die wirksame Querschnittsfläche eines Hohlleiters. Ferner ist die wirksame Querschnittsfläche mindestens anderthalbmal so groß wie die wirksame Querschnittsfläche des Gehäuses zwischen Prozessanschluss und Abführabschnitt. Als wirksame Querschnittsfläche wird dabei die Querschnittsfläche bezeichnet, welche senkrecht zum thermischen Fluss ausgerichtet ist
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Die Wärmeleitstruktur erstreckt sich insbesondere über mehr als 50% der Länge des Gehäuses. Insbesondere erstreckt sich die Wärmeleitstruktur über ca. 2/3 der Distanz vom zweiten, prozessnahem Ende zum Ende des Hohlleiters.
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In einer praktischen Ausführungsform des Feldgerätes ist die Wärmeleitstruktur einstückig als Wärmeleitelement ausgebildet. Das Wärmeleitelement grenzt dann insbesondere unmittelbar an den Prozessanschluss und/oder das Sensorelement an. Das Wärmeleitelement kann insbesondere im Falle eines Radarsensors auch die Hornantenne bilden.
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Alternativ ist die Wärmeleitstruktur mehrteilig ausgebildet und umfasst insbesondere ein Zwischenstück und ein Wärmeleitelement. Diese mehrteilige Ausbildung kann insbesondere für nach dem Radarprinzip arbeitende Füllstandmessgeräte vorteilhaft sein. Das Zwischenstück fungiert einerseits als Teil der Wärmeleitstruktur, indem es Wärme von dem Prozessanschluss und/oder dem Sensorelement (z.B. der Linse) ableitet. Das Zwischenstück dient anderseits gleichzeitig als Hornantenne zur Weiterleitung und Formgebung der Radarstrahlung und kann primär auf die Formung der Radarstrahlung hin optimiert sein. Das Zwischenstück ist insbesondere aus Edelstahl. Das Wärmeleitelement dient dann der Wärmeableitung und ist hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit optimiert.
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Bei einer mehrteiligen Wärmeleitstruktur kann der Übergang der einzelnen Teile verbessert sein. Insbesondere mittels Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpads lässt sich ein hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit verbesserter Übergang zwischen verschiedenen Bauteilen erreichen. Beispielsweise kann Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitpads an der Grenzfläche zwischen dem Zwischenstück und dem Wärmeleitelement angeordnet sein.
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Insbesondere weitet sich die Wärmeleitstruktur ausgehend von dem zweiten, prozessnahen Ende zum Abführabschnitt an der Gehäusewand mindestens in einem Bereich auf. Die Aufweitung kann dabei trichterförmig oder auch parabelförmig sein. Die wirksame Querschnittsfläche der Wärmeleitstruktur kann dabei zunehmend sein. Das heißt, die Materialstärke bleibt gleich oder nimmt zu. Die Vergrößerung der wirksamen Querschnittsfläche ist dann auf den größer werdenden Radius der sich trichterförmig erweiternden Wärmeleitstruktur zurückzuführen. Durch einen sich vergrößernden wirksamen Querschnitt, wird sichergestellt, dass auch bei einem zusätzlichen Wärmeeintrag im Bereich der Wärmeleitstruktur die Wärmestromdichte nicht zunimmt.
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Alternativ kann die wirksame Querschnittsfläche gleichbleiben, was dann mit einer geringeren Materialstärke einhergeht.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des Feldgerätes ist die Wärmeleitstruktur zumindest abschnittsweise thermisch vom Gehäuse entkoppelt. Insbesondere ist die Wärmeleitstruktur in einem Abschnitt zwischen ihrem prozessnahen Ende und dem Abführabschnitt an der Gehäusewand thermisch von dem Gehäuse entkoppelt. Durch diese Entkopplung wird erreicht, dass die Wärme möglichst über die Wärmeleitstruktur abgeführt wird und das Gehäuse zwischen Prozessanschluss und Abführabschnitt nicht zusätzlich aufgewärmt wird. Zur thermischen Entkopplung kann zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Gehäuse beispielsweise ein Spalt (gefüllt mit Fluid oder evakuiert) ausgebildet sein und/oder thermisch isolierendes Material angeordnet sein.
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Um eine möglichst gute Wärmeableitung zu realisieren, kann am prozessnahen Ende der Wärmeleitstruktur (d.h. insbesondere am Übergang zum Prozessanschluss und/oder zum Sensorelement) und/oder zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Abführabschnitt eine Wärmeleitschicht angeordnet sein, sodass der Übergangswiderstand möglichst gering ist. Bei der Wärmeleitschicht kann es sich insbesondere um Wärmeleitpads und/oder Wärmeleitpaste handeln.
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Die Elektronik kann weiter vor thermischer Belastung geschützt werden, wenn an einer in Richtung der Gehäuseinnenseite weisenden Innenfläche der Wärmeleitstruktur zumindest teilweise eine wärmedämmende Isolierschicht angeordnet ist. Insbesondere ist die Wärmeleitstruktur mit einer solchen Isolierschicht beschichtet. Wenn ein Wärmeleitelement als Teil der Wärmeleitstruktur vorgesehen ist, ist das Wärmeleitelement insbesondere vollflächig an der Innenseite mit der Isolierschicht versehen. Mittels der Isolierschicht soll verhindert werden, dass Wärme von der Wärmeleitstruktur in den Gehäuseinnenraum zum ersten, prozessfernen Ende, insbesondere in Richtung der Elektronik abgestrahlt wird.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform kann in dem Gehäuse, auf der prozessfernen Seite der Wärmeleitstruktur ein wärmedämmendes Isolierelement angeordnet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein zwischen der Wärmeleitstruktur und der Elektronik angeordnetes scheibenförmiges Element handeln, welches sich zumindest über einen Teil des Querschnitts des Gehäuseinnenraums erstreckt. Im Falle eines Radarsensors handelt es sich insbesondere um eine Scheibe, welche den Hohlleiter ringförmig umgibt. Das wärmedämmende Isolierelement dient dazu, die Elektronik gegenüber Wärme aus dem Gehäuseinnenraum abzuschirmen.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu, ist eine Isolierstruktur in der Gehäusewand angeordnet. So kann das Gehäuse mehrteilig sein oder es kann ein Einlegeteil in der Gehäusewand angeordnet sein. Die Isolierstruktur ist insbesondere zwischen dem Abführabschnitt und der Elektronik angeordnet, um eine Wärmeleitung von dem Abführabschnitt über das Gehäuse zur Elektronik weiter zu minimieren. Bei der Isolierstruktur kann es sich um einen Spalt (gefüllt oder evakuiert) oder auch um ein Einsetzteil, insbesondere aus einem thermisch isolierenden Material, bspw. Kunststoff handeln.
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Die Wärmeleitung über die Wärmeleitstruktur kann weiter verbessert werden, wenn die Gehäusewand im Bereich des Abführabschnittes außenseitig Kühlstrukturen aufweist. Hierbei können auf der Außenseite des Gehäuses beispielsweise Kühlrippen, ein Kühlkörper und/oder ein Wärmetauscher angeordnet oder ausgebildet sein.
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Die Wärmeleitstruktur kann insbesondere noch mindestens ein Wärmerohr (auch als heat pipe bezeichnet) aufweisen. Derartige Wärmerohre arbeiten nach dem Prinzip, dass Wärme zwischen einem zu kühlenden Objekt (hier: Prozessanschluss und/oder Sensorelement) und einem Kühlkörper (hier: Gehäusewand) durch Verdampfen eines Mediums transportiert wird, insbesondere durch Konvektion. Am Kühlkörper erfolgt eine Kondensation des verdampften Mediums und damit die Abgabe von Wärme. Das kondensierte, abgekühlte Medium strömt dann zurück zum Prozessanschluss und/oder zum Sensorelement, wo es wieder verdampft und so der Wärmetransport aufrechterhalten wird. Das Strömen des abgekühlten Mediums kann dabei durch die Schwerkraft oder auch durch Kapillarkräfte angetrieben sein.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Feldgerät um ein Radarmessgerät zur Messung eines Füllstandes. Das Radarmessgerät weist dann eine Elektronik mit Radarchip (Transducer) am ersten, prozessfernen Ende und ein Sensorelement (Antenne und insbesondere zusätzlich eine Linse) am zweiten, prozessnahen Ende auf. Ferner weist das Radarmessgerät einen Hohlleiter auf, wobei sich der Hohlleiter von dem Sensorelement (Antenne und insbesondere Linse) zur Elektronik (Radarchip) erstreckt. Die Wärmeleitstruktur ist den Hohlleiter zumindest teilweise umgebend angeordnet. Insbesondere umgibt die Wärmeleitstruktur den Hohlleiter über seinen gesamten Umfang und insbesondere über den Großteil der Höhe des Hohlleiters. Mittels der Wärmeleitstruktur wird ein Wärmetransport über den Hohlleiter bis zur Elektronik möglichst vermieden. Insbesondere handelt es sich bei der Wärmeleitstruktur um ein vom Hohlleiter separates Bauteil. Die Wärmeleitstruktur ist vorzugsweise vom Hohlleiter beanstandet und thermisch vom Hohlleiter isoliert. Insofern ist insbesondere der Übergangswiderstand am zweiten, prozessnahen Ende zwischen Prozessanschluss und Hohlleiter und/oder zwischen Sensorelement und Hohlleiter sowie am ersten, prozessfernen zwischen Hohlleiter und Elektronik sehr hoch ausgelegt. Dadurch wird die Wärme möglichst weg vom Hohlleiter zum Wärmeleitbauteil gelenkt.
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Der Wärmeeintrag in den Hohlleiter wird vermindert, wenn in dem Bereich, in dem der Hohlleiter an das Sensorelement angrenzt, die wirksame Querschnittfläche und/oder die Materialstärke des Hohlleiters kleiner ist als die wirksame Querschnittsfläche bzw. die Materialstärke der Wärmeleitstruktur. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist in dem angrenzenden Bereich die Wärmeleitfähigkeit des Hohlleiters kleiner als die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitstruktur. Insbesondere weist der Hohlleiter an seinem prozessnahen Ende einen Sockel auf, dessen wirksame Querschnittsfläche und Materialstärke kleiner ist als die der Wärmeleitstruktur auf selber Höhe.
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Insbesondere sind die Wärmeleitstruktur und der Hohlleiter thermisch voneinander entkoppelt. Dies kann insbesondere dadurch realisiert sein, dass Bauteile, welche in Kontakt zum Hohlleiter stehen, wie z.B. die Antenne und/oder die Linse am Übergang zum Hohlleiter nur geringe Wandstärken aufweisen. Insbesondere sind zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Hohlleiter möglichst thermisch isolierende Materialien angeordnet, wie eine Lage aus Kunststoff und/oder es sind Kerben und Spalte ausgebildet. Ferner ist insbesondere die Kontaktfläche zwischen Hohlleiter und Wärmeleitstruktur minimiert. Der Übergangswiderstand zwischen der Wärmeleitstruktur und dem Hohlleiter kann auch durch ein Gewinde, mittels welchen der Hohlleiter an der Antenne als Teil der Wärmeleitstruktur befestigt ist, reduziert werden.
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Zudem kann es sich bei dem Hohlleiter um ein Bauelement aus einem thermisch isolierenden Material handeln, welches innenseitig metallisiert ist. Der Hohlleiter kann zum Beispiel aus einem thermisch stabilen Kunststoff oder einer Keramik sein. Hierdurch kann eine Wärmeleitung entlang des Hohlleiters weiter reduziert werden
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind nachfolgend in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Feldgerät in Form eines Radarsensors in einer ersten Ausführungsform in einer geschnittenen perspektivischen Ansicht,
- 2 den mit II gekennzeichneten Ausschnitt aus 1 in einer vergrößerten Darstellung,
- 3 ein Feldgerät in Form eines Radarsensors gemäß der ersten Ausführungsform in einer schematischen Darstellung im Schnitt,
- 4 ein Feldgerät in Form eines Radarsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform ein einer schematischen Darstellung im Schnitt und
- 5 ein Feldgerät gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem Isolierelement in einer schematischen Darstellung im Schnitt.
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In 1 ist ein Feldgerät 10 dargestellt, wobei es sich hier bei dem Feldgerät 10 um einen Radarsensor 12 handelt. Das Feldgerät 10 weist ein Gehäuse 14 auf, welches ein erstes, prozessfernes Ende 16 und ein zweites, prozessnahes Ende 18 aufweist.
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An dem ersten, prozessfernen Ende 16 des Gehäuses 12 ist innerhalb des Gehäuses 12 eine Elektronik 20 angeordnet. Diese umfasst unter anderem mehrere Leiterplatten mit Steuer- und Auswerteelektronik 22 und einen Radarchip 24.
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An dem zweiten, prozessnahen Ende 18 ist ein mehrteiliges Sensorelement 26 angeordnet, wobei hier als Teil des Sensorelementes 26 die von einem Zwischenstück 28 geformte Hornantenne 30 und eine dielektrische Linse 32 angeordnet sind. An die Linse 32 schließt sich in Richtung des ersten, prozessfernen Endes 16 eine Füllung 33 an, welche sich bis zu einem Hohlleiter 34 erstreckt. Die Füllung 33 ist aus einem dielektrischen Material und weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf.
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Zwischen dem Sensorelement 26 und dem Radarchip 24 erstreckt sich in Längsrichtung des Gehäuses 12 der Hohlleiter 34. Über den Hohlleiter 34 werden emittierte und zurückreflektierte Radarstrahlen zwischen dem Radarchip 24 und der Hornantenne 30 bzw. Linse 32 übertragen. Der Hohlleiter 34 ist an seinem prozessfernen Ende direkt mit dem Radarchip 24 verbunden. Am prozessnahen Ende weist der Hohlleiter 34 einen Sockel 36 auf, mittels welchem der Hohlleiter 34 in einer entsprechenden Vertiefung in dem Zwischenstück 28 eingeschraubt ist.
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Ferner weist das zweite, prozessnahe Ende 18 des Gehäuses 14 einen Prozessanschluss 38 auf, welcher dazu dient, das Gehäuse 14 an einem Behälter (hier nicht dargestellt) zu befestigen. Hier ist ein Gewindeabschnitt 40 mit dem Behälter in Kontakt.
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Das Feldgerät 10 weist zusätzlich eine Wärmeleitstruktur 42 auf. In dieser ersten Ausführungsform bilden das Zwischenstück 28 und ein zusätzliches Wärmeleitelement 44 die Wärmeleitstruktur 42. Die Wärmeleitstruktur 42 in Form des Zwischenstückes 28 und des Wärmeleitelements 44 erstreckt sich von dem Prozessanschluss 38 und hier der Linse 32 als Teil des Sensorelementes 26 bis hin zu einem Abführabschnitt 46 an einer Gehäusewand des Gehäuses 14. Die Wärmeleitstruktur 42 ist so ausgelegt, dass der thermische Widerstand über den Verbindungspfad (A) (gestrichelte Linie) zwischen dem Prozessanschluss 38 über die Wärmeleitstruktur 42 mit Zwischenstück 28 und Wärmeleitelement 44 bis zum Abführabschnitt 46 bzw. von der Linse 32 über die Wärmeleitstruktur 42 mit Zwischenstück 28 und Wärmeleitelement 44 bis zum Abführabschnitt 46 kleiner ist als jeder andere Verbindungspfad vom Prozessanschluss 38 bzw. der Linse 32 zur Elektronik 20. Der Verbindungspfad B1 (strichpunktierte Linie) erstreckt sich hierbei direkt vom Prozessanschluss 38 über das Gehäuse 14 zur Elektronik 30 und der Verbindungspfad B2 (gepunktete Linie) vom Prozessanschluss 38 über den Hohlleiter 34 zur Elektronik 30.
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Die Wärmeleitstruktur 42 umfasst also vorliegend das Zwischenstück 28, welches hier aus Edelstahl ist und das Wärmeleitelement 44, hier aus Aluminium. Das Zwischenstück 28 dient hier ebenfalls als Hornantenne 30 zur Formung der ausgesandten Radarstrahlung.
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Das Wärmeleitelement 44 erstreckt sich zwischen seinem prozessnahem Ende und dem Abführabschnitt 46 in einem oberen Abschnitt 45 trichterförmig. Der obere Abschnitt 45 erstreckt sich hier von dem prozessfernen Ende des Prozessanschlusses 38 bis zum Abführabschnitt 46.
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Ferner ist der Übergang zwischen dem Zwischenelement 28 und dem Wärmeleitelement stufenförmig ausgebildet, d.h. das Wärmeleitelement weist einen Absatz 47 auf, welcher korrespondierend zu einem Absatz 49 des Zwischenelementes 28 ausgebildet ist (vgl. 2).
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Im Folgenden werden die einzelnen Wärmeübergänge im Detail erläutert.
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Der Wärmeübergang zwischen dem Prozessanschluss 38 bzw. Linse 32 und dem Zwischenstück 28 als Teil der mehrteiligen Wärmeleitstruktur 42 erfolgt durch unmittelbaren Kontakt. Gegebenenfalls kann noch ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste genutzt werden, um den Übergangswiderstand zwischen Prozessanschluss 38 und Zwischenstück 28 bzw. zwischen Linse 32 und Zwischenstück 28 zu verbessern.
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Um einen möglichst guten Wärmeübergang von dem Zwischenstück 28 auf das Wärmeleitelement 44 auszubilden, stehen diese ebenfalls in direktem Kontakt.
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In dem Abführabschnitt 46 kontaktiert die Wärmeleitstruktur 42 und hier konkret das Wärmeleitelement 44 das Gehäuse 14 unmittelbar. Auch hier kann zur Reduzierung des thermischen Übergangswiderstands ein Wärmeleitpad angeordnet oder Wärmeleitpaste aufgebracht werden.
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Gleichzeitig soll eine Wärmeübertragung an den Hohlleiter 34 und das Gehäuse 12 gering sein. Die Materialstärke DH des Hohlleiters 34 ist auf Höhe des Sockels 36 kleiner als die Materialstärke DW der Wärmeleitstruktur 42 auf derselben Höhe (vgl.
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2).
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Das Wärmeleitelement 44 ist beabstandet von dem Hohlleiter 34 angeordnet und zusätzlich noch durch einen Spalt 48 getrennt. Zwischen Zwischenstück 28 und dem Sockel 36 des Hohlleiters 34 tragen zur thermischen Entkopplung in radialer Richtung ferner ein Spalt 50 und ein Gewinde 52 bei (vgl. 2).
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Vom zweiten, prozessnahen 18 Ende in Richtung des Abführabschnittes 46 steht das Zwischenstück 28 zunächst unmittelbar in Kontakt mit dem Prozessanschluss 38, ist anschließend über ein Gewinde 54 mit dem Prozessanschluss 38 verbunden und daran anschließend ist das Wärmeleitelement 44 thermisch von dem Prozessanschluss 38 und Gehäuse 14 entkoppelt, durch einen Luftspalt 56. Im Bereich des Abführabschnittes 46 liegt die Wärmeleitstruktur 42 direkt an dem Gehäuse 14 an.
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In 3 ist eine schematische Ansicht eines Feldgerätes 10 gemäß der ersten Ausführungsform gezeigt, wobei die Wärmeleitstruktur 42 ebenfalls aus einem Zwischenstück 28 und einem Wärmeleitelement 44 besteht.
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Auch wenn dies hier nicht dargestellt ist, ist auch denkbar, die Wärmeleitstruktur 42 einstückig aus Zwischenstück 28 und Wärmleitelement 44 auszubilden.
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Im Folgenden wird zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform für identische oder zumindest funktionsgleiche Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet, wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.
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In 4 ist eine zweite Ausführungsform eines Feldgerätes 10 dargestellt. Es handelt sich hierbei ebenfalls um einen Radarsensor 12. Das Feldgerät gemäß dieser zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Wärmeleitstruktur 42 hier einstückig ausgebildet ist und nur das Wärmeleitelement 44 aufweist. Die Hornantenne 30, welche vorher durch das Zwischenstück 28 gebildet war, ist hier einstückig mit dem Prozessanschluss 38 ausgebildet.
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Der Wärmeübertrag vom Prozessanschluss 38 erfolgt dann an einer dem zweiten, prozessnahen Ende 18 abgewandten Stirnfläche 58 auf das Wärmleitelement 44, welches sich vom dem Prozessanschluss 38 direkt bis zum Abführabschnitt 46 erstreckt. Das Wärmeleitelement ist hier aus Aluminium ausgebildet.
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Die in 5 gezeigte dritte Ausführungsform eines Feldgerätes 10 entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform aus 1 und 2. Hier ist zusätzlich noch im Gehäuseinnenraum 60 ein Isolierelement angeordnet. Das Isolierelement 60 ist hier auf der zum ersten, prozessfernen Ende gerichteten Seite der Wärmeleitstruktur 42 angeordnet. Das Isolierelement 62 ist tellerförmig ausgebildet und erstreckt sich über den gesamten Querschnitt des Gehäuseinnenraums 60 und weist eine Aussparung für den Hohlleiter 34 auf. Das Isolierelement 62 verhindert, dass Wärme, die von der Wärmeleitstruktur 42 abgestrahlt wird, durch den Gehäuseinnenraum 60 zur Elektronik 20 gelangt.
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Zusätzlich oder in Ergänzung dazu, kann die Innenfläche 64 des Wärmeleitelementes 42 hier mit einer thermisch isolierenden Schicht versehen sein (nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Feldgerät
- 12
- Radarsensor
- 14
- Gehäuse
- 16
- erstes, prozessfernes Ende
- 18
- zweites, prozessnahes Ende
- 20
- Elektronik
- 22
- Leiterplatten (Steuer- und Auswerteelektronik)
- 24
- Radarchip
- 26
- Sensorelement
- 28
- Zwischenstück
- 30
- Hornantenne
- 32
- Linse
- 33
- Füllung
- 34
- Hohlleiter
- 36
- Sockel
- 38
- Prozessanschluss
- 40
- Gewinde (am Prozessanschluss)
- 42
- Wärmeleitstruktur
- 44
- Wärmleitelement
- 45
- oberer Abschnitt
- 46
- Abführabschnitt
- 47
- Absatz
- 48
- Spalt
- 49
- Absatz
- 50
- Spalt (zwischen Zwischenstück und Hohlleiter)
- 52
- Gewinde (zwischen Zwischenstück und Hohlleiter)
- 54
- Gewinde (zwischen Zwischenstück und Prozessanschluss)
- 56
- Spalt (zwischen Gehäuse und Wärmeleitstruktur)
- 58
- Stirnfläche
- 60
- Gehäuseinnenraum
- 62
- Isolierelement
- 64
- Innenfläche
- A
- Verbindungspfad
- B1
- Verbindungspfad
- B2
- Verbindungspfad
