DE19540035A1 - Sonde mit wärmeisolierendem Halsteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde der im Oberbegriff des Hauptanspruches spezifizierten Art.

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 wesentlich unter den Betriebstemperaturen der Behälter, z. B. 70°C.

Eine bekannte derartige Sonde (DE-GM 82 16 323) 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch für den Einsatz an Behältern mit hoher Betriebstemperatur geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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 tritt zu seinem behälterfernen Ende hin am ersten Längenabschnitt eine Temperatursenkung ein. Unter der niedrigeren Temperatur besitzt auch der zweite Längenabschnitt die erforderliche Formstabilität. Die im Gegensatz zum ersten Längenabschnitt wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit hat zur Folge, daß über die restliche Länge des Halsteiles ein weiterer, besonders großer Temperaturabfall erfolgt. Die starke Temperaturabnahme am Halsteil hat eine verminderte Wärmekonvektion im Bereich des Halsteiles zur Folge. Alles in allem wird eine besonders große Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und dem Kopfgehäuse erzielt. Die Sonde ist daher gleichermaßen für den Einsatz an Behältern mit niedriger als auch an solchen mit besonders hoher Betriebstemperatur geeignet.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.

Die Merkmale des Anspruches 2 teilen den Innenraum des Halsteiles in einen behälterseitigen und einen kopfgehäuseseitigen Teilraum. Konvektionsströmungen der Luft im Halsteil sind auf den jeweiligen Teilraum beschränkt, was die Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und dem Kopfgehäuse weiter vergrößert. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine geringe Wärmeleitung durch die Querwand, wie sie der Anspruch 3 ergänzend vorsieht.

Sollte aus dem Behälter Medium in den Halsteil eindringen, dann wird durch die Merkmale des Anspruches 4 verhindert, daß Medium in das Kopfgehäuse gelangt und dort zu Störungen oder Beschädigungen führt. Die Druckausgleichsöffnung verhindert einen Druckanstieg im ersten Teilraum, so daß an die Druckfestigkeit der Querwand und der Leiterabdichtung keine hohen Anforderungen bestehen. Eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Leiterabdichtung gibt der Anspruch 5 an. Medium kann beispielsweise dann 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.

Besonders fertigungs- und montagegünstig ist es, die Querwand und den zweiten Längenabschnitt zu einem Bauteil zu vereinen, wie es der Anspruch 6 vorsieht. Bei dieser Ausgestaltung sind die Merkmale des Anspruches 7 für eine geringe Wärmekonvektion im Halsteil von besonderem Vorteil; dies gilt insbesondere, wenn sich der zweite Längenabschnitt über die gesamte Restlänge des Halsteiles erstreckt.

Der Anspruch 8 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 kostengünstige Gestaltung des ersten und des dritten Längenabschnittes als Metallteile geben die Ansprüche 9 und 10 an.

Die Merkmale des Anspruches 11 führen zu einer weiteren Vergößerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Behälter und dem Kopfgehäuse, indem die Wärmeleitung im Auflagebereich von Halsteil und Kopfgehäuse reduziert wird.

Die Ansprüche 12 und 13 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.

Die gemäß Anspruch 14 vorgesehene Steckverbindung zwischen den elektrischen Leitern im ersten und zweiten Längenabschnitt des Halsteiles bietet eine besonders montagegünstige elektrische Verbindung für den Sensor.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sonde dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Sonde in Ansicht mit teilweiser Schnittdarstellung und

Fig. 2 eine zweite Sonde in Ansicht mit teilweiser Schnittdarstellung.

In den Fig. 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.

Der rohrförmig gestaltete Halsteil 5 in Fig. 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.

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, so daß 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.

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; deren Werkstoffe weisen auch bei hoher Betriebstemperatur die notwendige Formstabilität auf. Durch Wärmeabgabe an die Umgebung nimmt mit zunehmendem Abstand zum Behälter 2 die Temperatur des ersten Längenabschnittes 11 ab. 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 Konvektionsströmung 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. Alle diese Faktoren zusammen haben zur Folge, daß trotz hoher Betriebstemperatur im Behälter 2 am Kopfgehäuse 6 die für eine dauerhaft einwandfreie Funktion erforderliche niedrige Temperatur herrscht.

Die Vergußmasse 18 verschließt den Durchtritt der beiden Leiter 7, 8 durch den Boden 14, so daß 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 - dann kann das eingedrungene Medium durch die Druckausgleichsöffnung 13 nach außen in die Halsteilumgebung entweichen, ohne daß im Innenraum 22 ein signifikanter Druckanstieg erfolgt. Der mediumdichte Boden 14 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 der Boden 14 und die Vergußmasse 18 keine nennenswerte Druckfestigkeit besitzen.

In Fig. 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).

Nachdem bei der Sonde nach Fig. 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 Fig. 1 beschriebenen.

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.

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, Leitfähigkeitssensoren.

Bezugszeichenliste

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

Claims (15)

1. Sonde zur Überwachung von Medium in einem Behälter mit

• - einem Befestigungsgehäuse zur Anbringung der Sonde am Behälter,
• - mindestens einem am Befestigungsgehäuse vorgesehenen Sensor,
• - einem mit Abstand zum Befestigungsgehäuse angeordneten Kopfgehäuse und
• - einem das Kopfgehäuse mit dem Befestigungsgehäuse verbindenden Halsteil, durch den sich mindestens ein elektrischer Leiter erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Halsteil (5)

• - einen ersten, dem Befestigungsgehäuse (1) benachbarten Längenabschnitt (11) aufweist, der aus einem Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit besteht, die für hohe Betriebstemperaturen im Behälter (2) geeignet ist, und
• - einen zweiten Längenabschnitt (12, 25) aufweist, der an das dem Befestigungsgehäuse (1) ferne Ende des ersten Längenabschnittes (11) anschließt und aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Werkstoffes des ersten Längenabschnittes (11).

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsteil (5) mit Abstand zu seinen Enden eine vom Leiter (7, 8) durchsetzte Querwand (16) aufweist.

3. Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (16) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Werkstoffes des ersten Längenabschnittes (11).

4. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchtritt des Leiters (7, 8) in der Querwand (16) abgedichtet ist und der erste Längenabschnitt (11) eine seinen Innenraum (22) mit der Halsteilumgebung verbindende Druckausgleichsöffnung (13) aufweist.

5. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (16) im Bereich des Durchtritts einen Aufnahmeraum (17) aufweist, in den eine Vergußmasse (18) als Dichtung eingebracht ist.

6. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Längenabschnitt (12, 25) und die Querwand (19) zu einem Bauteil vereint sind.

7. Sonde nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (19) das an den ersten Längenabschnitt (11) angrenzende Ende des zweiten Längenabschnittes (12) bildet.

8. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Längenabschnitt (25) als Distanzring ausgebildet ist, der sich zwischen dem ersten und einem dritten Längenabschnitt (11, 24) des Halsteiles (5) befindet.

9. Sonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Längenabschnitt (24) des Halsteiles (5) aus einem metallenen Rohrabschnitt besteht.

10. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Längenabschnitt (11) des Halsteiles (5) aus einem metallenen Rohrabschnitt besteht.

11. Sonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsteil (5) zwischen dem Kopfgehäuse (6) und dem dritten Längenabschnitt (24) einen vierten Längenabschnitt (26) aufweist, der aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Werkstoffes des dritten Längenabschnittes (24).

12. Sonde nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Längenabschnitt (12, 25, 26) mit geringer Wärmeleitfähigkeit aus Polyetheretherketon (PEEK) besteht.

13. Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwand (16) aus Polyetheretherketon (PEEK) besteht.

14. Sonde nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein erster, mit dem Sensor (4) verbundener elektrischer Leiter (20) in dem ersten Längenabschnitt (11) des Halsteiles (5) angeordnet ist,
• - ein zweiter elektrischer Leiter (8) in dem restlichen Teil (12; 24, 25, 26) des Halsteiles (5) angeordnet ist und die Querwand (16) zum ersten Längenabschnitt (11) hin durchsetzt und
• - beide (8, 20) Leiter an ihren einander benachbarten Enden mit ineinandergreifenden elektrischen Steckverbindungen (19, 21) versehen sind.