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Die
Erfindung betrifft eine Sonde der im Oberbegriff des Hauptanspruches
spezifizierten Art.
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In
Behältern,
an denen derartige Sonden zum Einsatz kommen sollen, herrschen zum
Teil sehr hohe Betriebstemperaturen, z. B. 300°C. In den Kopfgehäusen der
Sonden befinden sich vielfach elektronische Schaltungseinheiten.
Dadurch liegt die maximal zulässige
Einsatztemperatur der Kopfgehäuse,
z. B. 70°C,
wesentlich unter den Betriebstemperaturen der Behälter.
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In
der Druckschrift
EP
0 268 742 A1 ist eine Gehäuseeinrichtung mit einem Druckausgleich,
insbesondere für
einen Drucksensor offenbart. Die offenbarte Gehäuseeinrichtung weist unter
anderem eine Öffnung
für den
Druckausgleich auf.
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Eine
bekannte derartige Sonde (
DE
82 16 323 U1 ) weist zwischen dem Befestigungsgehäuse und
dem Kopfgehäuse
einen Halsteil auf, der dazu dient, zwischen dem Behälter und
dem Kopfgehäuse einen
temperaturreduzierenden Abstand zu schaffen. Die radialen Kühlrippen
am Halsteil der bekannten Sonde haben sich als nicht vorteilhaft
erwiesen. Durch den für
die Sonden verfügbaren
Einbauraum bestehen Grenzen für
die Länge
des Halsteiles. Gezeigt hat sich, dass trotz der üblichen
Wärmedämmung des
Behälters
innerhalb der bestehenden Längengrenzen
bei hohen Betriebstemperaturen nicht die erforderliche niedrige
Temperatur an dem Kopfgehäuse
erreicht wird.
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Ein
bekannte Temperaturmesssonde (
EP 0 246 436 A2 ) weist einen Halsteil mit
zwei Längenabschnitten
auf. Der an die Messstelle angrenzende Längenabschnitt besteht aus Metall.
Der andere Längenabschnitt
besteht aus Kunststoff. Dessen Wärmeleitfähigkeit
ist wesentlich geringer als die des ersten Längenabschnittes. Der erste,
metallene Längenabschnitt
des Halsteiles weist auch bei hoher Temperatur des Behälters die
notwendige Formstabilität
auf, während
die geringere Wärmeleitfähigkeit
des zweiten Längenabschnitt
zu einem großen
Temperaturabfall über
die restliche Länge
des Halsteiles führt.
So wird eine große
Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und dem Kopfgehäuse erzielt.
Die Sonde ist daher auch für
den Einsatz an Behältern
mit höherer Betriebstemperatur
geeignet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde der eingangs genannten
Art zu schaffen, die auch für
den Einsatz an Behältern
mit besonders hoher Betriebstemperatur geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Herrscht
im Behälter 2 eine
hohe Betriebstemperatur, unterbindet die Wärmedämmung 3 eine ungewollte
Wärmeabgabe
des Behälters 2 an
die Umgebung. Infolge Wärmeleitung
erwärmen
sich allerdings das Befestigungsgehäuse 1 und der angrenzende
erste Längenabschnitt 11.
Der erste dem Befestigungsgehäuse
benachbarte Längenabschnitt des
Halsteiles weist auch bei hoher Temperatur des Behälters und
damit des Befestigungsgehäuses
die notwendige Formstabilität
auf. Durch Wärmeabgabe an
die Umgebung nimmt mit zunehmendem Abstand zum Behälter 2 die
Temperatur des ersten Längenabschnittes 11 ab.
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Die
Querwand teilt den Innenraum des Halsteiles in einen behälterseitigen
und einen kopfgehäuseseitigen
Teilraum. Dadurch sind Konvektionströmungen der Luft im Halsteil
auf den jeweiligen Teilraum beschränkt. Die Temperaturdifferenz
zwischen dem Behälter
und dem Kopfgehäuse
wird dadurch weiter vergrößert. Die
Sonde kann daher auch an Behältern
mit besonders hoher Betriebstemperatur eingesetzt werden.
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Die
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gemäß Anspruch 2 führt aufgrund
der geringen Wärmeleitung
der Querwand zu einer ergänzenden Temperaturminderung
am Kopfgehäuse.
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Sollte
aus dem Behälter
Medium in den Halsteil eindringen, wird durch die Merkmale des Anspruches
3 verhindert, dass Medium in das Kopfgehäuse gelangt und dort zu Störungen oder
Beschädigungen führt. Die
Druckausgleichsöffnung
verhindert einen Druckanstieg im ersten Teilraum, sodass an die Druckfestigkeit
der Querwand und der Leiterabdichtung keine hohen Anforderungen
bestehen. Eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Leiterabdichtung
gibt der Anspruch 4 an. Medium kann beispielsweise in den Halsteil
eindringen, wenn der Sensor bzw. seine Abdichtung gegen das Medium
im Behälter
nicht völlig
diffusionsdicht ist oder wenn sich eine Leckage bildet.
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Besonders
fertigungs- und montagegünstig ist
es, die Querwand und den zweiten Längenabschnitt zu einem Bauteil
zu vereinen, wie es der Anspruch 5 vorsieht. Bei dieser Ausgestaltung
sind die Merkmale des Anspruches 6 für eine geringe Wärmekonvektion
im Halsteil von besonderem Vorteil. Dies gilt insbesondere, wenn
sich der zweite Längenabschnitt über die
gesamte Restlänge
des Halsteiles erstreckt.
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Der
Anspruch 7 hat eine Weiterbildung zum Gegenstand, in der der zweite
Längenabschnitt
auf einen geringen Teil der Gesamtlänge des Halsteiles beschränkt ist
und dennoch eine große
Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und dem Kopfgehäuse erzielt
wird. Die beschränkte
Baulänge
des zweiten Längenabschnittes
erlaubt die Verwendung eines relativ teueren Werkstoffes für den zweiten Längenabschnittes,
ohne die Gesamtkosten des Halsteiles in die Höhe zu treiben. Eine fertigungstechnisch
besonders einfache und kosten günstige Gestaltung
des ersten und des dritten Längenabschnittes
als Metallteile geben die Ansprüche
8 und 9 an.
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Die
Merkmale des Anspruches 10 führen
zu einer weiteren Vergößerung der
Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und dem Kopfgehäuse, indem
die Wärmeleitung
im Auflagebereich von Halsteil und Kopfgehäuse reduziert wird.
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Die
Ansprüche
11 und 12 geben einen besonders vorteilhaften Werkstoff für jene Partien
des Halsteiles an, die eine besonders geringe Wärmeleitung aufweisen sollen.
Der angegebene Kunststoff zeichnet sich nicht nur durch eine besonders
geringe Wärmeleitfähigkeit
aus; er weist zugleich auch eine relativ hohe Temperaturbeständigkeit
auf.
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Die
gemäß Anspruch
13 vorgesehene Steckverbindung zwischen den elektrischen Leitern
im ersten und zweiten Längenabschnitt
des Halsteiles bietet eine besonders montagegünstige elektrische Verbindung
für den
Sensor.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Sonde
dargestellt. Es zeigt
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1 eine
erste Sonde in Ansicht mit teilweiser Schnittdarstellung und
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2 eine
zweite Sonde in Ansicht mit teilweiser Schnittdarstellung.
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In
den 1 und 2 weist jeweils die Sonde ein
Befestigungsgehäuse 1 auf,
mit dem sie an einem Behälter 2 angebracht
ist, der außenseitig eine
Wärmedämmung 3 aufweist.
An dem Befestigungsgehäuse 1 ist
ein in den Behälter 2 hineinragender
Sensor 4 vorgesehen, mit dem der Mediumfüllstand
im Behälter 2 überwacht
werden soll. Außerhalb
des Behälters 2 trägt das Befestigungsgehäuse 1 einen
sich vom Behälter 2 wegerstreckenden,
aus der Wärmedämmung 3 herausragenden
Halsteil 5, an dessen behälterfernem Ende ein Kopfgehäuse 6 angeordnet
ist. Zwei elektrische Leiter 7, 8 erstrecken sich
durch den Halsteil 5 in das Kopfgehäuse 6. Sie sind mit
einer dort befindlichen elektronischen Schaltungseinheit 9 verbunden,
die wiederum mit einer elektrischen Anschlussleitung 10 in
Verbindung steht.
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Der
rohrförmig
gestaltete Halsteil 5 in 1 weist
zwei Längenabschnitte 11, 12 aus
unterschiedlichen Werkstoffen auf. Der erste, dem Befestigungsgehäuse 1 benachbarte
Längenabschnitt 11 besteht aus
einem metallenen Rohrabschnitt, der außerhalb der Wärmedämmung 3 eine
Druckausgleichsöffnung 13 aufweist.
Das behälterseitige
Ende des ersten Längenabschnittes 11 ist
fest auf einem zapfenförmigen
Ende des Befestigungsgehäuses 1 gehalten. Der
zweite, gleichfalls rohrförmige,
aber dem Kopfgehäuse 6 benachbarte
Längenabschnitt 12 besteht aus
Kunststoff, vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK). Das eine dem
Kopfgehäuse
zugewandte Ende des zweiten Längenabschnittes 12 weist
einen Boden 14 auf, an dem das Kopfgehäuse 6 befestigt ist
(Befestigungsmittel nicht dargestellt). Der Boden 14 ist
mit einer zentralen Durchtrittsöffnung 15 für die beiden
Leiter 7, 8 versehen. Das andere Ende des zweiten
Längenabschnittes 12 ist
mit seinem zapfenförmigen
Ende fest in dem behälterfernen
Ende des ersten Längenabschnittes 11 gehalten.
An seinem dortigen Ende weist der zweite Längenabschnitt 12 eine
Querwand 16 auf, durch die beide Leiter 7, 8 hindurchragen.
Ein auf der dem Kopfgehäuse 6 zugewandten
Seite in der Querwand 16 vorgesehener Aufnahmeraum 17 ist
mit einer Vergussmasse 18, vorzugsweise Silikon, gefüllt. Das
zum ersten Längenabschnitt 11 ragende
Ende des Leiters 8 ist als Stecker 19 ausgebildet.
Der Sensor 4 ist mit einem elektrischen Leiter 20 verbunden,
der im ersten Längenabschnitt 11 an
seinem behälterfernen
Ende eine Kontaktbuchse 21 aufweist.
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Bei
der Montage wird zunächst
der Leiter 7 (Massepotential) mit dem ersten, metallenen
Längenabschnitt 11 elektrisch
leitend verbunden, z. B. durch Anschweißen. Der Leiter 8 wird
durch die Querwand 16 in den zweiten Längenabschnitt 12 eingesteckt,
bis der Stecker 19 seine vorgesehene Position innehat.
Auch der Leiter 7 wird durch die Querwand 16 gezogen.
Anschließend
werden beide Längenabschnitte 11, 12 miteinander
verbunden, vorzugsweise durch Kleben. Die Vergussmasse 18 wird in
den Aufnahmeraum 17 eingebracht. Dies kann z. B. mittels
einer Portionierspritze durch die Durchtrittsöffnung 15 hindurch
geschehen. Dann wird der Halsteil 5 auf das Befestigungsgehäuse 1 aufgesetzt, sodass
eine feste und elektrisch leitende Verbindung zwischen beiden Teilen 1, 5 entsteht.
Zugleich kommen der Stecker 19 und die Kontaktbuchse 21 miteinander
in Eingriff und stellen eine zuverlässige elektrische Verbindung
zwischen dem Sensor 4 und dem Leiter 8 her. Schließlich wird
das Kopfgehäuse 6 an
dem Halsteil 5 befestigt.
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An
dessen behälterfernen
Ende hat die Temperatur einen Wert, bei dem auch der Werkstoff des zweiten
Längenabschnittes 12 die
notwendige Formstabilität
aufweist. Bedingt durch seine gegenüber dem ersten Längenabschnitt 11 wesentlich
geringere Wärmeleitfähigkeit
ergibt sich an dem zweiten Längenabschnitt 12 ein
entsprechend großer
Temperaturabfall. Aufgrund der Querwand 16 kann sich im
Innern des Halsteiles 5 keine durchgängige Konvektionströmung zwischen
Behälter 2 und
Kopfgehäuse 6 ausbilden.
Die Konvektionsströmung
im Innenraum 22 des ersten Längenabschnittes 11 ist
vielmehr von der im Innenraum 23 des zweiten Längenabschnittes 12 getrennt.
Außerdem
begrenzt die geringe Wärmeleitfähigkeit
der Querwand 16 den Wärmeaustausch zwischen
den beiden Innenräumen 22, 23.
Der starke Temperaturabfall, den der zweite Längenabschnitt 12 am
Halsteil 5 bewirkt, reduziert auch die Konvektionsströmung außen entlang
dem Halsteil 5. In Folge dessen herrscht, trotz hoher Betriebstemperatur
im Behälter 2,
am Kopfgehäuse 6 die
für eine
dauerhaft einwandfreie Funktion erforderliche niedrige Temperatur.
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Die
Vergussmasse 18 verschließt den Durchtritt der beiden
Leiter 7, 8 durch die Querwand 16, sodass
die beiden Innenräume 22, 23 des
Halsteiles 5 gegeneinander mediumdicht verschlossen sind.
Sollte aus dem Behälter 2 Medium
in den Innenraum 22 gelangen – z. B. weil die Abdichtung
des Sensors 4 im Befestigungsgehäuse 1 gegen das Medium
im Behälter
nicht völlig
diffusionsdicht ist oder eine Leckage auftritt – kann das eingedrungene Medium
durch die Druckausgleichsöffnung 13 nach
außen
in die Halsteilumgebung entweichen, ohne dass im Innenraum 22 ein
signifikanter Druckanstieg erfolgt. Die mediumdichte Querwand 16 verhindert, dass
Medium in den Innenraum 23 und von dort in das Kopfgehäuse 6 gelangt.
Es kann daher weder zu einer Funktionsstörung im Kopfgehäuse 6 noch
zu einer Beschädigung
der Schaltungseinheit 9 führen. Da im Innenraum 22 kein
spürbarer
Druckanstieg erfolgt, müssen
die Querwand 16 und die Vergussmasse 18 keine
nennenswerte Druckfestigkeit besitzen.
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In 2 weist
der rohrförmig
gestaltete Halsteil 5 der Sonde vier Längenabschnitte 11, 24, 25, 26 auf.
Wie der erste 11 besteht auch der dritte Längenabschnitt 24 aus
einem metallenen Rohrabschnitt. Die einander zugewandten Enden dieser
beiden Längenabschnitte 11, 24 sind
mit Abstand zueinander angeordnet. Zwischen ihnen befindet sich
der als Distanzring ausgebildete zweite Längenabschnitt 25, der
die von beiden Leitern 7, 8 durchsetzte Querwand 16 mit
dem Aufnahmeraum 17 und der Vergussmasse 18 aufweist.
Der vierte Längenabschnitt 26 weist
den Boden 14 mit der Durchtrittsöffnung 15 auf und
ist als Distanzstück
zwischen dem Kopfgehäuse 6 und
dem benachbarten Ende des dritten Längenabschnittes 24 angeordnet. Der
zweite und der vierte Längenabschnitt 25, 26 bestehen
beide aus Kunststoff, vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK).
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Nachdem
bei der Sonde nach 2 der Leiter 7 (Massepotential)
mit dem ersten, metallenen Längenabschnitt 11 elektrisch
leitend verbunden ist, werden die beiden Leiter 7, 8 durch
die Querwand 16 des zweiten Längenabschnittes 25 gezogen.
Wenn der Stecker 19 in der Querwand 16 die vorgesehene Position
innehat, wird der zweite Längenabschnitt 25 mit
seinem einen zapfenförmigen
Ende in den ersten Längenabschnitt 11 eingesteckt,
und die Vergussmasse 18 wird in den Aufnahmeraum 17 eingefüllt. Dann
wird der dritte Längenabschnitt 24 auf
das andere zapfenförmige
Ende des zweiten Längenabschnittes 25 aufgesteckt
und der vierte Längenabschnitt 26 mit
seinem zapfenförmigen
Ende in den dritten Längenabschnitt 24 eingesteckt.
Die vier Längenabschnitte 11, 24, 25, 26 des
Halsteiles 5 werden fest miteinander verbunden, vorzugsweise
durch Kleben. Die restliche Montage entspricht der zu 1 beschriebenen.
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Der
erste und der dritte Längenabschnitt 11, 24 können sehr
kostengünstig
aus gängigem
Rohrhalbzeug gefertigt werden. Der zweite und der vierte Längenabschnitt 25, 26 können, insbesondere
bei geringerer Stückzahl
durch Drehbearbeitung in einfacher Weise aus Stangenhalbzeug gefertigt
werden. Aufgrund ihrer im Verhältnis
zur Gesamtlänge
des Halsteiles 5 relativ geringen Länge ist der Materialbedarf
für sie
relativ gering, was dann auch für
die Materialkosten gilt. Da der Aufnahmeraum 17 sehr gut zugänglich ist,
gestaltet sich auch das Einbringen der Vergussmasse 18 besonders
einfach. Der Halsteil 5 ist somit besonders fertigungs-
und kostengünstig. Die
beiden Längenabschnitte 25, 26 mit
besonders geringer Wärmeleitfähigkeit
in Kombination mit den anderen beiden Längenabschnitten 11, 24 haben
zur Folge, dass auch bei dieser Sonde zwischen dem Behälter 2 und
dem Kopfgehäuse 6 die
erforderliche große
Temperaturdifferenz vorhanden ist.
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Alternativ
zu der gezeigten senkrechten Anordnung des Halsteiles kann die Sonde
bei Bedarf auch mit schräg
oder waagerecht verlaufendem Halsteil eingebaut werden (nicht dargestellt).
Die Erfindung ist überdies
nicht auf Sonden mit Niveausensoren beschränkt, sondern auch für Sonden
mit anderen Sensoren zur Überwachung
von Medium in einem Behälter
geeignet, wie z. B. Temperatursensoren, Drucksensoren, Leitfähigkeitsensoren.
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- 1
- Befestigungsgehäuse
- 2
- Behälter
- 3
- Wärmedämmung
- 4
- Sensor
- 5
- Halsteil
- 6
- Kopfgehäuse
- 7,
8
- Leiter
- 9
- Schaltungseinheit
- 10
- Anschlussleitung
- 11,
12
- Längenabschnitte
- 13
- Druckausgleichsöffnung
- 14
- Boden
- 15
- Durchtrittsöffnung
- 16
- Querwand
- 17
- Aufnahmeraum
- 18
- Vergussmasse
- 19
- Stecker
- 20
- Leiter
- 21
- Kontaktbuchse
- 22,
23
- Innenräume
- 24–26
- Längenabschnitte