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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung umfassend eine Messsonde, welche einen, insbesondere zylindrischen, Sondenschaft umfasst, und eine Befestigungsvorrichtung zur Fixierung der Messsonde an einer Messstelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Messsonde und eine Kopplungshülse zur mechanischen Fixierung einer derartigen Messsonde an einer Befestigu ngsvorrichtung.
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Messsonden, beispielsweise zur Bestimmung von pH-Werten, lonenkonzentrationen, Gaskonzentrationen, Leitfähigkeit, Trübung oder anderer physikalischer oder chemischer Messgrößen in einem Messmedium, werden zur Messung zumindest mit einem Endabschnitt in das Messmedium eingetaucht. Solche Messsonden können beispielsweise im Bereich der industriellen Prozessmesstechnik zur Bestimmung und Überwachung der genannten Messgrößen in einem an einem Prozess beteiligten Prozessmedium verwendet werden. Der in das Messmedium eintauchende Endabschnitt wird auch als Eintauchbereich der Messsonde bezeichnet. Im Eintauchbereich kann die Messsonde beispielsweise eine Messmembran, Elektroden, Spulen, oder ein oder mehrere optische Fenster aufweisen, die der Aufnahme und/oder Erzeugung eines mit der Messgröße korrelierten Signals dienen. Um eine Messsonde in einer bestimmten Position zu halten, beispielsweise derart, dass der Eintauchbereich mit einer vorgegebenen Eintauchtiefe in das Messmedium eintaucht, wird sie üblicherweise in einer Befestigungsvorrichtung, auch als Armatur bezeichnet, in der gewählten Position bezüglich einer Messstelle fixiert. Es gibt vielfältige Arten von Messstellen. Eine Messstelle kann beispielsweise ein offenes Gefäß in einem Labor, ein Becken einer Kläranlage oder ein gegenüber der Umgebung offenes oder geschlossenes Prozessgefäß einer chemisch-technischen Anlage, insbesondere auch ein medienführendes Rohr in einer solchen Anlage sein.
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Typischerweise weisen die genannten Messsonden einen Sondenschaft auf, der häufig im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Begriff „rotationssymmetrisch“ bezieht sich hier auf die geometrische Gestalt der Messonde oder des Sondenschafts. Eine solche Messsonde kann beispielsweise in einer Muffe der Befestigungsvorrichtung aufgenommen sein. Zur Fixierung der Messsonde kann die Messsonde am Sondenschaft einen umlaufenden Fixierbund aufweisen, der formschlüssig mittels einer in der Muffe lösbar fixierten Kopplungshülse, die den Fixierbund gegen ein in der Muffe vorgesehenes Widerlager, z.B. eine Absatzfläche, andrückt, gehalten wird. In 1 ist eine derartige Messvorrichtung nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Messvorrichtung wird weiter unten noch ausführlicher beschrieben.
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Die Messvorrichtung gemäß 1 kann sehr vorteilhaft an einer Messstelle unter erhöhtem Druck eingesetzt werden, beispielsweise zur Durchführungen von Messungen in einem Messmedium, welches unter erhöhtem Druck in einem geschlossenen Prozessgefäß vorliegt. Der im Prozessgefäß herrschende Druck bewirkt eine auf die Messsonde axial in prozessabgewandter Richtung wirkende Kraft (Pfeil P). Dieser Kraft wird durch das Andrücken des Fixierbundes an die Absatzfläche entgegengewirkt.
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Wird der Prozessdruck jedoch zu hoch oder tritt eine Alterung des Fixierbundmaterials auf, kann die auf den Fixierbund wirkende Zugkraft zum Abriss des Fixierbundes führen. Diese Situation ist in 2 dargestellt, die weiter unten ausführlicher erläutert wird. Reißt der Fixierbund ab, bewirkt die aufgrund des Prozessdrucks auf die Messsonde wirkende Kraft eine Bewegung der Messsonde in axialer Richtung von der Absatzfläche weg, d.h. in prozessabgewandter Richtung. Bei hohem Druckunterschied zwischen dem Inneren des Prozessbehälters und der Umgebung kann die Messsonde ganz aus der Muffe herausgedrückt werden. Auch wenn die Messsonde nur innerhalb der Muffe verschoben wird, wie in 2 dargestellt, besteht die Gefahr, dass der Eintauchbereich der Messsonde nicht mehr ausreichend tief ins Prozessmedium eintaucht, um Messungen mit ausreichender Genauigkeit zu erlauben. Außerdem kann die axiale Verschiebung der Messsonde innerhalb der Muffe dazu führen, dass eine ausreichende Abdichtung des Prozessbehälters gegenüber der Befestigungsvorrichtung bzw. gegenüber der Umgebung nicht mehr gewährleistet ist, so dass Medium aus dem Prozessbehälter über die Befestigungsvorrichtung in die Umgebung austreten kann.
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US 2008/0134811 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Installieren einer Sonde in ein zu messendes Medium. Die Sonde umfasst einen Sondenkopf an einem Ende gegenüber dem Messende der Sonde. Das Anschlussstück hat eine innere Schulter. Im eingebauten Zustand der Sonde dient die innere Schulter als Anschlag für den Sondenkopf. Ein Distanzring und ein Dichtungsring sind entlang eines Schaftes der Sonde zwischen dem Sondenkopf und der inneren Schulter angeordnet. Der Abstandsring hat ein Profil, das zusammen mit dem Sondenschaft eine Nut bildet. Im eingebauten Zustand der Sonde nimmt die Nut den Dichtring vollständig auf und komprimiert ihn.
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Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die für eine unter erhöhtem Druck stehende Messstelle geeignet ist, und die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll im Falle eines Abrisses des Fixierbundes die Messstelle mit der Messsonde weiter betreibbar sein und eine Gefährdung durch unkontrolliert austretende aggressive Medien vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Messsonde nach Anspruch 12 und ein Kopplungshülse nach Anspruch 14.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung umfasst eine Messsonde, welche einen Sondenschaft umfasst, und eine Befestigungsvorrichtung zur Fixierung der Messsonde an einer Messstelle, wobei die Befestigungsvorrichtung eine Muffe umfasst, in der der Sondenschaft zumindest abschnittsweise aufgenommen ist, wobei die Messsonde einen mit dem Sondenschaft verbundenen Fixierbund aufweist, der zwischen einer lösbar in der Muffe befestigten Kopplungshülse und einem innerhalb der Muffe gebildeten Widerlager gehalten ist, wobei innerhalb der Kopplungshülse eine erste Anschlagfläche gebildet ist, und dass an der Messsonde eine der ersten Anschlagfläche gegenüberliegende zweite Anschlagfläche gebildet ist, wobei die erste Anschlagfläche der zweiten Anschlagfläche axial beabstandet gegenüber liegt dadurch gekennzeichnet, dass die erste Anschlagfläche dadurch gebildet ist, dass der Innendurchmesser der Kopplungshülse zumindest in einem Teilabschnitt der Kopplungshülse mit zunehmendem axialem Abstand von einer an den Fixierbund der Messsonde anliegenden Stirnfläche oder Absatzfläche der Kopplungshülse abnimmt, und wobei die zweite Anschlagfläche dadurch gebildet ist, dass der Außendurchmesser einer Isolierkappe zumindest in einem Teilabschnitt mit zunehmendem axialem Abstand von dem Fixierbund kontinuierlich abnimmt.
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Im Grundfunktionszustand der Messvorrichtung, d.h. bei korrekt in der Muffe fixierter Messsonde mit intaktem Fixierbund, können sich die erste und zweite Anschlagfläche axial voneinander beabstandet gegenüberliegen. Im Falle eines Fixierbundabrisses kann die Messsonde sich dann nur so weit in axialer, mediumsabgewandter Richtung bewegen, bis diese beiden Anschlagsflächen aneinander anliegen. Eine weitere Bewegung wird unterbunden. Die Kombination aus der innerhalb der Kopplungshülse gebildeten ersten Anschlagfläche und der an der Messsonde gebildeten zweiten Anschlagfläche gewährleistet somit, dass die Messsonde auch im Falle eines Bundabrisses in der Muffe fixiert bleibt und - bei entsprechender Wahl des axialen Abstandes zwischen den beiden Anschlagflächen im Grundfunktionszustand - dass der Eintauchbereich der Messsonde tief genug ins Messmedium eingetaucht bleibt.
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Das innerhalb der Muffe gebildete Widerlager kann als sich nach innen erstreckende Absatzfläche der Muffe gebildet sein. Eine solche sich nach innen erstreckende Absatzfläche kann als Übergangsbereich zwischen einem ersten Abschnitt der Muffe mit einem ersten Innendurchmesser und einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Abschnitt der Muffe mit einem zweiten Innendruchmesse, der größer ist als der erste Innendurchmesser, ausgestaltet sein. Der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt kann abrupt, d.h. stufenartig, erfolgen, so dass die Absatzfläche durch eine senkrecht zur Längsachse der Muffe bzw. senkrecht zu einer Längsachse eines innerhalb der Muffe gehaltenen Sondenschafts orientierte Ringfläche gebildet wird. Der Übergang kann aber auch allmählich erfolgen, z.B. durch eine lineare oder quadratische Zunahme des Innendurchmessers bezogen auf den axialen Abstand von dem Ende des ersten Abschnitts der Muffe, so dass die Absatzfläche eine gegenüber der Längsachse der Muffe bzw. der Längsachse des Sondenschafts geneigt orientierte Fläche, z.B. eine Konusfläche, ist.
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Der Fixierbund kann mit einer ersten Stirnfläche gegen das in der Muffe gebildete Widerlager, z.B. die beschriebene Absatzfläche direkt, oder unter Zwischenlage mindestens eines weiteren Elements, insbesondere eines Dichtungselements, z.B. eines elastischen Dichtrings, anliegen.
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Die Kopplungshülse kann mit einer Stirnfläche oder einer sich radial nach innen erstreckenden Absatzfläche, an der von dem in der Muffe gebildeten Widerlager abgewandten zweiten Stirnfläche des Fixierbundes direkt oder unter Zwischenlage mindestens eines weiteren Elements, insbesondere eines Dichtungselements, z.B. eines elastischen Dichtrings, anliegen.
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Der mit dem Sondenschaft verbundene Fixierbund kann entweder einstückig mit dem Sondenschaft ausgebildet sein, z.B. als Wulst des Sondenschafts, oder er kann Bestandteil eines mit dem Sondenschaft verbundenen weiteren Elements der Messsonde sein, z.B. als Teil einer zum Anschluss der Messsonde an eine übergeordnete Einheit dienenden Anschlussbaugruppe. Beispielsweise kann die Messsonde im Bereich der Anschlussbaugruppe eine isolierende Kappe aufweisen, die gleichzeitig zur mechanischen Verbindung der Anschlussbaugruppe mit einem Kabel dient, welches die Messsonde mit einer übergeordneten Einheit verbindet, wobei der Fixierbund als Bund der isolierenden Kappe ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kopplungshülse mindestens abschnittsweise innerhalb des zweiten Abschnitts der Muffe einen Abschnitt des Sondenschafts umschließend angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen die Muffe, insbesondere die innere Mantelfläche der Muffe, der Sondenschaft und die Kopplungshülse eine gemeinsame Längsachse, insbesondere eine Rotationsachse, auf. Die Richtung entlang oder parallel zu dieser Längsachse wird als „axial“ oder „axiale Richtung“ bezeichnet.
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Die Kopplungshülse kann ein Außengewinde aufweisen, das mit einem Innengewinde im zweiten Abschnitt der Muffe zusammenwirkt, um die Kopplungshülse lösbar in der Muffe zu befestigen und die Stirnfläche oder die sich radial nach innen erstreckenden Absatzfläche der Kopplungshülse mit dem Fixierbund des Sondenschafts in Kontakt zu bringen, und insbesondere um Druck auf den sich gegen das in der Muffe gebildete Widerlager abstützenden Fixierbund auszuüben, so dass der Fixierbund, gegebenenfalls über mindestens ein Dichtelement, zwischen der Kopplungshülse und dem in der Muffe gebildeten Widerlager gedrückt gehalten wird.
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Die erste Anschlagfläche, d.h. die innerhalb der Kopplungshülse gebildete Anschlagfläche, kann dadurch gebildet sein, dass der Innendurchmesser der Kopplungshülse zumindest in einem Teilabschnitt der Kopplungshülse mit zunehmendem axialem Abstand von der an den Fixierbund der Messsonde anliegenden Stirnfläche oder Absatzfläche der Kopplungshülse, insbesondere kontinuierlich, z.B. linear, abnimmt. Beispielsweise kann die innere Mantelfläche der Kopplungshülse innerhalb des besagten Teilabschnitts eine Konusinnenfläche als Anschlagfläche bilden.
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Die zweite Anschlagfläche, d.h. die an der Messsonde gebildete Anschlagfläche, kann dadurch gebildet sein, dass der Außendurchmesser der Messsonde zumindest in einem Teilabschnitt des Sondenschafts mit zunehmendem axialem Abstand von dem Fixierbund, insbesondere kontinuierlich, z.B. linear, abnimmt. Beispielsweise kann die äußere Mantelfläche eines Teils der Messsonde, z.B. des Sondenschafts oder eines mit dem Sondenschaft verbundenen Elements der Messsonde, im besagten Teilabschnitt eine Konusaußenfläche bilden. Insbesondere kann die zweite Anschlagfläche an einem mit dem Sondenschaft verbundenen Element gebildet sein, z.B. an einer schon weiter oben beschriebenen elektrisch isolierenden Kappe einer Anschlussbaugruppe der Messsonde. Alternativ kann auch ein radial um den Sondenschaft umlaufender Ring mit konischer Mantelfläche, die in diesem Fall als Anschlagfläche dient, am Sondenschaft oder an der Kappe, befestigt sein.
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In einer Ausgestaltung der Messvorrichtung kann die Messsonde in einem ersten Endabschnitt der Messsonde, welcher über die Muffe hinausragt, einen in ein Messmedium im Messbetrieb eintauchbaren Eintauchbereich aufweisen, wobei innerhalb des ersten Abschnitts der Muffe mit dem ersten Innendurchmesser ein Dichtring angeordnet ist, der an dem Sondenschaft anliegt und einen zwischen der inneren Mantelfläche der Muffe und dem Sensorschaft gebildeten Spalt zum Eintauchbereich hin, d.h. im Betrieb der Messsonde zum Messmedium hin, abdichtet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist die axiale Länge des Eintauchbereichs größer als der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Anschlagfläche im Grundfunktionszustand. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im Falle eines Fixierbundabrisses der Eintauchbereich nicht vollständig ins Innere der Muffe zurückgezogen wird. Damit wird gleichzeitig sichergestellt, dass der zuvor erwähnte Dichtring auch in der Endstellung der Messsonde nach einem Fixierbundabriss, d.h. bei aneinander anliegender erster und zweiter Anschlagfläche, am Sondenschaft anliegt und weiterhin seine Dichtfunktion erfüllt.
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Die axiale Länge des Eintauchbereichs ist beispielsweise mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens 10 mal so groß, wie der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Anschlagfläche.
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Sind die erste und die zweite Anschlagfläche als zueinander komplementäre Konusmantelflächen ausgebildet, weichen die Neigungswinkel beider Konusmantelflächen in einer bevorzugten Ausgestaltung um weniger als 5°, insbesondere um weniger als 1 ° voneinander ab. Damit liegen die beiden Flächen im Falle eines Fixierbundabrisses flächig aufeinander auf.
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Die Erfindung umfasst auch eine Messsonde umfassend einen Sondenschaft, wobei die Messsonde einen mit dem Sondenschaft verbundenen Fixierbund zur Fixierung der Messsonde in einer Befestigungsvorrichtung aufweist, wobei innerhalb der Kopplungshülse eine erste Anschlagfläche gebildet ist, und dass an der Messsonde eine der ersten Anschlagfläche gegenüberliegende zweite Anschlagfläche gebildet ist, wobei die erste Anschlagfläche der zweiten Anschlagfläche axial beabstandet gegenüber liegt, wobei die erste Anschlagfläche dadurch gebildet ist, dass der Innendurchmesser der Kopplungshülse zumindest in einem Teilabschnitt der Kopplungshülse mit zunehmendem axialem Abstand von einer an den Fixierbund der Messsonde anliegenden Stirnfläche oder Absatzfläche der Kopplungshülse kontinuierlich abnimmt, und wobei die zweite Anschlagfläche dadurch gebildet ist, dass der Außendurchmesser einer Isolierkappe zumindest in einem Teilabschnitt mit zunehmendem axialem Abstand von dem Fixierbund kontinuierlich abnimmt.
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Beispielsweise kann der Außendurchmesser der Messsonde innerhalb eines Teilabschnitts des Sondenschafts kontinuierlich abnehmen. Beispielsweise kann die äußere Mantelfläche eines Teils der Messsonde, z.B. des Sondenschafts oder eines mit dem Sondenschaft verbundenen Elements der Messsonde, im besagten Teilabschnitt eine Konusaußenfläche bilden. Insbesondere kann die zweite Anschlagfläche an einem mit dem Sondenschaft verbundenen Element gebildet sein, z.B. an einer schon weiter oben beschriebenen isolierenden Kappe einer Anschlussbaugruppe der Messsonde. Alternativ kann auch ein radial um den Sondenschaft umlaufender Ring mit konischer Mantelfläche, die in diesem Fall als Anschlagfläche dient, am Sondenschaft befestigt sein.
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Der Fixierbund kann, wie zuvor beschrieben, einstückig mit dem Sondenschaft, z.B. als Wulst, ausgebildet sein. Der Fixierbund kann auch Bestandteil eines mit dem Sondenschaft verbundenen Bauteils sein, z.B. ein Bund einer isolierenden Kappe einer Anschlussbaugruppe zum Verbinden der Messsonde mit einer übergeordneten Einheit.
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Die Erfindung umfasst weiterhin eine Kopplungshülse zur lösbaren mechanischen Verbindung einer vorstehen beschriebenen Messsonde mit einer Befestigungsvorrichtung, welche eine Muffe zur Aufnahme mindestens eines Abschnitts des Sondenschafts umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kopplungshülse eine Anschlagfläche gebildet ist, welche dadurch gebildet ist, dass der Innendurchmesser der Kopplungshülse zumindest in einem Teilabschnitt der Kopplungshülse mit zunehmendem axialem Abstand von einer Stirnfläche oder einer sich nach innen erstreckenden Absatzfläche der Kopplungshülse kontinuierlich abnimmt.
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Die Kopplungshülse ist mindestens einen Abschnitt des Sondenschafts der Messsonde umschließend auf die Messsonde aufschiebbar.
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Vorzugsweise umfasst Kopplungshülse auf ihrer äußeren Mantelfläche ein Außengewinde zur lösbaren Befestigung der Kopplungshülse zumindest in einem Teilabschnitt einer Muffe der Befestigungsvorrichtung, welche entsprechend ein komplementäres Innengewinde aufweist.
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Die Erfindung wird nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 a) eine Messvorrichtung nach dem Stand der Technik; b) eine Detailansicht der Messvorrichtung aus 1 a) im Bereich des Fixierbunds der Messsonde;
- 2 a) die Messvorrichtung der 1 a) im Falle eines Fixierbundrisses; b) eine Detailansicht der Messvorrichtung aus 2 a);
- 3 a) eine Messvorrichtung mit Sicherung der Messsonde; b) eine Detailansicht der Messvorrichtung aus 3a) im Bereich des Fixierbunds der Messsonde;
- 4 a) die Messvorrichtung der 3 a) im Falle eines Fixierbundrisses; b) eine Detailansicht der Messvorrichtung aus 4 a).
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In 1 a) ist eine Messvorrichtung 1 nach dem Stand der Technik dargestellt, bei der eine Messsonde 3 mit ihrem Sondenschaft 5 in einer Muffe 7 fixiert ist, die Bestandteil einer nicht weiter dargestellten Befestigungsvorrichtung sein kann. Die Muffe 7 besitzt eine zylindrische Innenwand 8, die einen Abschnitt des Sondenschafts 5 umschließt. Der Sondenschaft 5 besitzt eine rotationssymmetrische geometrische Gestalt. In einem ersten, im Betrieb der Messsonde mediumsseitigen, Endabschnitt 9 der Messsonde 3 befindet sich der Eintauchbereich 10 der Messsonde 3, d.h. der Bereich, der im Messbetrieb in ein insbesondere flüssiges Messmedium 12 eingetaucht wird. Im Bereich des ersten Endabschnitts 9 ist in einer in der inneren Mantelfläche 8 der Muffe 7 verlaufenden Nut 15 ein Dichtring 17 angeordnet, der gegen den Sondenschaft 5 anliegt, so dass das Innere der Muffe 7, insbesondere der zwischen der inneren Mantelfläche 8 und dem Sondenschaft 5 gebildete Ringspalt, gegenüber der Umgebung flüssigkeitsdicht abgedichtet ist.
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In einem zweiten, dem ersten Endabschnitt
9 gegenüberliegenden Endabschnitt
11, umfasst die Messsonde
3 eine Anschlussbaugruppe
13, über welche die Messsonde
3 mit einer übergeordneten Einheit (nicht eingezeichnet), beispielsweise einem Messumformer, zur Übertragung von Daten und Energie verbunden werden kann. Die Anschlussbaugruppe
13 kann beispielsweise als Primärseite einer Steckverbinderkupplung ausgestaltet sein, und eine Elektronikbaugruppe umfassen, die Schaltungen zur Verarbeitung und Weiterleitung des Messsondensignals umfasst. Im Fall der in
1 dargestellten Messsonde
3 ist die Anschlussbaugruppe
13 als Primärseite einer induktiv koppelnden Steckverbindung ausgestaltet, wie sie beispielsweise in
EP 1 206 012 A1 oder
DE 102 18 606 A1 beschrieben ist. Die Anschlussbaugruppe
13 umfasst eine die Anschlussseite
11 der Messsonde umgebende elektrisch isolierende Kappe
19, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann.
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Beide Endabschnitte 9 und 11 der Messonde 3 ragen aus der Muffe 7 heraus. Der Sondenschaft 5 besitzt eine Längsachse L, die im vorliegenden Beispiel eine gemeinsame Rotationssymmetrieachse der Messsonde 3, des Sondenschafts 5 und der Muffe 7 bildet. Zur axialen Fixierung (bezogen auf die Längsachse L) der Messsonde 3 umfasst die Kappe 19 einen Fixierbund 21, der sich im in die Muffe 7 eingebauten Zustand der Messsonde 3 auf einer als Widerlager dienenden innerhalb der Muffe 7 gebildeten Absatzfläche 23 axial abstützt, wobei zwischen der mediumsseitigen Stirnfläche des Fixierbunds 21 und der Absatzfläche 23 ein Dichtungsring 24 angeordnet ist. 1 b) zeigt eine vergrößerte Darstellung des in 1 a) mit A gekennzeichneten Bereichs der Messvorrichtung 1, in der die Fixierung der Messsonde 3 in der Muffe 7 mittels des Fixierbundes 21 und der Kopplungshülse 29 zu sehen ist. Die Absatzfläche 23 wird durch einen Übergangsbereich zwischen einem ersten Abschnitt 25 und einem daran anschließenden zweiten Abschnitt 27 der Muffe 5 gebildet, wobei die Muffe 5 im ersten Abschnitt 25 einen kleineren Innendurchmesser aufweist als im zweiten Abschnitt 27.
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Eine Kopplungshülse 29 dient dazu, die Messsonde 3 in der Muffe 5 zu fixieren. Die Kopplungshülse 29 weist ein zu einem Innengewinde 30 des zweiten Abschnitts 27 der Muffe komplementäres Außengewinde 28 auf. Damit ist die Kopplungshülse 29 in den zweiten Abschnitt 27 der Muffe 5 einschraubbar. Im für den Messbetrieb eingebauten Zustand der Messsonde 3 ist die Kopplungshülse 29 so weit in die Muffe 5 eingeschraubt, dass ihre Stirnfläche 31 gegen die von der als Widerlager dienenden Absatzfläche 23 abgewandten Stirnfläche des Fixierbundes 21 der Messsonde 3 anliegt. Vorzugsweise wird die Kopplungshülse 29 so weit in die Muffe 5 eingeschraubt, dass ihre Stirnfläche 31 einen Anpressdruck auf den Fixierbund 21 gegen den Dichtring 24 und die Absatzfläche 23 ausübt.
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Die Messvorrichtung 1 kann sehr vorteilhaft an Messstellen unter erhöhtem Druck eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Messvorrichtung 1 an einem Prozessbehälter befestigt werden, der unter erhöhtem Druck gegenüber der Umgebung steht. Der an der Messstelle herrschende Druck bewirkt eine Krafteinwirkung auf die Messsonde 3 in Richtung des Pfeils P. Dieser Kraft wird durch die von der Kopplungshülse 29 auf den Fixierbund 21 ausgeübte Anpresskraft gegen die Absatzfläche 23 entgegengewirkt. Da diese Gegenkraft in axialer Richtung, jedoch außeraxial, nämlich an dem von der zentralen Achse L radial beabstandeten Fixierbund 21 angreift, ergibt sich eine auf den Fixierbund 21 wirkende Zugkraft. Diese kann bei zu hohem an der Messstelle herrschendem Druck oder bei einer Alterung des Fixierbundmaterials zum Abriss des Fixierbundes 21 führen. Diese Situation ist in 2 a) und b) dargestellt, wobei 2 b) eine vergrößerte Darstellung des in 2 a) mit A gekennzeichneten Bereichs zeigt. Reißt der Fixierbund 21 ab, bewirkt die axial auf die Messsonde wirkende, nunmehr unkompensierte, durch den Prozessdruck bewirkte Kraft P eine Bewegung der Messsonde 3 in axialer Richtung weg vom Messmedium 12. Die Messsonde wird also aus der Muffe 7 herausgedrückt. Dies kann, wie in 2 dargestellt, insbesondere dazu führen, dass der Endabschnitt 9 hinter die Dichtung 17 zurückgezogen wird. In diesem Fall ist die Dichtigkeit der Messstelle nicht mehr gewährleistet. Falls es sich bei der Messstelle beispielsweise um einen unter Druck stehenden, gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Prozessbehälter handelt, bildet der Ringspalt zwischen der inneren Mantelfläche 8 der Muffe 7 und dem Sondenschaft 5 ein Leck, das zum einen einen Druckabfall an der Messstelle und gegebenenfalls das Austreten von Messmedium in die Umgebung bewirkt.
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In 3 a) ist eine Messvorrichtung 101 dargestellt, die so ausgestaltet ist, dass die voranstehend beschriebenen bei einem Abriss des Fixierbundes auftretenden Probleme vermieden werden. Die Messvorrichtung 101 umfasst eine Messsonde 103 mit einem rotationssymmetrischen Sondenschaft 105. Ein Abschnitt des Sondenschafts 105 ist in einer Muffe 107, die Bestandteil einer nicht weiter dargestellten Befestigungsvorrichtung, z.B. einer Prozessarmatur, ist, aufgenommen, so dass zwischen der inneren Mantelfläche 108 der Muffe 107 und des von der Muffe 107 umschlossenen Abschnitts des Sondenschafts 105 ein schmaler Ringspalt gebildet wird.
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Wie im Beispiel der 1 und 2 weist der Sondenschaft 105 einen aus der Muffe 107 herausragenden ersten Endabschnitt 109, der mediumsseitig den Eintauchbereich 110 der Messsonde 103 umfasst, der im Betrieb in das Messmedium 112 eingetaucht wird. Der zwischen der inneren Mantelfläche 108 der Muffe 107 und dem Sondenschaft 105 gebildete Ringspalt wird gegen das Messmedium 112 mittels eines in der Nut 115 in der inneren Mantelfläche 108 fixierten Dichtelements 117 flüssigkeitsdicht abgedichtet.
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Die Messsonde 103 umfasst weiterhin einen dem ersten Endabschnitt 109 entgegengesetzten zweiten Endabschnitt 111. Der zweite Endabschnitt 111 umfasst eine Anschlussbaugruppe 113, die analog ausgestaltet ist wie die Anschlussbaugruppe 13 der in 1 a) und 2 a) gezeigten Messsonde 3. Die Anschlussbaugruppe 113 umfasst wie bei der Messsonde 3 in 1 eine die Anschlussseite der Messsonde 103 überdeckende elektrisch isolierende Kappe 119, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann. Zur axialen Fixierung der Messsonde 103 umfasst die Kappe 119 einen Fixierbund 121, der sich im eingebauten Zustand der Messsonde 103 auf einer sich innerhalb der Muffe 107 nach innen erstreckenden Absatzfläche 123 über einen dazwischen liegenden Dichtring 124 axial abstützt. Wie die Absatzfläche 23 der in den 1 a) und 2 a) dargestellten Muffe 7 wird die Absatzfläche 123 durch einen Übergangsbereich zwischen einem ersten Abschnitt 125 und einem zweiten Abschnitt 127 der Muffe gebildet, wobei der erste Abschnitt 125 einen kleineren Innendurchmesser aufweist als der zweite Abschnitt 127. Der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 125 und dem zweiten Abschnitt 127 erfolgt im Beispiel der 3 durch eine allmähliche Aufweitung des Innendurchmessers der Muffe ausgehend vom Ende des ersten Abschnitts 125 bis der zweite Innendurchmesser erreicht ist. Die Absatzfläche 123 ist somit als Konusinnenfläche zwischen dem ersten Abschnitt 125 und dem zweiten Abschnitt 127 der Muffe 107 ausgebildet. Alternativ ist auch ein abrupter, d.h. stufenartiger Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 125 und dem zweiten Abschnitt 127 möglich. In diesem Fall wäre die Absatzfläche 123 eine senkrecht bezüglich der Achse L orientierte Kreisringfläche. Auch andere Ausgestaltungen der Absatzfläche 123 sind möglich, soweit die Absatzfläche eine ausreichende radiale Erstreckung aufweist, um den Fixierbund 129 axial abzustützen.
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Im vorliegenden Beispiel ist der Fixierbund 121 Bestandteil der Kappe 119 des Anschlusselements, es sind jedoch eine Vielzahl von Varianten denkbar. Beispielsweise kann der Fixierbund auch einstückig mit dem Sondenschaft 105, z.B. als Wulst, oder als den Sondenschaft 105 umschließender und am Sondenschaft 105 befestigter Ring ausgebildet sein.
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Wie in der in 1 und 2 gezeigten Messvorrichtung 1, dient auch bei der in 3 a) dargestellten Messvorrichtung 101 eine Kopplungshülse 129 dazu, die Messsonde 103 in der Muffe 107 zu fixieren. Die Kopplungshülse 129 weist ein zu einem Innengewinde 130 des zweiten Abschnitts 127 der Muffe komplementäres Außengewinde 128 auf. Damit ist die Kopplungshülse 129 in den zweiten Abschnitt 127 der Muffe 107 einschraubbar.
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3 b) zeigt eine vergrößerte Darstellung des in 3 a) mit A gekennzeichneten Bereichs der Messsonde 101, in der die Fixierung der Messsonde 103 in der Muffe 107 mittels des Fixierbundes 121 und der Kopplungshülse 129 zu sehen ist. Der Fixierbund 121 liegt mit seiner mediumszugewandten Stirnfläche über einen Dichtring 124 an der in der inneren Mantelfläche 108 gebildeten konischen Absatzfläche 123 an. Die von der Absatzfläche 123 abgewandte Stirnfläche des Fixierbundes 121 liegt gegen eine Stirnfläche 131 der Kopplungshülse 129 an. In dieser Anordnung drückt die Stirnfläche 131 der Kopplungshülse 129 den Fixierbund 121 über den Dichtring 124 gegen die als Widerlager dienende Absatzfläche 123 an, so dass der Fixierbund 121 zwischen der Kopplungshülse 129 und der Absatzfläche 123 formschlüssig und gedrückt gehalten ist. In einer Variante kann auch zwischen der Stirnfläche 131 der Kopplungshülse 129 und der von der Absatzfläche 123 abgewandten Stirnfläche des Fixierbundes 121 ein Dichtelement vorgesehen sein.
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Die Kopplungshülse 129 weist einen ersten Abschnitt 137 auf. Daran schließt sich nach einem Übergangsbereich ein zweiter Abschnitt 139 an, der einen geringeren Innendurchmesser aufweist als der erste Abschnitt 137. Der Übergangsbereich zwischen dem ersten Abschnitt 137 und dem zweiten Abschnitt 139 der Kopplungshülse 129 wird durch einen zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt liegenden Teilabschnitt gebildet, in dem der Innendurchmesser der Kopplungshülse 129 mit zunehmendem axialem Abstand von der an den Fixierbund 121 anliegenden Stirnfläche 131 kontinuierlich abnimmt. Die innere Mantelfläche der Kopplungshülse 129 bildet also in diesem Teilabschnitt eine Konusinnenfläche. Diese Konusinnenfläche bildet eine Anschlagfläche 133, an die eine komplementäre Anschlagfläche 135 angelegt werden kann, welche an der Außenfläche der Messsonde 103, im vorliegenden Beispiel genauer an der äußeren Mantelfläche der Kappe 119, gebildet ist. Die Anschlagfläche 135 ergibt sich aus einer kontinuierlichen Abnahme des Außendurchmessers der äußeren Mantelfläche der Kappe 119 und damit der Messsonde 103 innerhalb eines Teilabschnitts der Messsonde 103 bzw. der kappe 119 mit zunehmendem Abstand von dem Fixierbund 121. Die Außenfläche der Messsonde 103 bzw. der Kappe 119 ist in diesem Teilabschnitt 141 eine Konusaußenfläche. Im für den Messbetrieb eingebauten Zustand der Messsonde 103, dem Grundfunktionszustand der Messvorrichtung 101, liegen die beiden Anschlagflächen 133 und 135 einander in einem axialen Abstand d1 gegenüber.
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Kommt es bei der Messanordnung 101 aufgrund eines zu hohen Drucks an der Messstelle oder aufgrund von Materialermüdung zum Abreißen des Fixierbunds 121, kann sich die Messsonde 103, anders als bei der in 2 dargestellten Messanordnung, nur so weit in axialer, mediumsabgewandter Richtung bewegen, bis die beiden Anschlagsflächen 133 und 135 aneinander anliegen. Eine weitere Bewegung wird unterbunden. Die beiden Anschlagflächen 133 und 135 wirken also als Sicherungsstufe für die Fixierung der Messsonde 103.
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Dies wird anhand von 4 a) und b) deutlich, die die Messvorrichtung 101 der 3 a) und b) nach dem Abreißen des Fixierbundes 121 unter Einfluss einer in Richtung des Pfeils P wirkenden Kraft zeigen. In 4 b) ist der in 4 a) markierte Ausschnitt A vergrößert dargestellt. Der in 4 b) gezeigte Ausschnitt entspricht dem in 3 b) gezeigten Ausschnitt nach dem Fixierbundabriss.
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Im Fall eines Fixierbundabrisses bewegt sich die Messsonde 103 unter der Einwirkung des Prozessdrucks so weit in axialer Richtung bis die Anschlagflächen 133 und 135 aneinander anliegen. Die Messsonde 103 wird also relativ zu ihrer ursprünglichen Position innerhalb der Muffe 107 um eine Strecke verschoben, die gleich dem Abstand d1 ist, in dem sich die Anschlagflächen 133 und 135 im ursprünglichen Einbauzustand der Messsonde 103 (3 a) und b)) vor dem Fixierbundabriss, im Grundfunktionszustand der Messvorrichtung 101, befanden.
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Idealerweise sind die Anschlagflächen 133 und 135 geometrisch so aufeinander abgestimmt, dass sie möglichst passgenau aneinander anliegen. Entsprechend sollten die Neigungswinkel der Konusflächen nicht um mehr als 5°, vorzugsweise weniger als 1°, voneinander abweichen.
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Die Verschiebung der Messsonde 103 innerhalb der Muffe 107 um eine Strecke, deren Länge gleich dem Abstand d1 ist, bewirkt auch ein Zurückziehen des den Eintauchbereich 110 der Messsonde 103 umfassenden Endabschnitts 109 des Sondenschafts 105 um eine entsprechende Strecke. Die ursprüngliche Position ist in 4 a) als gestrichelte Linie angedeutet. Die Länge d1 ist vorzugsweise erheblich kürzer als die Länge d2 des im Grundfunktionszustand der Messvorrichtung 101 aus der Muffe 107 herausragenden Endabschnitts 109 des Sondenschafts 105. Auf diese Weise ist zum einen sichergestellt, dass bei einer Verschiebung der Messsonde 103 in axialer, mediumsabgewandter Richtung um eine Strecke der Länge d1 der Endbereich 109 des Sondenschafts 105 immer noch weit in das Messmedium 112 eingetaucht ist, so dass der Messbetrieb zumindest eine Zeit lang weiter aufrechterhalten werden kann, bis die aufgrund des Fixierbundabrisses defekte Messsonde 103 ausgetauscht wird. Zum anderen wird so vermieden, dass der Endabschnitt 109 des Sondenschafts 105 hinter die Dichtung 117 zurückgezogen wird (vgl. 2) und unkontrolliert Medium austreten kann. Im in 4 a) dargestellten Beispiel ragt der Sondenschaft 105 auch nach dem Abriss des Fixierbundes 121 und mit aneinander anliegenden Anschlagflächen 133, 135 noch so weit aus der Muffe 107 heraus, dass der Dichtring 117 nach wie vor flüssigkeitsdicht am Sondenschaft 105 anliegt.
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Um im Falle eines Fixierbundabrisses einen schnellen Austausch der Messsonde zu gewährleisten, kann in der Anschlussbaugruppe 113, an der Muffe 107 oder der Kopplungshülse 129 ein Vibrationssensor oder Beschleunigungssensor vorgesehen werden. Im Falle eines Fixierbundrisses kommt es durch das Aneinanderschlagen der Anschlagflächen 133, 135 zu einer Erschütterung, die der Vibrationssensor bzw. der Beschleunigungssensor erfasst. Anhand des Sensorsignals kann ein Alarmsignal, z.B. über die an der Anschlussbaugruppe 113 angeschlossene übergeordnete Einheit, ausgegeben werden.
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Eine andere, einfache Möglichkeit zur Signalisierung des Fixierbundabrisses besteht darin, den Teil der Mantelfläche der Messsonde 103, z.B. der Kappe 119, die im Grundfunktionszustand von der Kopplungshülse umschlossen und verdeckt ist, mit einer Signalfarbe zu versehen. Im Fall eines Fixierbundabrisses und axialen Verschiebung der Messsonde 103 in mediumsabgewandter Richtung, wird ein Abschnitt der so gefärbten Mantelfläche von der axialen Länge d1 aus der Kopplungshülse 129 herausgedrückt und somit sichtbar. Auf diese Weise kann eine Bedienperson bereits von außen erkennen, dass der Fixierbund abgerissen ist, und geeignete Maßnahmen ergreifen.
