DE102008054659A1

DE102008054659A1 - Konduktiver Leitfähigkeitssensor

Info

Publication number: DE102008054659A1
Application number: DE200810054659
Authority: DE
Inventors: Torsten Pechstein; Robert Scholz; Christian Fanselow; Andreas Eberheim
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-17
Also published as: US9000784B2; US20110309848A1; WO2010072483A1

Abstract

Bei einem konduktiven Leitfähigkeitssensor mit einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde (1, 301, 401), welche mindestens zwei Elektroden (5, 305, 405) aus einem ersten, elektrisch leitfähigen Material und mindestens einen Sondenkörper (3, 303, 403) aus einem zweiten, elektrisch nicht leitfähigen Material umfasst,
sind die Elektroden (5, 305, 405) mindestens teilweise in den Sondenkörper (3, 303, 403) eingebettet und durch den Sondenkörper (3, 303, 403) gegeneinander isoliert,
wobei die Elektroden (5, 305, 405) und der Sondenkörper (3, 303, 403) als Komposit-Werkstück ausgebildet sind.
Insbesondere besteht zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material in mindestens einem Teilbereich eines Materialübergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Material ein fester Verbund, insbesondere durch intermolekulare Wechselwirkungen oder chemische Bindungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen konduktiven Leitfähigkeitssensor mit einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde, welche mindestens zwei Metallelektroden und mindestens einen Sondenkörper, in dem die Metallelektroden mindestens teilweise eingebettet sind, aufweist.
Aus dem Stand der Technik, z. B. aus EP 990 894 B1 , bekannte konduktive Leitfähigkeitssensoren umfassen mindestens zwei Elektroden, die zur Messung in das Messmedium eingetaucht werden. Zur Bestimmung der elektrolytischen Leitfähigkeit des Messmediums wird der Widerstand oder Leitwert der Elektrodenmessstrecke im Messmedium bestimmt. Bei bekannter Zellkonstante lässt sich daraus die Leitfähigkeit des Messmediums ermitteln.
In DE 10 2006 024 905 A1 ist eine Elektrodenanordnung eines konduktiven Leitfähigkeitssensors gezeigt, bei der eine innere und eine äußere Elektrode durch eine Formdichtung und einen Dichtungsträgerkörper voneinander getrennt und gegeneinander isoliert sind. Die Formdichtung dient dazu, das Eindringen von Messmedium in einen Ringspalt zwischen den Elektroden zu verhindern.
Eine derartige Elektrodenanordnung mit zusätzlichen Dichtungen ist konstruktiv verhältnismäßig aufwändig. Dies gilt insbesondere für Leitfähigkeitssensoren, die zur Anwendung in der Lebensmitteltechnik oder in der pharmazeutischen Industrie bestimmt sind. An solche Sensoren werden hohe Hygieneanforderungen gestellt. Beispielsweise dürfen die Sonden solcher Sensoren, soweit sie mit dem Messmedium in Kontakt kommen, keine schwer zugänglichen Spalte aufweisen, so dass eine Reinigung und/oder Sterilisierung der gesamten, mit dem Messmedium in Kontakt stehenden Sondenoberfläche möglich ist.
Herkömmliche Dichtungen oder eine Formdichtung gemäß DE 10 2006 024 905 A1 können diesen Zweck zwar grundsätzlich erfüllen, führen jedoch zu einer aufwändigen Konstruktion mit entsprechendem Montageaufwand.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen konduktiven Leitfähigkeitssensor mit einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet, und insbesondere für Anwendungen bei hohen Hygieneanforderungen geeignet und gleichzeitig konstruktiv einfach bzw. einfach herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen konduktiven Leitfähigkeitssensor mit einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde, welche mindestens zwei Elektroden aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und mindestens einen Sondenkörper aus einem zweiten elektrisch nicht leitfähigen Material umfasst,
wobei die Elektroden mindestens teilweise in den Sondenkörper eingebettet und durch den Sondenkörper gegeneinander isoliert sind,
und wobei die Elektroden und der Sondenkörper als, insbesondere gesintertes, Komposit-Werkstück ausgebildet sind.
Durch die Ausbildung der Elektroden und des Sondenkörpers in Form eines einzigen Komposit-Werkstücks wird ein spaltfreier Materialübergang und damit auch eine spaltfreie Dichtung zwischen den mindestens teilweise in den Sondenkörper eingebetteten Elektroden und dem Sondenkörper erreicht. Gleichzeitig wird der Aufbau der Sonde gegenüber der aus DE 10 2006 024 905 A1 bekannten Sonde erheblich vereinfacht, da keine zusätzlichen Dichtungsmaßnahmen benötigt werden. Zusätzlich weist ein derartiges Komposit-Werkstück gegenüber Kunststoff-Dichtungen ein verbessertes Verschleißverhalten auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Elektroden und der Sondenkörper durch ein Mehrkomponentenspritzgießverfahren mit dem ersten Material als erster Komponente und dem zweiten Material als zweiter Komponente hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass eine komplette Sonde für einen Leitfähigkeitssensor mit wenigen Arbeitsschritten hergestellt werden kann, ohne dass weitere Montageschritte für das Anbringen von Dichtungsmitteln benötigt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Mehrkomponentenspritzgießen eine große Gestaltungsfreiheit bezüglich der Elektrodengeometrie erlaubt. Auf diese Weise kann die Elektrodenanordnung beispielsweise im Hinblick auf die Zellkonstante des Leitfähigkeitssensors optimiert werden, ohne Beschränkungen durch die Anforderungen an die Dichtung in Kauf nehmen zu müssen.
Beim Mehrkomponentenspritzgießen werden eine erste Spritzmasse, welche das erste Material und eine zweite Spritzmasse, welche das zweite Material umfasst, gleichzeitig oder nacheinander in ein Spritzwerkzeug eingespritzt. Der so erzeugte Grünling wird entbindert und gesintert und so ein Komposit-Werkstück gebildet.
Das so hergestellte Kompositwerkstück weist zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material in mindestens einem Teilbereich eines Materialübergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Material einen festen Verbund auf. Dieser feste Verbund wird zumindest teilweise durch intermolekuare Wechselwirkungen oder chemische Bindungen zwischen Bereichen des ersten Materials und Bereichen des zweiten Materials bewirkt. Auf diese Weise ergibt sich eine innige Verbindung zwischen den Elektroden und dem Sondenkörper, die als spaltfreie Dichtung wirkt.
In einer Ausgestaltung ist das erste Material eine leitfähige Keramik oder ein Metall, insbesondere Platin, Titan oder Edelstahl.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das zweite Material ein Kunststoff oder eine Keramik, insbesondere Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃), Chromoxid-Keramik (Cr₂O₃), Titandioxid-Keramik (TiO₂), Tialit-Keramik (Al₂TiO₅) oder Zirkoniumdioxid-Keramik (ZrO₂).
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Elektroden aus Platin und der Sondenkörper aus Al₂O₃-Keramik. Da Platin und Al₂O₃-Keramik sehr ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, bleibt der feste Verbund zwischen den Elektroden und dem Sondenkörper auch über einen großen Temperaturbereich von etwa –30°C bis zu 300°C erhalten.
In einer alternativen, ebenfalls sehr vorteilhaften Weiterbildung bestehen die Elektroden aus Titan oder Edelstahl und der Sondenkörper aus ZrO₂-Keramik. Auch bei dieser Kombination sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Elektroden- und Sondenkörpermaterial ähnlich, so dass eine stabile Verbindung zwischen Elektroden und Sondenkörper über einen großen Temperaturbereich, insbesondere auch bei Temperaturwechseln während des Einsatzes des Leitfähigkeitssensors zur Überwachung eines Prozesses, gewährleistet ist.
In einer Ausgestaltung sind die Elektroden derart in den Sondenkörper eingebettet, dass nur ihre Stirnflächen innerhalb einer Stirnfläche des Sondenkörpers frei liegen. Auf diese Weise ist die Oberfläche der in das Medium eintauchbaren Sonde frei von Vorsprüngen, an denen Partikel haften bleiben könnten, so dass eine Verschmutzung der Sonde weitgehend vermieden wird.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Elektroden als Röhren mit unterschiedlichem Innendurchmesser ausgestaltet, wobei die Röhren koaxial um eine gemeinsame Symmetrieachse derart angeordnet sind, dass die Röhre mit dem größeren Innendurchmesser die Röhre mit dem kleineren Innendurchmesser umschließt. Bevorzugt ist die innere Röhre innen ausgefüllt, d. h. als Stab ausgeführt.
Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft, wenn der Leitfähigkeitssensor als konduktiver Leitfähigkeitssensor mit vier Elektroden ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können in diesem Fall jeweils die Stirnflächen zweier Elektroden in zwei einander gegenüberliegenden Flächen des Sondenkörpers, insbesondere gegenüberliegenden Flächen einer rechteckförmigen Einkerbung des Sondenkörpers, frei liegen, von denen jeweils eine als Strom- und eine als Spannungselektrode beschaltbar ist. Auf diese Weise bildet sich ein geschlossenes Feld zwischen den Elektroden aus, was insbesondere von Vorteil ist, um den Einfluss von Wänden in der Umgebung zu minimieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der konduktive Leitfähigkeitssensor weiterhin einen Prozessanschluss. Idealerweise ist der Prozessanschluss Bestandteil des Grundkörpers der Sonde, d. h. einstückig mit dem Sondenkörper gebildet, d. h. als ein einziges Formteil ausgestaltet. Hierzu wird beim Spritzgießen ein geeignet geformtes Werkzeug zur Verfügung gestellt. Dies hat den Vorteil, dass auch der Prozessanschluss spaltfrei ist, so dass die Spaltfreiheit für den gesamten Leitfähigkeitssensor gewährleistet ist. In einer Weiterbildung können zur Verbesserung der mechanischen Stabilität bzw. zur Befestigung des Sensors metallische Teile oder Teile aus Kunststoff auf der prozessabgewandten Seite des Prozessanschlusses vorgesehen sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines konduktiven Leitfähigkeitssensors in einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen umfasst die Schritte:
Einspritzen des ersten und des zweiten Materials in einem Mehrkomponentenspritzgießverfahren, insbesondere einem Mehrkomponenten-Pulverspritzgießverfahren, gleichzeitig oder in einem zweistufigen Spritzgießverfahren nacheinander in ein Spritzwerkzeug zur Erzeugung eines Grünlings,
Entbindern und Sintern des Grünlings zur Erzeugung eines Komposit-Werkstücks, welches Elektroden aus dem ersten Material und einen Sondenkörper aus dem zweiten Material umfasst.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, den angestrebten festen Verbund zwischen den Elektroden aus dem ersten Material und dem Sondenkörper aus dem zweiten Material mindestens in einem Teilbereich eines Materialübergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Material, insbesondere durch intermolekulare Wechselwirkungen oder chemische Bindungen, zu erzeugen.
In einer speziellen Ausgestaltung dieses Verfahrens wird das erste Material in einer ersten Stufe in einem eigenen Spritzwerkzeug gespritzt, so dass ein Grünling entsteht, wobei der Grünling in einer zweiten Stufe in ein weiteres Spritzwerkszeug umgesetzt und mit dem zweiten Material umspritzt wird.
Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Sonde eines Leitfähigkeitssensors nach einer Ausgestaltung der Erfindung;
2 eine Längsschnitt-Darstellung durch die in 1 dargestellte Sonde;
3 eine Sonde eine Leitfähigkeitssensors nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung;
4 eine Sonde eines Leitfähigkeitssensors nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung;
5 einen Prozessanschluss für eine Sonde nach einer der Ausgestaltungen der 1 bis 4.
1 und 2 zeigen die in ein Messmedium eintauchbare Sonde 1 eines Leitfähigkeitssensors, mit einem Sondenkörper 3 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material und darin eingebetteten Elektroden 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material. Die Elektroden 5 und der Sondenkörper 3 sind zusammen als Komposit-Werkstück ausgebildet. An der Stirnfläche 7 des Sondenkörpers 3 liegen die Stirnflächen der Elektroden 5 frei und stehen bei einer Leitfähigkeitsmessung mit dem Messmedium in Kontakt. In 1 ist eine perspektivische Darstellung der Sonde 1 mit Blick auf diejenige Stirnfläche 7 der Sonde, die bei einer Leitfähigkeitsmessung ins Messmedium eingetaucht wird, zu sehen. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Sonde entlang der gestrichelten Linie A in 1.
Die in 1 und 2 dargestellte Sonde 1 bildet die in ein Messmedium eintauchbare Messsonde eines so genannten 4-Elektrodensensors. Zwei der Elektroden 5, insbesondere zwei unmittelbar zueinander benachbarte Elektroden 5 werden als so genannte Stromelektroden betrieben. Die beiden übrigen Elektroden 5 werden als so genannte Spannungselektroden betrieben. Zwischen den beiden Stromelektroden wird im Messbetrieb eine Wechselspannung angelegt und damit ein Wechselstrom in das Messmedium eingespeist. Zwischen den Spannungselektroden wird die entstehende Potentialdifferenz, insbesondere durch eine stromlose Messung, gemessen. Aus dem eingespeisten Wechselstrom und der gemessenen Potentialdifferenz errechnet sich die Impedanz der durch Eintauchen der Sonde 1 in ein Messmedium gebildeten Leitfähigkeitsmesszelle, aus dem unter Berücksichtigung der Zellkonstante der spezifische Widerstand bzw. die Leitfähigkeit des Messmediums ermittelt werden kann. Zur Regelung bzw. Steuerung des einzuspeisenden Wechselstroms, zur Messung der Potentialdifferenz der Spannungselektroden und der Umrechnung der Messwerte in einen Widerstands- bzw. Leitwert oder einen spezifischen Widerstand bzw. spezifische Leitfähigkeit des Messmediums dient ein mit der Sonde 1 verbundener Messumformer (nicht dargestellt). Die Messelektronik kann Bestandteil des Messumformers sein oder mindestens teilweise in einem separaten Modul, beispielsweise in einem mit der Sonde 1 verbundenen Steckkopf untergebracht sein. Die ermittelten Messwerte können entweder vom Messumformer angezeigt oder an ein übergeordnetes Leitsystem ausgegeben werden.
Der Sondenkörper 3 und die Elektroden 5 sind jeweils stiftförmig, d. h. als langgestreckte Zylinder mit runden Querschnittsflächen ausgestaltet. Die Elektroden 5 ragen über die dem Messmedium abgewandte Zylindergrundfläche 11 des Sondenkörpers 3 hinaus und sind mit Anschlüssen 13 versehen, über die die Elektroden 5 mit einer Regelung bzw. Steuerung des einzuspeisenden Wechselstroms bzw. einer Messelektronik zur Bestimmung der Potentialdifferenz zwischen den beiden Spannungselektroden verbunden werden können.
3 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Sonde 301 zur konduktiven Leitfähigkeitsmessung, bei der die Elektroden 305 als koaxial um eine gemeinsame Rotationssymmetrieachse Z angeordnete Röhren ausgestaltet und in den Sensorkörper 303 gegeneinander isoliert eingebettet sind. An der Stirnfläche 307 des Sensorkörpers 303 liegen die Elektroden mit ihren ringförmigen Stirnflächen frei. Die Sonde 301 ist als Messsonde eines 2-Elektrodensensors ausgebildet. Bei dieser Art von Sensor wird im Messbetrieb an die beiden Elektroden 305 eine Wechselspannung angelegt. Unter Verwendung eines mit den Elektroden 305 verbundenen Messumformers (nicht dargestellt) wird die Impedanz der durch die in das Messmedium eingetauchte Messsonde gebildeten Leitfähigkeitsmesszelle ermittelt. Unter Berücksichtigung der Zellkonstanten kann daraus der spezifische Widerstand bzw. die spezifische Leitfähigkeit des Messmediums ermittelt werden. Die ermittelten Messwerte können entweder vom Messumformer angezeigt oder an ein übergeordnetes Leitsystem ausgegeben werden. Ein Teil der Funktionen des Messumformers kann durch eine in einem separaten Gehäuse außerhalb des Messumformergehäuses untergebrachte Messelektronik ausgeführt werden. Diese Messelektronik kann mindestens zum Teil beispielsweise in einem mit der Sonde 301 verbundenen Steckkopf untergebracht sein.
4 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Sonde 401 mit einem Sondenkörper 403 und vier Elektroden 405. In dem Prozessanschluss des zylindrischen Sondenkörpers 403 entgegengesetzten Endbereich der Sonde 401 ist eine Einkerbung mit rechteckförmigem Querschnitt vorgesehen. In zwei einander gegenüberliegenden Flächen 407 der Einkerbung liegen jeweils zwei Stirnflächen der ansonsten in den Sondenkörper 403 eingebetteten Elektroden 405 frei. Eine der beiden in einer Fläche 407 freiliegenden Elektrodenstirnflächen ist als Kreisfläche ausgestaltet, während die andere Elektrodenstirnfläche als konzentrische Kreisringfläche die erste Elektrodenstirnfläche umgibt. Auf der gegenüberliegenden Fläche 407 sind die beiden Elektrodenstirnflächen in identischer Weise angeordnet, jedoch in der 4 nicht zu sehen. Jeweils eine der in den beiden gegenüberliegenden Flächen 407 frei liegenden Elektroden 405 ist als Spannungselektrode beschaltet, während die andere Elektrode derselben Fläche entsprechend als Stromelektrode beschaltet ist. Das sich zwischen den Elektroden 405 im Messbetrieb ausbildende elektrische Feld befindet sich als geschlossenes Feld innerhalb der Einkerbung des Sondenkörpers 403. Dies hat im Vergleich zu den Ausgestaltungen der Sonde nach 1 oder 3, bei denen sich ein Freifeld ausbildet, den Vorteil, dass die Messung nicht durch den Einfluss einer beispielsweise in der Nähe der Sonde vorhandene Wand beeinflusst werden kann.
Die Elektroden 405 können ähnlich wie im Beispiel der 2 über aus dem Sondenkörper 403 herausgeführte Anschlüsse (in 4 nicht gezeigt) kontaktiert werden.
Die in den 1 bis 4 dargestellten Sonden 1, 301 und 401 sind nach einem Zweikomponentenspritzgießverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird bevorzugt eine Spritzgießmaschine mit zwei Spritzeinheiten verwendet. Bei Verwendung einer Spritzeinheit für das Elektrodenmaterial und einer weiteren Spritzeinheit für das Material des Sensorkörpers werden beide Spritzeinheiten bevorzugt unabhängig voneinander gesteuert, da auf diese Weise eine größere Vielfalt von Elektrodengeometrien erzeugt werden kann. Das Zweikomponentenspritzgießen ist eine insbesondere für die Herstellung von Bauteilen aus verschiedenen Kunststoffen etablierte Technik.
Das Spritzgießen von Metallen oder Keramiken, beispielsweise mittels Metallpulverspritzguss (MIM – Metal Injection Moulding) oder Keramikpulverspritzguss (CIM – Ceramic Injection Moulding), ist ein bekanntes und etabliertes Fertigungsverfahren für technisch anspruchsvolle und komplexe Formteile. Auch das Mehrkomponentenspritzgießen von Metallen und/oder Keramiken als Einzelkomponenten ist prinzipiell bekannt, jedoch bisher in der Fertigung von Komposit-Werkstücken aus Metall und Keramik nicht üblich.
Als Material für den Sondenkörper 3, 303 oder 403 kommt beispielsweise eine Keramik, wie z. B. Al₂O₃-Keramik oder eine ZrO₂-Keramik in Frage. Als Material für die Elektroden 5 kann ein Metall oder eine leitfähige Keramik eingesetzt werden. Als Ausgangsmaterial für das Spritzgießen können marktübliche sinterfähige Pulver mit geeigneter Korngröße eingesetzt werden. Bevorzugt werden solche Werkstoffe für die Elektroden 5, 305, 405 und den Sondenkörper 3, 303, 403 verwendet, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten sich nur wenig voneinander unterscheiden, d. h. bevorzugt nur um 1·10^–6 bis 2·10^–6/K voneinander abweichen. So kann beispielsweise bei Platin als Elektrodenmaterial, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,9·10^–6/K aufweist, mit Al₂O₃-Keramik mit einem Ausdehnungskoseffizienten von 6 bis 8·10^–6/K kombiniert werden. Bei Titan mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 10,8·10^–6/K als Elektrodenmaterial kann als Material für den Sondenkörper beispielsweise ZrO₂-Keramik mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 10 bis 12·10^–6/K verwendet werden. Eine ZrO₂-Keramik ist ebenfalls zur Kombination mit Edelstahl als Elektrodenmaterial geeignet, da Edelstahl einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 13·10^–6/K besitzt.
Zum Spritzgießen werden die Ausgangsmaterialien mit einem Binder versetzt. Die Spritzgießmassen mit Binder werden in ein Werkzeug eingespritzt und so ein Grünling gebildet. Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Sonde 1, 301, 401 können die Elektroden 5, 305, 405 und der Sondenkörper 3, 303, 403 mit Hilfe eines geeigneten Spritzwerkzeugs gleichzeitig hergestellt werden. Alternativ kann eine Umsetztechnik des Mehrkomponentenspritzgießens angewendet werden, bei der zunächst die Elektroden 5, 305, 405 in einem eigenen Werkzeug gespritzt werden. Der so entstandene Grünling wird in ein weiteres Spritzwerkzeug umgesetzt und mit der Spritzgießmasse für den Sondenkörper 3, 303, 403 umspritzt. Bei beiden Verfahrensvarianten werden nach dem Spritzgießen die Elektroden und der Sondenkörper zusammen durch thermische Behandlung entbindert und gesintert.
Beim Sinterprozess bildet sich ein fester Verbund zwischen den Elektroden 5, 305, 405 und dem Sondenkörper 3, 303, 403. Es entsteht also ein Komposit-Werkstück, das sowohl die Elektroden 5, 305, 405 als auch den Sondenkörper 3, 303, 403 umfasst. Dabei weist die in dem Sondenkörper 3, 303, 403 eingebettete umlaufende Elektrodenoberfläche 9, 309, 409 zumindest in einem oder mehreren Teilbereichen der Oberfläche 9, 309, 409 einen spaltfreien Übergang zum umgebenden Material des Sondenkörpers 3, 303, 403 auf.
Um einen ausreichend festen Verbund zu gewährleisten, reicht es aus, wenn in einigen Teilbereichen des Materialübergangs attraktive intramolekulare Wechselwirkungen oder chemische Bindungen zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Material des Sondenkörpers dominieren. Insbesondere sind unter diesen Teilbereichen Bereiche einzelner jeweils an der Oberfläche liegender Mikrokristallite der gesinterten polykristallinen Materialien zu verstehen, einzelne Teilbereiche können jedoch auch einen größeren Bereich der miteinander in Kontakt stehenden Elektroden- bzw. Sondenkörperoberflächen umfassen.
Besonders vorteilhaft, insbesondere in Bezug auf die eingangs geschilderten Hygieneanforderungen im Bereich der pharmazeutischen Industrie oder der Lebensmitteltechnik, ist es, wenn der Prozessanschluss des Leitfähigkeitssensor als Bestandteil des Sondenkörpers der Messsonde ausgebildet ist. Ein Beispiel für eine derartige Ausgestaltung der Sonde ist in 5 dargestellt. Der zylindrische Sondenkörper 503 geht an seinem anschlussseitigen Ende in einen Prozessanschluss 515 aus Keramik über, der unmittelbar anschließend an den Sondenkörper 503 eine flanschartige Anschlussstirnfläche 517 aufweist. Diese kann mit einem prozessseitigen Flanschanschluss flüssigkeitsdicht verbunden werden. Die Anschlussstirnfläche 517 weist zur Aufnahme eines Dichtungsrings eine Ringnut 519 auf. Der Prozessanschluss 515 und der Sondenkörper 503 sind einstückig aus demselben Material, bevorzugt einer Keramik, beispielsweise einer der eingangs genannten Keramiken, gebildet. Vorzugsweise werden Prozessanschluss und Sondenkörper beim oben beschriebenen Spritzgießverfahren unter Verwendung eines geeignet geformten Werkzeugs direkt als ein einziges Formteil hergestellt. Im Sondenkörper 503 und im Prozessanschluss 515 sind die Elektroden der Sonde wie in den 1 bis 4 gezeigt eingebettet (in 5 nicht dargestellt). In einem vom Prozess abgewandten Bereich des Prozessanschlusses 515 sind Anschlüsse vorgesehen, über die die Elektroden mit einer Steuerungs- bzw. Regelungs- oder einer Messelektronik verbunden werden können.
Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität bzw. zur Befestigung weiterer Sensorteile, wie beispielsweise einem Sensorsteckkopf mit einem Gehäuse, welches mindestens einen Teil der Messelektronik umfasst, oder einem Anschluss an einen Messumformer, ist auf der prozessabgewandten Seite des Prozessanschlusses 515 ein Überwurfring 521 aus Metall oder Kunststoff angeordnet.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und umfasst jede weitere technisch mögliche Realisierungsart, welche in die Reichweite der nachfolgenden Ansprüche fällt. So kann beispielsweise jede der in den 1 bis 4 gezeigten Sonden mit einen Prozessanschluss gemäß 5 ausgestattet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 990894 B1 [0002]
- DE 102006024905 A1 [0003, 0005, 0008]

Claims

Konduktiver Leitfähigkeitssensor mit einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde (1, 301, 401), welche mindestens zwei Elektroden (5, 305, 405) aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material und mindestens einen Sondenkörper (3, 303, 403) aus einem zweiten, elektrisch nicht leitfähigen Material umfasst, wobei die Elektroden (5, 305, 405) mindestens teilweise in den Sondenkörper (3, 303, 403) eingebettet und durch den Sondenkörper (3, 303, 403) gegeneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden (5, 305, 405) und der Sondenkörper (3, 303, 403) als Komposit-Werkstück ausgebildet sind.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei das Komposit-Werkstück durch ein Mehrkomponentenspritzgießverfahren mit dem ersten Material als erster Komponente und dem zweiten Material als zweiter Komponente hergestellt ist.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Material eine leitfähige Keramik oder ein Metall, insbesondere Platin, Titan oder Edelstahl, umfasst.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Material Kunststoff oder eine Keramik, insbesondere Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Keramik, Chromoxid(Cr₂O₃)-Keramik, Titandioxid(TiO₂)-Keramik, Tialit(Al₂TiO₅)-Keramik oder Zirkoniumoxid(ZrO₂)-Keramik, umfasst.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektroden (5, 305, 405) aus Platin und der Sondenkörper (3, 303, 403) aus Al₂O₃-Keramik bestehen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Elektroden (5, 305, 405) aus Titan oder Edelstahl und der Sondenkörper (3, 303, 403) aus ZrO₂-Keramik bestehen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Elektroden (5, 305, 405) derart in den Sondenkörper (3, 303, 405) eingebettet sind, dass nur ihre Stirnflächen innerhalb einer Stirnfläche (7, 307, 407) des Sondenkörpers (3, 303, 403) frei liegen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Elektroden (305, 405) als Röhren ausgestaltet sind, und wobei die Röhren koaxial um eine gemeinsame Achse (Z) angeordnet sind.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Leitfähigkeitssensor vier Elektroden (405) aufweist, wobei jeweils die Stirnflächen zweier Elektroden (405) in zwei einander gegenüberliegenden Flächen (407) des Sondenkörpers (403) frei liegen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend einen Prozessanschluss (515).
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Prozessanschluss (515) einstückig mit dem Sondenkörper (503) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines konduktiven Leitfähigkeitssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Schritte: Einspritzen des ersten und des zweiten Materials in einem Mehrkomponentenspritzgießverfahren, insbesondere einem Mehrkomponenten-Pulverspritzgießverfahren, gleichzeitig, oder in einem zweistufigen Mehrkomponentenspritzgießverfahren nacheinander in ein Spritzwerkzeug zur Erzeugung eines Grünlings, Entbindern und Sintern des Grünlings zur Erzeugung eines Komposit-Werkstücks, welches Elektroden (5, 305, 405) aus dem ersten Material und einen Sondenkörper (3, 303, 403) aus dem zweiten Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei im ersten Schritt das erste Material in einer ersten Stufe in einem eigenen Spritzwerkzeug gespritzt wird, so dass ein Grünling entsteht, wobei der Grünling in einer zweiten Stufe in ein weiteres Spritzwerkszeug umgesetzt und mit dem zweiten Material umspritzt wird.