DE3545751A1 - Fuehlervorrichtung zur messung einer physikalischen groesse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fühlervorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einem Fühler­ element, das in einer Kapsel angeordnet ist, und elek­ trischen Leitungen, die in einem mit der Kapsel dicht verbundenen Rohr angeordnet sind, zur Verbindung mit einer Steuerschaltung, wobei die Kapsel und das Rohr insbesondere aus Metall bestehen.

Bei einer bekannten Fühlervorrichtung dieser Art (DE-OS 23 37 035) nimmt ein einseitig geschlossenes und am anderen Ende mit einer Schraubbuchse versehenes gerades Metallrohr im Bereich des geschlossenen Endes mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand auf, der über elektrische Leitungen mit Steckstiften oder anderen Anschlüssen im Bereich der Buchse verbunden ist. Das Metallrohr ist im Bereich des Widerstandes mit einer wärmeleitenden Paste und im übrigen Innenraum ebenso wie die Buchse mit Gießharz gefüllt. Der Temperaturfühler kann zur Überwachung der Temperatur von Gasen oder Flüs­ sigkeiten in schlagwetter- oder explosionsgefährdeten Räumen, insbesondere im Bergbau unter Tage, verwendet werden.

Eine solche Fühlervorrichtung ist unhandlich. Wegen der Verwendung des geraden Metallrohrs eignet sie sich nur für wenige Anwendungszwecke. Zwar ist das Fühlerele­ ment anfänglich durch die Gießharzfüllung gegen Einflüs­ se aus der umgebenden Atmosphäre geschützt. Bei ungün­ stigen Bedingungen im Meßraum kann aber Feuchtigkeit durch Kapillarwirkung und Diffusion bis an das Fühler­ element gelangen, wodurch die Lebensdauer begrenzt wird. Dies gilt insbesondere, wenn das geschlossene Ende kälter ist als das andere offene Ende und der Meßraum eine feuchte Atmosphäre aufweist. Denn dann kondensiert Feuch­ tigkeit im Fühlerbereich, was einer Art Pumpwirkung in Richtung auf diesen Bereich entspricht. Außerdem können die aus dem Rohr austretenden elektrischen Lei­ tungen korrodieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fühlervor­ richtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die den jeweiligen Anwendungszwecken besser als bisher ange­ paßt werden kann und eine lange Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohr aus einem solchen Material besteht und einen so geringen Durchmesser hat, daß es von Hand in eine gewünschte Endform biegbar ist, daß das dem Fühlerelement abgewandte Ende mit einem Verschlußelement versehen ist und daß die Innenräume von Kapsel und Rohr nach außen hermetisch abgedichtet sind.

Bei dieser Ausbildung der Fühlervorrichtung kann das Rohr nach Belieben von Hand gebogen werden. Für jeden Anwendungszweck läßt sich daher die Kapsel mit dem Füh­ lerelement an der Meßstelle anordnen und dann das Rohr mit den Leitungen unabhängig davon in eine Form bringen, die dem Meßraum angepaßt ist. Insbesondere kann das Rohr an einer beliebigen Stelle aus dem Meßraum heraus­ geführt werden, so daß für die elektrischen Leitungen dort, wo sie aus der Kapselung austreten, keine Gefähr­ dung mehr durch die Atmosphäre des Meßraumes gegeben ist. Durch die hermetische Abdichtung der Innenräume ist sichergestellt, daß auch nach längerer Betriebszeit keine Feuchtigkeit zum Fühlerelement gelangt. Darüber hinaus erlaubt es die hermetische Abdichtung, den Innen­ raum von Kapsel und Rohr von einer abdichtenden Füllung freizuhalten. Entsprechend leicht ist es, das Rohr von Hand zu biegen.

Das Rohr sollte eine verhältnismäßig große Länge haben. Empfehlenswert sind 0,5 m bis 5 m, vorzugsweise 1 m bis 2 m. Auf diese Weise ist es bei praktisch allen Anwendungen möglich, das Rohr an einer geeigneten Stelle aus dem Meßraum nach außen zu führen. Hierbei schadet es auch nichts, wenn in manchen Fällen das Rohr eine etwas zu große Länge hat, weil eine Verkürzung durch Einbeziehung von einer oder mehreren Windungen jederzeit möglich ist.

Da das Rohr lediglich die Leitungen aufnehmen muß, kann es einen sehr kleinen Außendurchmesser haben, empfehlens­ wert sind 2 mm bis 4 mm, vorzugsweise etwa 3 mm. Selbst ein Metallrohr mit diesem Durchmesser läßt sich noch sehr leicht von Hand biegen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Rohr ein Kapillarrohr. Solche Kapillarrohre sind bei Ther­ mostatventilen zur Dampfdruckübertragung von einem Tem­ peraturfühler zu einem Ventil-Arbeitsbalg seit langem bewährt. Sie sind leicht biegbar. Ihr Innendurchmesser reicht aus, um die erforderlichen Leitungen aufzunehmen.

Kapsel und Rohr können, müssen aber nicht einstückig ausgebildet sein. In vielen Fällen ist es günstiger, wenn die Kapsel einen größeren Durchmesser als das Rohr hat und die beiden getrennt voneinander hergestellten Teile über eine hermetisch dichte Naht miteinander ver­ bunden sind.

Auf diese Weise kann man ein übliches Fühlerelement in Verbindung mit einem sehr leicht biegbaren Metall­ rohr anwenden.

In den meisten Fällen empfiehlt es sich, daß das Ver­ schlußelement eine mindestens einpolige elektrische Durchführung aufweist. Auf diese Weise können die Signal­ ströme bzw. die Versorgungsströme durch die Wand der hermetisch gekapselten Anordnung geleitet werden. Bei einer nur einpoligen Durchführung kann die zweite Leitung durch das kapselnde Metall gebildet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Ströme transformatorisch zu übertragen.

Bei einer Ausführungsform ist das Verschlußelement ein Metallring, der einen von mindestens einem Durchführungs­ stift durchsetzten Schmelzglas-Einsatz umschließt und an dem Ende des Rohres hermetisch dicht angebracht ist. Solche Durchführungen können auch mit verhältnismäßig kleinen Abmessungen hergestellt werden.

Mit besonderem Vorteil ist das Verschlußelement ein Gehäuse, in dem sich die Steuerschaltung befindet. Auch die Auswertung des Fühlersignals erfolgt daher im Innern der Kapselung. Die Steuerschaltung nimmt also an dem Schutz durch hermetischen Abschluß teil, so daß auch dessen Lebensdauer groß ist, gleichgültig, ob sich das Gehäuse innerhalb oder außerhalb des Meßraumes befindet.

Mit Vorteil weist die Steuerschaltung eine Sollwert-Ein­ stellvorrichtung auf, die durch die hermetisch geschlos­ sene Wand des Gehäuses hindurch betätigbar ist. Dies kann beispielsweise unter Verwendung einer elektrischen Durchführung geschehen. Andere Alternativen bestehen darin, daß die Sollwert-Einstellvorrichtung einen Magnet­ feld-Detektor aufweist, der von einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Magneten beeinflußbar ist, oder daß die Sollwert-Einstellvorrichtung mindestens ein strahlungsempfindliches Element aufweist, daß mit Strah­ lung von einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Strah­ lungsquelle beaufschlagbar ist.

Die Innenräume können evakuiert oder mit einem Schutz­ gas, wie Stickstoff, gefüllt sein. Hierdurch wird der Schutz noch verbessert.

Eine bevorzugte Anwendung der Fühlervorrichtung besteht in der Messung in einem feuchten Meßraum, insbesondere der Temperaturmessung in einem Kühl- oder Gefrierraum, wobei sich das Fühlerelement in diesem Raum und das Verschlußelement außerhalb dieses Raumes befindet. Die hermetische Kapselung stellt sicher, daß die feuchte Atmosphäre im Meßraum nicht bis zum Fühlerelement und den Leitungen gelangen kann. Insbesondere besteht auch keine Gefahr, daß während des Abtauens Feuchtigkeit in das Innere der Kapselung dringt und beim anschließen­ den Unterschreiten der Null-Temperatur durch Eisbildung Sprengungen hervorruft.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Fühlervor­ richtung,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch das Verschluß­ ende,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines zweiten Aus­ führungsbeispiels,

Fig. 4 eine erste Art der Verbindung zwischen Metall­ rohr und Metallgehäuse der Fig. 3,

Fig. 5 eine Alternative zu Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Alternative zu Fig. 4,

Fig. 7 in einem Teilschnitt durch das Gehäuse eine Aus­ führungsform einer Sollwert-Einstellvorrichtung,

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform einer Sollwert-Ein­ stellvorrichtung,

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform einer Sollwert-Ein­ stellvorrichtung,

Fig. 10 eine erste Ausführungsform der Metallkapsel für das Fühlerelement,

Fig. 11 eine zweite Ausführungsform einer Metallkapsel für das Fühlerelement,

Fig. 12 eine dritte Ausführungsform einer Metallkapsel für das Fühlerelement,

Fig. 13 eine vierte Ausführungsform einer Metallkapsel für das Fühlerelement und

Fig. 14 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch einen Kühlschrank.

Die Fühlervorrichtung der Fig. 1 und 2 weist eine Metall­ kapsel 1 auf, in der sich ein Fühlerelement 2 befindet. Es handelt sich um einen Temperaturfühler, insbesondere einen temperaturabhängigen Widerstand. Er kann aber auch auf andere physikalische Größen, beispielsweise auf Druck, auf den magnetischen Fluß, auf mechanische Schwingungen, auf Strahlungsfelder usw. ansprechen, sofern das Metall der Kapsel entspprechend gewählt ist.

An die Kapsel 1 schließt sich ein dünnes Metallrohr 3 an, in dem zwei elektrische Leitungen 5 und 6 verlaufen, welche das Fühlerelement 2 mit den beiden Stiften 7 und 8 einer Durchführung 9 verbinden. Diese ist am ande­ ren Ende des Metallrohres 3 vorgesehen und bildet den Teil eines Verschlußelements 10. Dieses weist einen Ring 11 mit L-förmigem Querschnitt und einen die Stifte 7 und 8 umschließenden Schmelzglas-Einsatz 12 auf. Dieses Durchführungs-Verschlußelement 10 kann ein handelsüb­ liches Bauelement sein. Es ist hermetisch dicht, bei­ spielsweise durch Löten, Schweißen oder Kleben, mit dem Metallrohr 3 verbunden. Der Innenraum 13 von Metall­ kapsel 1 und Metallrohr 3 ist evakuiert und anschlie­ ßend mit Stickstoff gefüllt worden.

Das Metallrohr 3 hat einen Außendurchmesser von 3 mm und einen Innendurchmesser von 2 mm. Seine Länge L liegt zwischen 0,5 m und 5 m, im vorliegenden Fall bei 1,5 m. Das Rohrmaterial ist Messing. Es handelt sich um ein übliches Kapillarrohr, das für Thermostatventile bereits fabriziert wird. Dieses Metallrohr läßt sich leicht von Hand in beliebige Formen biegen. Wegen der hermeti­ schen Kapselung kann die äußere Atmosphäre, beispiels­ weise feuchte Luft, keinen Einfluß auf das Fühlerele­ ment 2 und die Leitungen 5, 6 nehmen. Wegen der Länge des Metallrohrs 3 kann die Durchführung 9 außerhalb des eigentlichen Meßraums angeordnet werden, so daß die außen anschließenden elektrischen Leitungen keiner schädlichen Beeinflussung durch die Meßraumatmosphäre ausgesetzt sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 werden für gleiche Teile dieselben Bezugszeichen und für entsprechende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen gegenüber Fig. 1 und 2 benutzt. Als Verschlußelement 110 dient ein Metall­ gehäuse 14, das eine elektrische Steuerschaltung 15 umschließt. Diese Steuerschaltung ist auf einer Platine 16 montiert. Sie ist einerseits mit den Leitungen 5 und 6 verbunden und andererseits mit Leitungen, die zu einer Durchführung 109 in der Seitenwand des Gehäuses 14 führen. Hier kann die Stromversorgung angeschlossen beziehungsweise können Meßsignale, welche die vom Fühler­ element 2 gemessenen Werte kennzeichnen, abgenommen werden.

An der Übergangsstelle zwischen dem Metallrohr 3 und der Deckwand 17 des Metallgehäuses 14 ist eine hermetisch dichte Verbindungsnaht 18 vorgesehen. Ausführungsformen hierfür sind in den Fig. 4 bis 6 veranschaulicht. Gemäß Fig. 4 hat das Metallrohr 3 einen stirnseitigen Flansch 19, der flächig mit der der Deckwand 17 des Gehäuses 14 verbunden ist. In Fig. 5 hat das Metallrohr 3 einen durch Stauchen erzeugten Wulst 20, der mit der Deckwand 17 verbunden ist. Und in Fig. 3 ist die Deckwand 17 mit einem Durchzug 21 versehen, in welchen das unverform­ te Metallrohr eingeschoben ist. Als Verbindungsmaterial 22 kommt Schweißmasse, Lot oder ein spezieller Kunst­ stoffkleber in Betracht.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 7 bis 9 weisen die Steuerschaltungen 115, 215 und 315 im Gehäuse 114, 214 und 314 jeweils eine Sollwert-Einstellvorrichtung auf, die von außen verstellt werden kann. In Fig. 7 trägt die Platine 116 einen Magnetfeld-Detektor 131, beispiels­ weise einen Hall-Generator, der von einem außerhalb des Gehäuses verschiebbaren Magneten 132 betätigbar ist. In diesem Fall muß das Gehäuse 114 für das Magnet­ feld durchlässig sein. In Fig. 8 weist die Sollwert-Ein­ stellvorrichtung ein strahlungsempfindliches Element 231 in der Form eines Photoschalters oder Phototran­ sistors auf, der durch ein hermetisch dichtes Fenster 233 von einer Strahlungsquelle 232 in der Form einer Leuchtdiode bestrahlt werden kann. In Fig. 9 ist ein Phototransistor 331 mit seinem Metallgehäuse 333 herme­ tisch dicht in die Gehäusewand eingeschweißt und kann wiederum von einer Leuchtdiode 232 bestrahlt werden. Wenn man vier solche strahlungsempfindlichen Elemente vorsieht, kann bei entsprechender Kodierung eine Umschal­ tung auf 16 verschiedene Einstellungen des Sollwerts erfolgen.

Fig. 10 zeigt, daß die Kapsel 101 für das Fühlerelement 2 einfach dadurch gebildet wird, daß das Metallrohr 3 an seinem vorderen Ende 23 zusammengedrückt und zugelö­ tet wird.

Gemäß Fig. 11 ist an das Metallrohr 3 eine Metallkapsel 1 größeren Durchmessers angesetzt, wobei diese Teile durch eine ringförmige Verbindungsnaht 24 hermetisch dicht miteinander verbunden sind. Insbesondere handelt es sich um eine Schweißnaht.

Während bisher temperaturabhängige Fühlerelemente 2 veranschaulicht worden sind, zeigen die Fig. 12 und 13 druckempfindliche Fühlerelemente. In Fig. 12 ist ein Spannungsmeßstreifen (strain-gauge) 402 an einer Membran 434 angebracht, welche eine Kapsel 401 ver­ schließt. Wenn sich die Membran 434 in Abhängigkeit vom äußeren Druck durchbiegt, ändern sich die Werte des Spannungsmeßstreifens 402.

In Fig. 13 ist als druckabhängiges Fühlerelement ein Silicium-Transducer 502 vorgesehen, der zusammen mit einer Füllung aus Silikon oder Silikon-Öl 535 zwischen einer festen Wand 536 und einer Membran 534 angeordnet ist. Bei einem äußeren Druck erfolgt eine entsprechende Druckübertragung auf das Fühlerelement 502.

Als Material für die Metallrohre kommt rostfreier Stahl, Kupfer, Messing, o. dgl. in Betracht.

Wenn Kunststoffrohre verwendet werden, kann bei einer Verbindung entsprechend Fig. 4 oder bei der Zusammen­ drückung am Ende 23 (Fig. 10) eine Verklebung oder eine Ultraschallschweißung angwendet werden.

Fig. 14 zeigt einen Kühlschrank 25 mit einem Kühlraum 26, der sich in einem isolierten Gehäuse 27 befindet und durch eine isolierte Tür 28 zugänglich ist. Im In­ nern des Kühlraumes befindet sich ein Verdampfer 29, der von einer gekapselten Kleinkältemaschine 30 über einen nicht veranschaulichten Kondensator mit Kältemittel versorgt wird. Die Fühlervorrichtung der Fig. 3 ist derart eingebaut, daß die Metallkapsel 1 mit dem Fühler­ element 2 neben dem Verdampfer 29 angeordnet ist. Das Metallrohr 3 mit den elektrischen Leitungen führt durch eine abgedichtete Offnung 31 im Gehäuse 27. Das Metall­ gehäuse 14 mit der Steuerschaltung befindet sich an der Rückwand des Kühlschranks 25. Es braucht dann nur noch die Verbindung zwischen der Steuerschaltung 15, dem Netz und der Kleinkältemaschine 30 hergestellt zu werden. Selbstverständlich kann das Kühlmöbel auch einen anderen Aufbau haben, wie er beispielsweise für Ge­ schäfts- und Ladenkühlmöbel üblich ist.

Für den hermetisch dichten Abschluß können insbesondere alle Maßnahmen angewendet werden, die bei Kälteanlagen mit hermetisch gekapselten Kleinkältemaschinen üblich sind.

Claims (14)

1. Fühlervorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einem Fühlerelement, das in einer Kapsel angeordnet ist, und elektrischen Leitungen, die in einem mit der Kapsel dicht verbundenen Rohr angeordnet sind, zur Verbindung mit einer Steuerschaltung, wobei die Kapsel und das Rohr insbesondere aus Metall be­ stehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) aus einem solchen Material besteht und einen so ge­ ringen Durchmesser hat, daß es von Hand in eine ge­ wünschte Endform biegbar ist, daß das dem Fühlerele­ ment (2) abgewandte Ende mit einem Verschlußelement (10; 110) versehen ist und daß die Innenräume (13) von Kapsel (1; 401; 501) und Rohr nach außen herme­ tisch abgedichtet sind.

2. Fühlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (3) eine Länge von 0,5 m bis 5 m, vorzugsweise 1 m bis 2 m, hat.

3. Fühlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) einen Außen­ durchmesser von 2 mm bis 4 mm, vorzugsweise etwa 3 mm, hat.

4. Fühlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) ein Ka­ pillarrohr ist.

5. Fühlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (1) einen größeren Durchmesser als das Rohr (3) hat und die beiden getrennt voneinander hergestellten Teile über eine hermetisch dichte Naht (24) miteinander verbunden sind.

6. Fühlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (10; 110) eine mindestens einpolige elektrische Durch­ führung (9; 109) aufweist.

7. Fühlervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verschlußelement (10) einen Metall­ ring aufweist, der einen von mindestens einem Durch­ führungsstift (7, 8) durchsetzten Schmelzglas-Einsatz (12) umschließt und an dem Ende des Metallrohres (3) hermetisch dicht angebracht ist.

8. Fühlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (110) ein Gehäuse (14; 114; 214; 314) ist, in dessen ebenfalls nach außen hermetisch abgedichteten Innen­ raum sich die Steuerschaltung (15; 115; 215; 315) befindet.

9. Fühlervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerschaltung (115; 215; 315) eine Sollwert-Einstellvorrichtung aufweist, die durch die hermetisch geschlossene Wand des Gehäuses (114; 214; 314) hindurch betätigbar ist.

10. Fühlervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sollwert-Einstellvorrichtung einen Magnetfeld-Detektor (131) aufweist, der von einem außerhalb des Gehäuses (114) angeordneten Magneten (132) beeinflußbar ist.

11. Fühlervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sollwert-Einstellvorrichtung min­ destens ein strahlungsempfindliches Element (231; 331) aufweist, das mit Strahlung von einer außerhalb des Gehäuses (214; 314) angeordneten Strahlungsquelle (232; 332) beaufschlagbar ist.

12. Fühlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume eva­ kuiert sind.

13. Fühlervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume (13) mit einem Schutzgas gefüllt sind.

14. Anwendung der Fühlervorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 13 zur Messung in einem feuchten Meß­ raum, insbesondere zur Temperaturmessung in einem Kühl- oder Gefrierraum (26), wobei sich das Fühler­ element (2) in diesem Raum und das Verschlußelement (110) außerhalb dieses Raums befindet.