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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen industriellen Sensor mit einem elektrischen Resonanzschwingkreis, d.h. einen sogenannten elektrischen Resonanzschwinger, zur Erfassung einer Prozessgröße in einem Behälter, insbesondere eines Grenzstands, sowie die Verwendung eines Glasgehäuses oder Keramikgehäuses zur Einhausung des industriellen Sensors.
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Stand der Technik
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Grenzstandsensoren unterscheiden sich messtechnisch in die Gruppe der mechanischen Resonanzschwinger und der elektrischen Resonanzschwinger. Die elektrischen Resonanzschwinger erfassen Parameterwerte eines elektrischen Schwingkreises, welcher vom Medium elektrische isoliert sein muss. Übliche Grenzstandsensoren weisen daher eine Sensorspitze auf, bei der die Isolierung mittels des Polymers Polyetheretherketon (PEEK) erfolgt. PEEK ist ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff und gehört zur Stoffgruppe der Polyaryletherketone. Die Sensorspitze weist einen Übergang zum Sensorgehäuse auf, der zusätzlich mit einem O-Ring abgedichtet ist. Durch die Trennstelle PEEK zu Metall können sich Ablagerungen vom Prozess bilden, welche eine aufwändige Reinigung notwendig machen.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung könnte daher sein, einen verbesserten elektrischen Resonanzschwinger bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den industriellen Sensor und die Verwendung des Glasgehäuses oder Keramikgehäuses zur Einhausung eines industriellen Sensors. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein industrieller Sensor zur Erfassung einer Prozessgröße in einem Behälter bereitgestellt. Der Sensor weist eine Elektronikeinheit mit einem elektrischen Resonanzschwingkreis zum Erfassen der Prozessgröße auf, sowie ein Gehäuse und eine Messanordnung mit Elektroden, die eine Kapazität für den elektrischen Resonanzschwingkreis bildet. Die Messanordnung und die Elektronikeinheit befinden sich hierbei innerhalb des Gehäuses, und das Gehäuse weist einen prozessberührenden Gehäusebereich auf, der hermetisch dicht und aus isolierendem Material ist.
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Ein industrieller Sensor mit einem elektrischen Resonanzschwingkreis ist auch unter dem Begriff „elektrischer Resonanzschwinger“ bekannt, der in dieser Offenbarung gleichwertig verwendet wird. Ein solcher elektrischer Resonanzschwinger detektiert beispielsweise den Grenzstand eines Behälters. Das Messprinzip eines elektrischer Resonanzschwingers beruht auf einer Messung von Parameterwerten eines elektrischen Schwingkreises. Die Frequenz des Schwingkreises wird von einer Kapazität mitbestimmt, die durch zwei Elektroden gebildet wird. Die Elektroden sind Messelektrode und Bezugselektrode. Die Kapazität und damit auch die Frequenz des Schwingkreises sind von dem Medium abhängig, die die Messelektrode umgeben. Das Medium ist beispielsweise Luft, eine Flüssigkeit oder ein fester Stoff. Das heißt, wenn eine Flüssigkeit oder ein fester Stoff den Sensorteil mit der Messelektrode, z.B. die Sensorspitze, umgibt, ist die Frequenz des Schwingkreises unterschiedlich zu der Frequenz, wenn Luft den Sensorteil mit der Messelektrode umgibt, so dass ein Grenzstand detektiert werden kann.
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Die Elektronikeinheit kann beispielsweise einen Teil des Schwingkreises sowie Auswerteelektronik, Signalfilter, AD/Wandler, Kommunikationseinheiten, Logikschaltkreise etc. beinhalten.
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Die Messanordnung weist beispielsweise eine Messelektrode und eine Bezugselektrode auf. Da sich beide Elektroden innerhalb des Gehäuses befinden, ist die Messung nach außen hin potentialfrei. Im Unterschied zu herkömmlichen elektrischen Resonanzschwingern mit einer Bezugselektrode und einer Messelektrode, liegt bei herkömmlichen elektrischen Resonanzschwingern die Messelektrode innerhalb eines isolierten Bereichs des Gehäuses, während die Bezugselektrode im Anschluss an den isolierten Bereich einen weiteren Teil des Gehäuses bildet. Bei metallischen Behältern wird häufig auch der Behälter als Bezugselektrode verwendet. Daher muss das Sensorgehäuse auf demselben Potential wie der Behälter liegen, dessen Füll- oder Grenzstand gemessen werden soll. Bei dem hier vorgestellten elektrische Resonanzschwinger hingegen ist dies nicht notwendig. Dadurch können auch Grenzstände in mobilen, nicht geerdeten Behältern sowie Kunststoffbehältern gemessen werden. Weiterhin gibt es bei dem hier vorgestellten Sensor keine Trennstelle, die bei herkömmlichen elektrischen Resonanzschwingern zwischen dem isolierten Gehäuseteil, der die Sensorspitze bildet, und dem Gehäuseteil, der durch die Bezugselektrode gebildet wird oder in den die Bezugselektrode eingebettet ist. Das Gehäuse ist kann somit einteilig bzw. einstückig sein, ohne Trennstelle und komplett aus einem, d.h. einem einzigen Material. Die Bezugselektrode stößt nicht an den isolierenden Gehäuseteil an.
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Durch die Einstückigkeit des Gehäuses ist kein O-Ring notwendig. Das heißt, es muss keine Übergangsstelle an Materialübergängen des Gehäuses abgedichtet werden. Weiterhin ist durch eine entsprechende Wahl des Gehäusematerials der Einsatz des Sensors bei hohen Prozesstemperaturen möglich, ohne dass auf Trennstellen oder unterschiedliche Materialien Rücksicht genommen werden muss. Für übliche Sensoren können darüber hinaus aufwändige Gewinde notwendig sein, die hier wegfallen. Dadurch, dass keine Trennstellen vorhanden sind, werden Ablagerungen vom Prozessmedium vermieden, und die Reinigbarkeit im Prozess sowie außerhalb des Prozesses wird deutlich verbessert. Da das gesamte Gehäuse aus einem isolierenden Material besteht, bietet der Sensor zudem einen Berührungsschutz. Im Sensor kann somit mit Hochspannung gearbeitet werden, was eine Verbesserung der Messperformance mit sich bringt. Die Elektronikeinheit ist somit vorteilhafterweise ebenfalls in dem Gehäuse eingeschlossen, so dass die Einstückigkeit des Gehäuses für den gesamten Sensor erreicht wird, also kein zweiter Gehäuseteil notwendig ist. Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist, dass das Gehäuse die genannten Sensorkomponenten, d.h. die Elektroden und die Elektronikeinheit, hermetisch abschließt. Dies trägt zu oben genanntem Berührungsschutz bei, sowie zu Vereinfachung des Aufbaus, da keine Dichtung notwendig ist und keine Teile zusammengesetzt werden müssen. Somit werden Bauteile eingespart, sowie Schritte bei der Herstellung und Ansatzpunkte für eine Verunreinigung vermieden bzw. die Reinigung vereinfacht. Hierdurch ergeben sich deutliche wirtschaftliche Verbesserungen gegenüber üblichen Sensoren dergleichen Kategorie. Nicht zuletzt kann der Sensor an einem beliebigen Behälter, installiert werden, welcher nicht geerdet sein muss. Das heißt, der Behälter kann leitend, z.B. metallisch, oder nichtleitend, z.B. aus Kunststoff sein.
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Das Gehäuse weist einen prozessberührenden Gehäusebereich auf, der hermetisch dicht und aus isolierendem Material ist. „Prozessberührend“ heißt, dass dieser Bereich mit dem Medium in Kontakt kommt oder kommen könnte, beispielsweise innerhalb eines Behälters. In Ausführungsformen kann nur z.B. nur dieser Bereich aus dem isolierenden Material bestehen oder zumindest dieser Bereich.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht das Gehäuse vollständig aus Glas oder Keramik, das heißt, es besteht komplett aus nur einem Material.
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Für den vorliegenden Einsatzbereich weist Glas günstige Eigenschaften auf. Glas ist beispielsweise nichtmetallisch, anorganisch und weitgehend resistent gegen Chemikalien, weist einen hohen elektrischen Widerstand auf und ist bei höheren Temperaturen noch ein guter Isolator. Glas und Keramik sind sowohl isolierende als auch hitzebeständige Materialien. Für das Glas bzw. die Keramik kann eine Materialzusammensetzung ausgewählt werden, das die genannten Anforderungen erfüllt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht das Gehäuse oder zumindest der Gehäusebereich aus Kunststoff.
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Kunststoffe sind im Vergleich zu Mineralgläsern zwar weniger kratzfest und sind daher empfindlicher und pflegebedürftiger. Jedoch können spezielle Beschichtungen, die z.B. Schmutz abweisen und das Material härten. Der Kunststoff kann beispielsweise aus PEEK bestehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der industrielle Sensor weiterhin ein Kabel auf, wobei das Kabel durch das Gehäuse in hermetisch dichter Weise durchgeführt ist.
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Über das Kabel können Antennensignale und/oder Auswertedaten nach außen geführt werden, sowie eine externe Stromversorgung bereitgestellt werden und/oder eine Steuerung beispielsweise zur Datenanforderung und/oder eine Parametrierung von außen bereitgestellt werden. Das Durchführen des Kabels in hermetisch dichter Weise kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das Kabel in das Gehäusematerial zumindest an der Auslassstelle mit dem Gehäusematerial umschmolzen oder umspritzt ist.
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Alternativ kann das Kabel durch eine Öffnung mit einer Dichtung durchgeführt sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der industrielle Sensor weiterhin ein Antennenelement innerhalb des Gehäuses zur Kommunikation auf.
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Die integrierten Antennenelemente sind beispielsweise für Kommunikationsstandards wie NFC, Bluetooth, ZigBee, Mobilfunk etc. geeignet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der industrielle Sensor autark.
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Als autarker Sensor hat der Sensor keine Drahtverbindung z.B. für Kommunikation oder Stromversorgung nach außen. Der Sensor kann eine Batterie aufweisen und/oder sogenannte Energy Harvesting-Elemente, die aus der Umgebung wie z.B. Licht oder Temperaturdifferenzen Energie erzeugen, induktive Elemente zum Laden der Batterie, etc. Die Kommunikation kann drahtlos erfolgen, wobei die Antenne sich innerhalb des Gehäuses befindet. Hierbei ist beispielsweise auch eine Aktivierung von elektronischen Baugruppen, d.h., beispielsweise Display, interne und/oder externe Schaltkontakte, ist mit einem Energy Harvesting-Element vorstellbar. Auch ist es hierzu vorstellbar ein Energy Harvesting-Element gezielt anzuregen indem z.B. eine Blende geöffnet wird oder eine (warme) Hand am Sensorgehäuse aufgelegt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse mit einem Verguss gefüllt.
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Hierdurch ist die Messanordnung und/oder die Elektronikeinheit in den Verguss eingebettet. Durch den Verguss erhält der Sensor und insbesondere seine inneren Komponenten Stabilität und ist vor Schlägen geschützt. Der Verguss kann beispielsweise ein gegenüber Glas gering wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Material, wie beispielsweise Gießharz, sein, so dass neben der Erhöhung der Stabilität bei hohen Prozesstemperaturen gleichzeitig eine Wärmeisolation nach innen stattfindet. Der Verguss kann den kompletten Hohlraum ausfüllen, der durch das Gehäuse gebildet wird. Alternativ kann die Elektronik speziell mit einem wärmeisolierenden Material ummantelt werden. „Ummantelt“ kann hierbei bedeuten, dass das Material einen direkten Kontakt mit der Elektronik hat oder dass die Elektronik ein Gehäuse aufweist, so dass zusätzlich eine Luftschicht als Wärmeisolator wirken kann, in die andererseits je nach Umgebungstemperatur auch Wärme der elektronischen Bauteile abgeführt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Gehäuse ein Glasgehäuse, in welches eine Folie eingebettet ist.
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Die Folie ist beispielsweise in das Glas eingeklebt und bewirkt eine Erhöhung des mechanischen Widerstands des Glases ähnlich einem sogenannten Panzerglas oder der Scheiben eines KFZs.
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Um die Elektronik vor hohen Temperaturen bei der Herstellung oder bei Prozesstemperaturen zu schützen, kann diese durch Keramikabstandshalter vom Gehäuse thermisch entkoppelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist in das Gehäuse eine Prozessanschlussstruktur geformt.
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Der Prozessanschluss ist zum Beispiel als Gewinde, beispielswiese ein G1 Gewinde, ausgebildet, das in das Gehäuse geformt ist. „In das Gehäuse geformt“ bedeutet hierbei, dass bei der Herstellung des Gehäuses, die Prozessanschlussstruktur mitgeformt wird. Beispielsweise kann das Gehäuse ein Gewinde aufweisen, das bereits durch eine Gussform oder Schmelzform dem Gehäuse eingeprägt wird. Das Gehäuse kann auch zum Beispiel am Ende des Gewindes einen umlaufenden Anschlag aufweisen. An dem umlaufenden Anschlag kann zum Gewinde hin zusätzlich ein Dichtring angebracht sein, so dass der Behälter nach Einschrauben des Sensors dicht ist. Alternativ kann das Gehäuse beispielsweise eine umfangsseitige Struktur aufweisen, die beispielsweise eine elastische Dichtung aufweist, so dass eine Pressverbindung ermöglicht wird. Sowohl diese Struktur als auch eine Struktur am Gewinde kann dafür geeignet sein, eine Dichtung aufzunehmen um den Behälter gegen den Sensor abzudichten.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Prozessanschluss ein Gewinde auf, das eine Toleranz aufweist, die einer Wärmeausdehnung des Gehäuses entspricht.
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Durch diese Anpassung der Toleranz kann auf eine Dehnfuge verzichtet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Gehäuse ein Typenschild auf, das gehäuseinnenseitig oder gehäuseaußenseitig durch eine Gravur, einen Druck oder ein Schild realisiert ist.
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Eine Gravur oder ein Druck bzw. Aufdruck wird vorzugsweise auf der Gehäuseaußenseite aufgebracht. Bei Gravur oder Aufdruck auf das Gehäuse ist der Begriff „Typenschild“ abstrakt zu sehen. Im Falle eines Glasgehäuses kann jedoch auch ein physisches Schild in das Gehäuse mit eingeschmolzen werden oder auf der Gehäuseinnenseite angebracht werden. Auch die Gravur oder der Aufdruck kann bei einem Glasgehäuse gehäuseinnenseitig aufgebracht werden, so dass keine Ablagerungen an der Gehäuseaußenseite an einer Gravurstelle entstehen bzw. der Aufdruck geschützt ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines Glasgehäuses oder Keramikgehäuses zur Einhausung eines hier beschriebenen industriellen Sensors mit einem elektrischen Resonanzschwingkreis zur Erfassung einer Prozessgröße, insbesondere eines Grenzstands in einem Behälter vorgeschlagen.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann.
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Ein Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 ein Blockdiagramm eines industriellen Sensors gemäß einer Ausführungsform,
- 2 ein detaillierteres Blockdiagramm des industriellen Sensors.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsformen
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines als elektrischen Resonanzschwinger 100 ausgeführten industriellen Sensors 100. In 1 ist der Sensor 100 an einen Behälter 104 montiert. Der Behälter 104 kann aus einem beliebigen Material bestehen. Das heißt, der Behälter 104 kann beispielsweise aus einem nichtleitenden Material wie Kunststoff bestehen oder aus einem leitenden Material wie beispielsweise Metall. Wird der Behälter 104 gefüllt oder geleert, wird der Sensor 100 dazu verwendet, einen Grenzstand zu detektieren. Der Sensor 100 kann autark sein, d.h. keine drahtgebundene Verbindung mit seiner Außenwelt aufweisen, oder er kann, wie in 1 dargestellt, über ein Kabel mit beispielsweise einem Datengerät, einer Kommunikationsantenne, einer Stromversorgung, etc. verbunden sein. Ein Datengerät ist beispielsweise ein Rechner, ein Mobilfunktelefon, oder ein Clientgerät, über die Elektronik des Sensors Daten ausgeben kann und/oder Anweisungen empfangen kann.
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Das in 2 skizzierte Gehäuse 200 besteht komplett aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise Glas, Keramik oder auch Kunststoff. Somit sind keine Materialübergänge, insbesondere an der Außenseite vorhanden. Damit können sich keine Füllgutreste an derartigen Übergängen festsetzen, wodurch insbesondere die Reinigung des Sensors 100 stark vereinfacht wird. Ferner entfällt auch eine Abdichtung zum Sicherstellen, dass keine Flüssigkeit oder Gas in das Sensorinnere dringt. Das Glas kann auch eine Folie zur mechanischen Stärkung aufweisen, so dass hier ein zwar ein zusätzliches Material im Gehäuse verwendet wird. Unter „Materialübergang“ wird in dieser Offenbarung jedoch, wie oben erwähnt, ein außenseitiger Übergang verstanden, der beispielsweise dadurch entsteht dass das Gehäuse aus einem Metallteil und einem Kunststoffteil zusammengesetzt wird, so dass quer zum Gehäuse eine Fuge verläuft, die insbesondere auch außenseitig auftritt.
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Die Montage am Behälter 104 kann beispielsweise, wie in 2 illustriert, durch ein im Glasgehäuse oder auf der Gehäuseaußenseite ausgebildetes Gewinde 206 erfolgen. Alternativ kann das Glas eine umlaufende Vertiefung aufweisen, in die beispielsweise eine Dichtung eingelegt werden kann, so dass der Sensor 100 in die Behälteröffnung gepresst werden kann.
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2 zeigt weitere Details des Sensors 100. Der Sensor 100 weist in seinem Inneren als Komponenten zumindest eine Elektronikeinheit 208 sowie eine Messelektrode 202 und eine Bezugselektrode 204 auf. Die Elektronikeinheit beinhaltet beispielsweise Auswerteelektronik, Signalverarbeitung und evtl. auch eine Stromversorgung und/oder einen Schaltkreis zur Stromversorgung. Insbesondere weist die Elektronikeinheit 208 einen Schwingkreis auf, dessen Resonanzfrequenz von der Kapazität abhängt, die durch die Messelektrode 202 und die Bezugselektrode 204 gebildet werden. Die Kapazität und damit die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ändert sich, sobald zum Beispiel beim Füllen eines Behälter das Füllgut in die Nähe der Messelektrode 202 gelangt. Eine starke Änderung ergibt sich, sobald das Füllgut die Messspitze mit der Messelektrode 202 erreicht, bzw. wenn die Füllhöhe zwischen den beiden Elektroden 202, 204 liegt. Ein Grenzstand kann somit ermittelt werden, wenn die Abweichung der Resonanzfrequenz von der nominellen Frequenz, d.h. ohne Füllgut, einen Schwellwert überschreitet. Die Komponenten können entweder im oder am Gehäuse 200 montiert sein oder mit dem Gehäusematerial zumindest teilweise vergossen sein. Ferner kann das Gehäuse auch teilweise oder komplett mit einem Verguss aus beispielsweise Gießharz gefüllt sein.
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Zur Kommunikation können Schaltkreise und Antennen, die nach einem Mobilfunk- oder Drahtlosstandard wie beispielsweise 3G, 4G, 5G bzw. NFC, Bluetooth, LoRa WAN, WiFi, ZigBee, WLAN, oder weiteren Drahtlosstandards Anwendung finden. Die Schaltkreise hierfür können Teil der Elektronikeinheit 208 sein. Auch die entsprechenden Antennen können Teil der Elektronikeinheit 208 sein und beispielsweise auf einer Platine der Elektronikeinheit 208 montiert sein, oder als gesonderte Bauteile in dem Gehäuse 200 angeordnet sein. Ist weiterhin eine unabhängige Stromversorgung im Sensor 100 vorhanden, die z.B. durch Batterien oder sogenannte Energy Harvesting-Einheiten gewährleistet wird, dann ist der komplette Sensor 100 autark. In nicht-autarken Ausführungsformen wird ein Kabel 102 aus dem Sensor 100 herausgeführt. Das Kabel 102 kann je nach Ausgestaltung des Sensors 100 Daten, Strom und/oder Antennensignale in den Sensor 100 hinein- bzw. aus dem Sensor 100 herausführen. Das Kabel 102 wird vorzugsweise mit dem Gehäusematerial, z.B. Glas oder Keramik, umschmolzen oder im Falle eines Kunststoffgehäuses umspritzt, so dass keine Abdichtung notwendig ist oder gegebenenfalls in eine Kabeldurchführung gepresst, wobei das Kabel 102 mit einem elastischen Material ummantelt ist und/oder die Kabeldurchführung eine Dichtung aufweist.
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Liste der Bezugszeichen
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- 100
- Industrieller Sensor, elektrischer Resonanzschwinger
- 102
- Kabel
- 104
- Behälter
- 200
- Gehäuse
- 202
- Messelektrode
- 204
- Bezugselektrode
- 202, 204
- Messanordnung, Elektroden
- 206
- Prozessanschlussstruktur, Gewinde
- 208
- Elektronikeinheit
