Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steckverbinderkupplung, insbesondere eine Steckverbinderkupplung für Sensoren. Diese Sensoren können beispielsweise Sensoren der Prozeßmeßtechnik und der Analysemeßtechnik sein. Zu den erfindungsgemäßen Sensoren gehören u.a. potentiometrische Sensoren, wie pH-Sensoren oder Redox-Sensoren, amperometrische Sensoren, turbidimetrische Sensoren, Drucksensoren, Füllstandssensoren, Durchflußsensoren, Feuchtesensoren, Temperatursensoren, sowie spektrometrische und chromatographische Sensoren und Sensoren zur Bestimmung der gelösten Gaskonzentration oder lonenkonzentration in einem Medium.

Die genannten Sensoren haben gewöhnlich einen modularen Aufbau mit einem Sensormodul und einem Umformermodul. Das Sensormodul weist einen Sensor zum Erfassen einer zu messenden Größe und eine Sensorschnittstelle für das Umformermodul auf, über welche Daten und ggf. Energie übertragen werden. Das Sensormodul kann zudem elektronische Schaltungen zur Prozessierung des Signals des Elementarsensors aufweisen. Der Umformer weist gewöhnlich eine weitere Schaltung zur Verarbeitung des Meßsignals und einen Signalausgang auf, über den ein den Meßwert repräsentierendes Signal, beispielsweise als 4 .. 20 mA-Stromsignal oder nach dem Profibus, Foundation Fieldbus oder einem anderen Protokoll ausgegeben wird.

Die mechanische Kopplung der Sensorschnittstelle mit einer Umformerschnittstelle bzw. mit einem Steckkopf, an den die Sensorschnittstelle angeschlossen wird, erfolgt gewöhnlich über den Reibschluß zwischen komplementären elektrisch leitenden Kontaktflächenpaaren wie Buchsen und Stiften und häufig über eine zusätzliche mechanische Sicherung, beispielsweise mit einer Sicherungsüberwrurfsmutter. Die Sicherungsüberwurfsmutter ist beispielsweise an einem Umformergehäuse oder an einem Steckkopfgehäuse angeordnet ist und gelangt mit dem Sensormodul in Eingriff.

Die beschriebene Lösung ist jedoch aus verschiedenen Gründen nachteilig, wie am Beispiel eines pH-Sensors erläutert werden soll. Häufig sind die Sensormodule mit einem Prozeßanschlußgewinde in einen Prozeßanschluß gesichert, wobei die Achse des Prozeßanschlußgewindes mit der Achse der Sicherungüberwurfmutter fluchtet. Wenn nun das Lösen der Sicherungüberwurfsmutter ein größeres Drehmoment fordert als das Lösen des Prozeßanschlußgewindes, so besteht die Gefahr, daß letzteres versehentlich geöffnet werden kann, und das Sensormodul aus dem Prozeßanschluß über mehrere Umdrehungen herausgeschraubt wird.

Eine Steckverbinderkupplung mit induktiven Schnittstellen und einem Bajonettverschluss ist vom Dokument WO 98/52172 A bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steckverbinderkupplung bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Steckverbinderkupplung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Steckverbinderkupplung umfaßt einen ersten Kupplungskörper mit ersten Rastmitteln eines Bajonettverschlusses und einer ersten Schnittstelle zum Ausgeben und/oder Empfangen von Signalen und/oder Energie, sowie einen zweiten Kupplungskörper mit zweiten Rastmitteln eines Bajonettverschlusses und einer zweiten Schnittstelle zum Ausgeben und/oder Empfangen von Signalen und/oder Energie, wobei der zweite Kupplungskörper komplementär zu dem ersten Kupplungskörper und mit diesem verbindbar ist, die zweiten Rastmittel komplementär zu den ersten Rastmitteln sind und mit diesen in Eingriff bringbar sind und die zweite Schnittstelle komplementär zu der ersten Schnittstelle ist.

Die ersten und die zweiten Rastmittel umfassen vorzugsweise zueinander komplementäre axiale Anschlagflächen. Der Begriff axiale Anschlagflächen bezeichnet solche Flächen die einen wirksamen Anschlag als Sicherung gegen axiale Relativbewegungen des ersten Kupplungskörpers gegenüber dem zweiten Kupplungskörper über die Anschlagflächen hinaus bewirken. Beispielsweise beträgt der Winkel zwischen der Oberflächennormalen der ersten bzw. der zweiten axialen Anschlagfläche und der Rotationsachse des Bajonettverschusses bzw. der Verbindungsachse der Steckverbinderkupplung weniger als 20°, bevorzugt weniger als 10°, und weiter bevorzugt nicht mehr als etwa 5°.

In der erfindungsgemäßen Steckverbinderkupplung sind die ersten Rastmittel einstückig mit dem ersten Kupplungskörper ausgebildet, während die zweiten Rastmittel als bezüglich eines Grundkörpers des zweiten Kupplungskörpers bewegliche Baugruppe ausgebildet und mit diesem gekoppelt sind.

Der erste und der zweite Kupplungskörper weisen vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine im wesentlichen axialsyrnmetrische Struktur auf. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform umfaßt der erste Kupplungskörper einen zylindrischen Abschnitt, der in eine zylindrische Öffnung des zweiten Kupplungskörpers einsteckbar ist. Die zylindrische Öffnung ist bevorzugt als Aussparung in einem zylindrischer Hülsenabschnitt des zweiten Kupplungskörpers ausgebildet.

Die ersten und zweiten Rastmittel sind als Aussparungen und komplementäre Vorsprünge ausgebildet, welche miteinander in Eingriff gelangen. Derzeit ist es bevorzugt, daß der erste Kupplungskörper in einem zylindrischen Endabschnitt auf der Mantelfläche des Zylinders als erste Rastmittel Aussparungen aufweist. Der zweite Kupplungskörper umfaßt einen zumindest abschnittsweise zylindrischen Grundkörper und einen zumindest abschnittsweise zylindrischen Rastmittelträger, wobei der Rastmittelträger an dem Grundkörpers koaxial, um eine gemeinsame Achse verdrehbar und in axialer Richtung fixiert angeordnet ist. Der Rastmittelträger umfaßt beispielsweise ein Hülsenelement, von dessen Innenwand sich die zweiten Rastmittel als Vorsprünge radial einwärts erstrecken.

Zur axialen Fixierung des Rastmittelträgers bezüglich des Grundkörpers, können der Grundkörper und der Rastmittelträger zueinander komplementäre axiale Sicherungsmittel aufweisen, die ineinander eingreifen. Die axialen Sicherungsmittel können beispielsweise eine ringförmige oder mindestens eine ringabschnittförmige Sicherungsaussparung und mindestens einen komplementären Sicherungsvorsprung umfassen.

Die Steckverbinderkupplung umfaßt weiterhin eine Grundkörpersicherung, welche ein Verdrehen des Grundkörpers des zweiten Kupplungskörpers bezüglich des ersten Kupplungskörpers verhindert. Die Grundkörpersicherung umfaßt zueinander komplementäre erste und zweite Grundkörpersicherungselemente, welche an dem ersten Kupplungskörper und an dem Grundkörper des zweiten Kupplungskörpers ausgebildet sind, und die ineinander eingreifen, wenn der erste Kupplungskörper mit dem zweiten Kupplungskörper verbunden ist. Diese Ausgestaltung bietet unter anderem den Vorteil, daß Drehmomente, die beispielsweise über ein Anschlußkabel in den Grundkörper des zweiten Kupplungskörpers eingeleitet werden, niemals zu einer unbeabsichtigten Öffnung des Bajonettverschlusses führen können.

Der Bewegungsablauf des Bajonettverschlusses ist bei durch die Bewegung der zweiten Rastmittel bezüglich der ersten Rastmittel vorgegeben. Die beispielsweise als Aussparungen gestalteten ersten Rastmittel im ersten Kupplungskörper weisen im eine Struktur auf, bei der die Aussparungen jeweils einen axialen Abschnitt umfassen, an den sich ein azimutaler Abschnitt anschließt, der eine axiale Anschlagfläche aufweist, an welcher die zweiten Rastmittel bei geschlossenen Bajonettverschluß anliegen.

Beim Verbinden des ersten Kupplungskörpers mit dem zweiten Kupplungskörper werden die als Vorsprünge gestalteten zweiten Rastmittel zunächst in den axialen Abschnitt der Aussparungen eingesteckt, bis sie mit dem azimutalen Abschnitt fluchten. Zum Verschließen des Bajonettverschlusses können die Vorsprünge dann Mittels des Rastmittelträgers in den azimutalen Abschnitt verdreht werden. Das Öffnen des Bajonettverschlusses zum Lösen der Kupplungskörper voneinander verläuft sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge.

Die axialen Anschlagflächen der ersten Rastmittel können eine ganz leichte Azimutabhängighängigkeit aufweisen, um den axialen Sitz des zweiten Kupplungskörpers bezüglich des ersten Kupplungskörpers mit der Verriegelungsposition des Bajonettverschlusses einstellen zu können. Zum Erhalten einer leichten axialen elastischen Spannung zwischen den Kupplungskörpern kann zwischen den Stirnflächen der Kupplungskörper ein elastischer Verformungskörper angeordnet sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung dienen die axialen Abschnitte der Aussparungen der ersten Rastmittel als die ersten Grundkörpersicherungseiemente. Die zweiten Grundkörpersicherungselemente umfassen axiale Vorsprünge die sich von der Stirnfläche des Grundkörpers erstrecken, und die in die axialen Abschnitte der Aussparungen der ersten Rastmittel eingreifen, wenn der erste Kupplungskörper mit dem zweiten Kupplungskörper verbunden ist.

Um zu verhindern, daß der Bajonettverschluß ungewollt geöffnet wird, kann noch eine Verdrehsicherung vorgesehen werden, die beispielsweise zwischen dem ersten Kupplungskörper und dem Rastmittelträger bzw. den zweiten Rastmitteln angeordnen sein kann. Hierzu können, kömplementäre Sicherungselemente mit einer geeigneten winkelabhängigen Konturen vorgesehen sein.

Bei der Erfindung bietet sich an, eine Verdrehsicherung zwischen dem Rastmittelträger und dem Grundkörper des zweiten Kupplungskörpers vorzusehen. In dieser Ausgestaltung weist die Verdrehsicherung ein erstes Sicherungselement am ersten Grundkörper zweiten Kupplungskörpers, und ein zweites Sicherungselement am Rastmittelträger auf, wobei zumindest eines der Sicherungselemente beim Verdrehen des Rastmittelträgers bezüglich des Grundkörpers durch das andere Sicherungselement eine geringe elastische Verformung erfährt. Zumindest die verriegelte Endposition des Bajonettverschusses weist bei dieser Ausgestaltung ein zumindest lokales Minimum hinsichtlich der Verformungsenergie des mindestens einen Sicherungselementes auf. Gleichermaßen kann zusätzlich ein lokales Minimum hinsichtlich der Verformungsenergie in der geöffneten Position vorgesehen sein, in welcher die Vorsprünge der zweiten Rastmittel mit den axialen Vorsprüngen der zweiten Grundkörpersicherungselemente in azimutaler Richtung fluchten. Hierzu umfassen das erste und das zweite Sicherungselement zueinander komplementäre Konturen, die beim Verdrehen aneinander entlang geführt werden und gegeneinander drücken, wobei mindestens die Kontur eines Sicherungselements azimutabhängig ist. Hierzu kann beispielsweise mindestens eine geeignete Kontur in der axialen Sicherungsaussparung vorgesehen sein.

Bei den derzeit bevorzugten Ausführungsformen umfassen der erste Kupplungskörper und der zweite Kupplungskörper zueinander komplementäre induktive Schnittstellen, zur galvanisch getrennten Übertragung von Energie und Daten, wie sie in früheren Anmeldungen der gleichen Anmelderin beschrieben sind. Beide Kupplungskörper sind im Bereich der Schnittstellen hermetisch dicht und weisen keine Durchführungen auf.

Die Erfindung wird nun an einem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert, es zeigt:

Fig. 1:

ein erstes Beispiel einer Steckverbinderkupplung;

Fig. 2:

eine schematische Darstellung des Energieverlaufs beim Verriegeln des Bajonettverschlusses der Steckverbinderkupplung;

Fig. 3:

eine pH-Elektrode mit einem Kupplungskörper gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4:

eine schematisierte perspektivische Teilschnittansicht einer Steckverbinderkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5a, b:

einen erfindungsgemäßen Steckkopf zum Anschluß an eine pH-Elektrode gemäß Fig. 3.

Die Steckverbinderkupplung eines Sensors, beispielsweise eines pH-Sensors, umfaßt ein Sensormodul 1 mit einem zylindrischen Sensorkörper 10 und ein Steckkopfmodul 2, mit einem zylindrischen Steckkopfkörper 20, welcher mit einem hülsenförmigen Endabschnitt 21 auf den Sensorkörper 10 aufsteckbar ist, wobei der steckkopfseitige Schnittstellenstift 24 in die sensorseitige Schnittstellenbuchse 16 gesteckt wird. In der Hülse erstrecken sich Vorsprünge 22 radial einwärts um mit Aussparungen 11 auf der Mantelfläche des Sensorkörpers in Eingriff zu gelangen und einen Bajonettverschluß zu bilden. Die Aussparungen 11 umfassen einen axialen Abschnitt 12 und einen azimutalen Abschnitt 13. Im azimutalen Abschnitt ist eine axiale Anschlagfläche 14 vorgesehen, welche das Abziehen des Sensormoduls 1 vom Steckkopfmodul 2 verhindert, wenn der Bajonettverschluß verriegelt ist. In den Aussparungen 11 sind zudem eine axiale Rippen 15 angeordnet, auf welchen die radial einwärts gerichteten Mantelflächen der sich radial einwärts erstreckenden Vorsprünge 22 mit ihrer winkeiabhängigen Kontur aufsetzen. Dies bewirkt im Ergebnis eine Verdrehsicherung aufgrund einer leichten elastischen Verformung des hülsenförmigen Endabschnitts, deren Energieverlauf in Fig.2 dargestellt ist.

Um den Schnittstellenstift 24 ist an seiner Basis ein elastischer Ring 25 angeordnet, der beim verschließen des Bajonettverschlusses leicht gegen die Stirnfläche des zylindrischen Körpers 12 gedrückt wird. Hierdurch ist eine leichte axiale Vorspannung bewirkt.

Zum Einbau des Sensors 1 an einem Meßplatz umfaßt der Sensor Prozeßanschluß 17 mit eine Hohlschraube 18, die gegenüber dem Sensorkörper drehbar mit einem Ring 19 gesichert ist.

Eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensormoduls 101 wird anhand von Fig. 3 erläutert. Auf der pH-Elektrode 109 ist ein Sensorkörper 110 angeordnet, der zur Umgebung hermetisch dicht ist, und als Kupplungskörper zum Anschluß an einen Steckkopfkörper dient. Der Sensorkörper 110, umfaßt in einem dem Steckkopfkörper zugewandten Endabschnitt eine induktive Schnittstelle zum Austausch von Daten und zum Empfang von Energie. Zur Sicherung der mechanischen Verbindung zwischen dem Senorkörper 110 und einem aufgesteckten Steckkopfkörper weist der Sensorkörper 110 an der Mantelfläche des dem Steckkopfkörper zugewandten Endabschnitt gewinkelte Aussparung auf, die als erstes Rastmittel eines Bajonettverschlusses dient. Die gewinkelte Aussparung umfaßt einen zur Stirnfläche des Sensorkörpers offenen axialen Abschnitt 112, an den sich beabstandet zur Stirnfläche ein abgewinkelter azimutaler Abschnitt 113 anschließt. Der azimutale Abschnitt 113 umfasst eine der Stimfläche des Sensorkörpers zugewandte axiale Anschlagfläche 114. Die axiale Anschlagfläche 114 weist vorzugsweise eine azimutabhängige axiale Kontur auf, welche bewirkt, daß ein Steckkopfkörper beim Schließen des Bajonettverschlusses stärker an den Sensorkörper herangezogen wird. Zum Einbau in einen Meßplatz umfaßt der Sensorkörper 110 einen Prozeßanschluß mit einer Hohlschraube 118, welche mittels eines Sicherungsrings 119 gesichert ist.

Fign. 4, 5a und 5b verdeutlichen das Zusammenspiel der Komponenten der erfindungsgemäßen Steckverbinderkupplung. Das Steckkopfmodul umfaßt einen Steckkopfkörper mit einem abschnittsweise zylindrischen Grundkörper 120, auf den ein hülsenartiger Rastmittelträger 121 aufgesteckt ist, wobei der Rastmitteiträger 121 bezüglich des Grundkörpers 121 axial fixiert und in azimutaler Richtung zumindest über einen Windelbereich frei beweglich ist, der zum Schließen und Öffnen des Bajonettverschlusses erforderlich ist.

Im einzelnen umfaßt der Grundkörper 120 einen ersten zylindrischen Abschnitt mit einem ersten Radius und einen zweiten zylindrischen Abschnitt mit einem zweiten Radius, der geringer ist als der erste Radius. Zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt verläuft eine Ringnut 127, welche in axialer Richtung durch radiale Stufen zum ersten Abschnitt und zum zweiten Abschnitt des Grundkörpers 120 begrenzt ist, wobei die radialen Stufen als axiale Anschlagflächen dienen. Der hülsenartige Rastmittelträger 121, stößt mit seiner dem ersten Abschnitt des Grundkörpers zugewandten ersten Stirnfläche, gegen die axiale Anschlagfläche, welche durch die radiale Stufe zwischen der Ringnut und dem ersten Abschnitt des Grundkörpers gebildet wird. Von der Innenwand des Rastmittelträgers 121 erstreckt sich in einem an die erste Stimfläche anschließenden ersten Endabschnitt mindestens eine Rastnase 128 radial einwärts, welche an die durch die radiale Stufe zwischen der Ringnut und dem zweiten Abschnitt gebildete axiale Anschlagfläche stößt. Aus Symmetrieerwägungen sind vorzugsweise mehrere Rastnasen über den Umfang der Innenwand verteilt, oder es kann eine umlaufende Rastnase vorgesehen sein. Die stirnseitige Flanke der Rastnase 128 weist vorzugsweise eine Fase auf, um das Aufstecken des Rastmittelträgers 121 auf den Grundkörper zu erleichtern.

Von einer dem ersten Abschnitt des Grundkörpers 120 abgewandten Stirnfläche des Grundkörpers erstrecken sich axiale Vorsprünge 123, welche jeweils in einen axialen Abschnitt 112 der komplementären Aussparungen an dem Sensorkörper 110 eingreifen, wenn der Steckkopfkörper mit dem Sensorkörper 110 verbunden ist.

Der hülsenartige Rastmittelträger 121 überragt mit seinem zweiten Endabschnitt die axialen Vorsprünge 123 in axialer Richtung. Von der Innenwand des Rastmittelträgers 121 erstrecken sich Vorsprünge 124 radial einwärts, wobei die Vorsprünge als zweite Rastmittel für den Bajonettverschluß dienen. Die Vorsprünge 124 sind in der Weise über den Umfang der Innenwand verteilt, daß sie bei entsprechender Einstellung des Azimutwinkels zwischen Rastmittelträger 121 und Grundkörper 120 hinsichtlich ihrer Azimutposition mit den axialen Vorsprüngen 123 fluchten, wie in Fig. 5a dargestellt ist. In dieser Position kann der Steckkopfkörper auf den Sensorkörper 110 aufgesteckt werden, wobei die radialen Vorsprünge 122 in dem Übergangsbereich zwischen dem axialen Abschnitt 112, und dem azimutalen Abschnitt 113 der Aussparungen am Sensorkörper angeordnet sind, wenn der Steckkopfkörper auf den Sensorkörper aufgesteckt ist. Durch Verdrehen des Azimutwinkels zwischen Grundkörper 120 und Rastmittelträger 121 werden die radialen Vorsprünge 122 in den azimutalen Abschnitt 113 der Aussparungen gebracht, wodurch der Bajonettverschluß verriegelt wird, wie in der Figur 5b dargestellt ist.

Um die offene Position und die geschlossene Position des Bajonettverschlusses einfacher auffindbar zu machen und zu sichern, sind azimutabhängige Konturen zwischen dem Rastmittelträger 121 und dem Grundkörper 120 vorgesehen, welche beispielsweise als radiale Konturen auf der Mantelfläche der Ringnut 127 oder eines entsprechenden Ringnutabschnitts bzw. der Rastnase ausgebildet sein können. Die Konturen bewirken, daß die mindestens eine Rastnase 128 azimutabhängig elastisch ausgelenkt wird, wobei die Konturen so angeordnet sind, daß zumindest in der geschlossenen Position, vorzugsweise aber auch in der offenen Position, lokale Minima der Verformung liegen. Die Kontur kann beispielsweise eine Rippe sein, die Radial von der Mantelfläche der Ringnut 127 hervorsteht, wobei die Rastnase 128 beim Verdrehen des Rastmittelträgers zwischen den Positionen über die Rippe hinweg gleiten muß und von dieser Angehoben wird. Auf diese Weise werden die beiden Positionen stabilisiert. Gleichermaßen kann eine winkelabhängige Kontur auch an anderer Stelle vorgesehen sein. Außerdem kann optional die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Verdrehsicherung in dem azimutalen Bereich der Aussparungen des Sensorkörpers zusätzlich zum Einsatz kommen.

Die Schnittstelle zur Übertragung von Daten und Energie umfaßt auch bei der zweiten Ausgestaltung einen induktiven Koppler, welcher auf der Seite des Steckkopfmoduls 102 einen Zapfen 124 aufweist, der axial von der zweiten Stirnfläche des Grundkörpers 120 in deren Zentrum hervorsteht. Wenn der Steckkopfkörper mit dem Sensorkörper verbunden ist, dann ist der Zapfen 124 in einer komplementären Buchse des Sensorkörpers 110 angeordnet.