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Die Erfindung betrifft eine Beschichtung für zumindest eine Komponente eines Feldgerätes der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik, welches zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis eingesetzt wird. Das Behältnis kann beispielsweise ein Rohr, ein Behälter oder auch ein Tank sein.
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Die zu überwachende Prozessgröße ist beispielsweise gegeben sein durch den Füllstand eines Mediums in einem Behälter oder den Durchfluss eines Mediums durch ein Rohr, aber auch durch die Dichte, die Viskosität, den pH-Wert, den Druck, die Leitfähigkeit, die Kapazität oder die Temperatur. Auch optische Sensoren, wie Trübungs- oder Absorptionssensoren sind bekannt. Die verschiedenen zugrundeliegenden Messprinzipien sowie die grundsätzlichen Aufbauten und/oder Anordnungen sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und vertrieben.
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Ein Feldgerät umfasst zumindest eine Sensoreinheit und eine Elektronikeinheit. Oftmals ist zumindest eine Komponente der Sensoreinheit zumindest zeitweise und teilweise medienberührend. Je nach Medium und/oder vorherrschenden Prozessbedingungen stellt dies unterschiedliche Anforderungen an die verwendeten Materialien, aus welchen die zumindest eine medienberührende Komponente gefertigt ist. Dies betrifft von den Prozessbedingungen her insbesondere hohe Prozessdrücke und/oder Prozesstemperaturen sowie anhaftende Medien. Infolge von Ansatzbildung zumindest an Teilbereichen der Sensoreinheit kann die Funktionsfähigkeit eines Feldgeräts deutlich eingeschränkt werden.
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Eine gängige Methode zur Vermeidung von und zum Schutz vor Korrosion, Abrasion oder Ablagerungen an zumindest einer Komponente eines Feldgeräts, oder zumindest an einem Teilbereich einer Komponente, besteht im Auftragen von Beschichtungen auf die jeweilige Oberfläche zumindest des Teilbereichs der jeweiligen Komponente. Meist treten solche Effekte vermehrt an denjenigen Komponenten eines Feldgeräts auf, welche mit einem Medium in Berührung kommen. Derartige Beschichtungen werden häufig auch als Antikorrosionsbeschichtungen oder Antihaftbeschichtungen bezeichnet. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass bei einer bestimmten Beschichtung oftmals gleichzeitig ein Schutz gegen Korrosion und Ablagerungen gegeben ist. Eine weitere Funktion einer entsprechenden Beschichtung kann im Schutz der jeweils beschichteten Komponente oder eines Teilbereichs einer Komponente vor Beschädigungen, beispielsweise durch Kratzer, gegeben sein.
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Typische Materialien, insbesondere für Antikorrosionsbeschichtungen, sind aufgrund ihrer sehr hohen chemischen Resistenz in hochkorrosiven Medien beispielsweise gegeben durch PFA, PTFE, PEEK, ECTFE oder auch FEP. Solche Beschichtungen können durch Temper- und/oder Sinterprozesse hergestellt werden und zeichnen sich durch eine exzellente chemische Beständigkeit, gute Antihafteigenschaften sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit (bis zu 250°C) auf. Ferner sind viele Kunststoffbeschichtungen elastisch und bieten eine elektrische Isolation zwischen dem Medium und den medienberührenden Komponenten der Sensoreinheit. Andere gängige Beschichtungsmaterialien sind beispielsweise gegeben durch Metalle, insbesondere Edelmetalle wie Gold oder Platin, welche mittels galvanischen Abscheide-, PVD-(physical vapour deposition), oder Sputterprozessen auf die jeweilige Komponente bzw. einen Teilbereich einer Komponente aufgebracht werden und ebenfalls einen sehr guten Schutz gegen Korrosion bieten.
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Ein bekanntes und vielfach eingesetztes Beispiel zur Vermeidung von Ablagerungen, oftmals auch als Ansatz bezeichnet, ist dagegen gegeben durch die Verwendung einer Beschichtung mit selbstreinigenden Eigenschaften. Hierbei handelt es sich vielfach um Beschichtungen, welche einen Lotus-Effekt aufweisen, im Folgenden auch als Lotus-Effekt Beschichtungen bezeichnet. Eine Anwendung derartiger Beschichtungen für ein Feldgerät ist beispielsweise in der
EP1083412A1 beschrieben.
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Unter dem Lotus-Effekt wird allgemein eine geringe Benetzbarkeit einer Oberfläche verstanden, wie sie beispielsweise bei der Lotuspflanze beobachten ist. Die Ursache für den Lotus-Effekt liegt in einer hydrophoben Doppelstruktur der jeweiligen Oberfläche. Durch die Doppelstruktur reduziert sich nämlich die Kontaktfläche und damit einhergehend wirkende Adhäsionskräfte zwischen der Oberfläche und sich auf der Oberfläche befindenden Partikeln so stark, dass sich die Partikel nicht auf der Oberfläche ablagern können. Die Erforschung einer technischen Anwendung des Lotus-Effekts für selbstreinige Oberflächen geht auf W. Barthlott zurück. Entsprechende Oberflächen finden in vielen verschiedenen Bereichen Anwendung und werden allgemein durch Mikro- oder Nanostrukturierungen superhydrophober Oberflächen hergestellt. Hierfür sind im Laufe der Zeit verschiedenste chemische und physikalische Verfahren bekannt geworden.
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Die Verwendung von Lotus-Effekt Beschichtungen zur Vermeidung von Ablagerungen und/oder Korrosion findet jedoch Grenzen bei bestimmten Medien. Dabei handelt es sich insbesondere um feine, pulverförmige Medien, wie beispielsweise Flugasche und andere feine Stäube, aber auch um salzhaltige Medien oder Lösungen organischer Stoffe. Stäube enthalten beispielsweise Partikel mit Durchmessern von kleinerer oder gleicher Größenordnung sind wie die Profile der mikro- oder nanostrukturierten Profile eine Lotus-Effekt Beschichtung. Entsprechend können sich diese Partikel auf einer einen Lotus-Effekt zeigenden Oberfläche ablagern und/oder dort anhaften. Ähnliches gilt für kleine Salzpartikel, welche sich beispielsweise bei der Verdunstung salzhaltiger Lösungen ablagern und/oder dort anhaften können
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Im Falle feiner Aschepartikeln oder von Wasserdampf bildet sich dann mit der Zeit ein Belag, welche den Selbstreinigungseffekt der Lotus-Effekt Beschichtung deutlich verringert. Dagegen hinterlassen salzhaltige Medien beim Trocknen feine Salzkristalle auf der jeweiligen Oberfläche, welche den Selbstreinigungseffekt aufgrund ihrer geringen Größe ebenfalls deutlich reduzieren.
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Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät bereitzustellen, welches für einen dauerhaften Einsatz in anhaftenden Medien geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Feldgerät für die Prozess- und/oder Automatisierungstechnik zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer chemischen oder physikalischen Prozessgröße eines Mediums in einem Behältnis umfassend zumindest eine Elektronikeinheit und eine Sensoreinheit, wobei zumindest eine Komponente der Sensoreinheit zumindest in einem Teilbereich und zumindest zeitweise medienberührend ist, wobei zumindest der medienberührende Teilbereich mit einer Beschichtung versehen ist, und wobei die die chemischen Bindungskräfte innerhalb des Materials, aus welchem die Beschichtung gefertigt ist, in einer ersten Ebene größer ist als in einer zweiten zur ersten orthogonalen Ebene.
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Die Beschichtung ist auf nanoskaliger Ebene aus übereinander angeordneten Lagen aufgebaut. Innerhalb einer Lage sind dann die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Atomen oder Molekülen deutlich größer als jene Bindungskräfte, welche sich zwischen den einzelnen Lagen ausbilden. Die Bindungskräfte sind also in Richtung zweier eine Ebene aufspannender Orthogonalrichtungen größer als in einer dritten Orthogonalrichtung. Beispielweise können innerhalb einer Lage oder Ebene die chemischen Bindungskräfte durch kovalente Bindungen dominiert sein, während sich die Bindungskräfte zwischen einzelnen Lagen, also entlang der dritten Orthogonalrichtung, oder parallel zur zweiten Ebene, in Form von van-der-Waals-Kräften ausbilden. Für Materialien mit einer derartigen Richtungsabhängigkeit der Bindungskräfte kommt es zu einer deutlichen Anisotropie in Bezug auf mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften. Als Konsequenz ist das Material senkrecht zu der ersten Ebene, innerhalb welcher die Bindungskräfte größer sind, leicht spaltbar. Aufgrund dieses Effekts können einzelne nanoskalige Schichten, oder Lagen, des Beschichtungsmaterials leicht entfernt bzw. abgeschält werden. Wenn sich beispielsweise an den äußersten Lagen der Beschichtung Ablagerungen ansammeln, so können diese gemeinsam mit den äußersten Lagen entfernt werden. Dabei ist es sowohl denkbar, dass sich diese Lagen durch das zusätzliche Gewicht der Ablagerungen von selbst lösen und abfallen. Andererseits können sie aber auch zumindest von dem Teilbereich der zumindest einen Komponente abgeklopft werden.
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Durch die gute Spaltbarkeit der Beschichtung entlang einer Vorzugsrichtung kann die Sensoreinheit stets frei von Ablagerungen betrieben werden. Es handelt sich bei der vorliegenden Erfindung also im Prinzip um eine Beschichtung, welche aus, nanoskaligen und übereinander angeordneten Opferschichten in Form einer oder mehrerer Lagen aufgebaut ist. Ein Feldgerät mit einer derartigen Beschichtung findet auch für solche Medien Anwendung, bei welchen Lotus-Effekt Beschichtungen oder ähnliche an ihre Grenzen stoßen.
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Es ist von Vorteil, wenn die erste Ebene parallel zur Oberfläche des zumindest einen Teilbereichs der zumindest einen Komponente verläuft. Die einzelnen Lagen der Beschichtung parallel zur ersten Ebene verlaufen übereinander angeordnet parallel zu zumindest dem zumindest einem Teilbereich der zumindest einen Komponente. Diese Ausrichtung definiert eine Vorzugsrichtung für die Abspaltung einzelner Lagen derart, dass die Beschichtung gleichmäßig über die gesamte beschichtete Oberfläche abgetragen, oder abgeschält wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Beschichtung aus Graphit, Bornitrid oder Talk. Graphit als eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs besteht aus parallel übereinander angeordneten lagen, den sogenannten Basalebenen. Innerhalb einer Basalebene liegen die einzelnen kovalent verknüpften sp2 hybridisierten Kohlenstoffatome in einem hexagonalen Kristallsystem vor. Die Bindungsenergien betragen ca. 4,3eV. Zwischen den einzelnen Basalebenen beträgt die Bindungsenergie dagegen lediglich 0,07eV. Die kristalline Struktur von Bornitrid ist strukturell ähnlich zu derjenigen von Graphit. Einzelne nanoskalige Schichten einer planaren, hexagonalen Wabenstruktur, in welcher die Bor- und Stickstoffatome abwechselnd vorkommen, sind parallel übereinander angeordnet. Dagegen kristallisiert Talk, auch als Steatit oder Mangesiumsilikathydrat bezeichnet, je nach Modifikation in einem monoklinen oder triklinen Kristallsystem.
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Es ist von Vorteil, wenn die Dicke der Beschichtung im Bereich zwischen 0,1–3mm liegt. Die Dicke bezeichnet hierbei die Ausdehnung der Beschichtung parallel zur zweiten Ebene. Eine entsprechend dicke Beschichtung reicht, um hunderte Male einzelne nanoskalige Opferschichten, also Lagen, welche parallel zur ersten Ebene verlaufen, zu entfernen. Für die Mehrzahl aller Anwendungen ist die Dicke der Beschichtung damit über die gesamte Lebensdauer des jeweiligen Feldgeräts ausreichend.
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In einer Ausgestaltung ist das Feldgerät ein vibronischer Sensor, wobei die Sensoreinheit zumindest eine schwingfähige Einheit umfasst, welche zumindest in einem Teilbereich medienberührend ist. Insbesondere handelt es sich um ein vibronisches Messgerät zur Erfassung eines vorgebbaren Füllstands, der Dichte oder der Viskosität eines Mediums. Die schwingfähige Einheit kann beispielsweise gegeben sein durch eine Schwinggabel, einen Einstab oder auch eine Membran.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist das Feldgerät ein Radar-Füllstandsmessgerät, wobei die Sensoreinheit zumindest eine Antenneneinheit umfasst, welche zumindest in einem Teilbereich medienberührend ist. Die Antenneneinheit umfasst beispielsweise eine Stabantenne, eine Hornantenne, eine Parabolantenne, ein Tropfenantenne oder auch eine Planarantenne.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für ein Feldgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- – Aufbringen des Materials, aus welchem die Beschichtung besteht, auf zumindest einen Teilbereich der zumindest einen Komponente der Sensoreinheit,
- – Herstellen einer kristallinen Ordnung derart, dass die Bindungskräfte in einer ersten Ebene größer ist als in einer zweiten zur ersten orthogonalen Ebene.
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Zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Oberfläche sind unterschiedlichste Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt. Beschichtungen werden unter anderem durch galvanische Abscheidungsprozesse, Sputter-Prozesse, mittels PVD (physical vapour deposition) oder CVD (chemical vapour deposition) basierter Verfahren, oder auch durch Temper- oder Sinterverfahren und viele mehr auf die jeweilige Oberfläche aufgebracht. Allen Verfahren ist gemeinsam, dass sich innerhalb der Beschichtung lediglich Nahordnungen ausbilden. Im Falle von kristallinen Beschichtungsmaterialien bildet sich die kristalline Ordnung beispielsweise je nur in kleinen Bereichen einheitlich aus. Es ist keine Vorzugsrichtung bezüglich der kristallinen Strukturen vorhanden. Durch geeignete Verfahrensschritte kann die Beschichtung jedoch derart ausgerichtet werden, dass sich eine gewünschte Vorzugsrichtung in Bezug auf die, Bindungskräfte ausbildet. Als Konsequenz sind die Bindungskräfte in Richtung der ersten Ebene, welche bevorzugt parallel zur jeweiligen Oberfläche verläuft, größer als in der zur ersten Ebene orthogonalen zweiten Ebene.
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Mit anderen Worten: Es wird eine polykristalline Beschichtung auf die jeweilige Oberfläche, bzw. auf zumindest einen Teilbereich zumindest einer Komponente einer Sensoreinheit, aufgebracht, für welche mittels eines geeigneten Umformprozesses (z. B. Kaltwalzen, Ziehen, Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Felds) eine bestimmte Textur erzeugt wird. Dabei bezeichnet der Begriff Textur die Gesamtheit aller Orientierungen der Kristallite eines mehrkristallinen Festkörpers, und ist damit ein Maß für die Anisotropie verschiedener physikalischer und chemischer Eigenschaften des jeweiligen Materials.
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In einer Ausgestaltung wird das Material, aus welchem die Beschichtung besteht, in Form eines Pulvers aufgetragen, oder in Form von Plättchen zumindest auf den Teilbereich aufgetragen oder aufgeklebt. Die Plättchen, welche auch in Form von Folien vorliegen können, können beispielsweise vor dem Aufbringen auf die jeweils zu beschichtende Oberfläche bereits bezüglich der kristallinen Ordnung ausgerichtet sein.
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In einer Ausgestaltung wird die kristalline Ordnung durch einen Walzprozess hergestellt. Nach dem Auftragen der Beschichtung, beispielsweise in Form eines Pulvers, auf die jeweilige Oberfläche zumindest eines Teilbereichs zumindest eine Komponente der Sensoreinheit wird die Beschichtung auf der Oberfläche gewalzt. Dadurch richten sich die einzelnen Partikel, aus welchen das Material, aus welchem die Beschichtung besteht, entlang einer Vorzugsrichtung, insbesondere mit einer Vorzugsrichtung parallel zur Oberfläche, aus. Alternativ, oder auch ergänzend zu einem Walzprozess kann die kristalline Ordnung auch durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes hergestellt werden. Dafür muss das Beschichtungsmaterial jedoch derart beschaffen liegen, dass die einzelnen Atome, Moleküle oder Partikel ein elektrisches oder magnetisches Dipolmoment aufweisen.
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Ein erfindungsgemäßes Feldgerät nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen kann vorteilhaft zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Feststoffs verwendet werden. Wie eingangs bereits ausgeführt, kommen Beschichtungen mit selbstreinigen Eigenschaften insbesondere im Falle von feinen Stäuben schnell an ihre Grenzen. Das betrifft insbesondere Flugasche. Hier ist die erfindungsgemäße Lösung einer Beschichtung aus nanoskaligen Opferschichten vorteilhaft zur Vermeidung von Ablagerungen des jeweiligen Mediums.
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Das erfindungsgemäße Feldgerät nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen kann vorteilhaft im Falle der Bildung von Ablagerungen an zumindest einem Teilbereich von zumindest einer Komponente der Sensoreinheit eine nanoskalige Opferschicht der Beschichtung entfernt wird. Die nanoskalige Opferschicht wird also gemeinsam mit den Ablagerungen entfernt. Anschließend kann das Feldgerät frei von Ablagerungen weiterbetrieben werden, und die ggf. störenden Einflüsse der Ablagerungen auf den jeweiligen Messprozess müssen nicht durch zusätzliche Auswerteverfahren oder ähnliches kompensierst werden. Entweder eine nanoskalige Opferschicht löst sich aufgrund des zusätzlichen Gewichts durch die Ansammlung von Ablagerungen an den äußersten Lagen der Beschichtung von selbst. Oder die nanoskalige Opferschicht wird durch leichtes Klopfen gegen zumindest eine Komponente der Sensoreinheit, beispielsweise mittels eines geeigneten Hammers, abgelöst.
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Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1–3 näher beschrieben. Es zeigt:
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1: (a) eine planare Oberfläche, auf welche eine erfindungsgemäße Beschichtung aufgetragen ist (a) vor und (b) nach dem Herstellen eine über größere Bereiche verlaufenden kristallinen Ordnung,
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2: ein vibronisches Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung, und
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3: ein Radar-Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung.
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In 1a) ist schematisch ein Teilbereich 1 einer Komponente der Sensoreinheit eines Feldgeräts mit einer Oberfläche 1a dargestellt, auf welcher eine Beschichtung 2 aufgebracht ist. Die Oberfläche ist Teil einer Komponente eines Teilbereiches einer Komponente der Sensoreinheit eines Feldgeräts, welche im fortlaufenden Prozess einem Medium ausgesetzt ist.
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Bei der Beschichtung 2 kann es sich beispielsweise um Graphit handeln. Wird die Beschichtung 2 beispielsweise mittels eines Pulvers aufgebracht, so bildet sich zwischen den einzelnen Atomen lediglich über kleinere Bereiche 3 eine einheitliche kristalline Ordnung aus. Es liegt also lediglich eine Nahordnung der Atome vor.
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Beispielsweise mittels eines Walzprozesses lässt sich jedoch eine Vorzugsrichtung für die kristalline Ordnung innerhalb der Beschichtung 2 definieren. Das Resultat ist schematisch in 1b) dargestellt. Das Material, aus welchem die Beschichtung ist dadurch charakterisiert, dass die Bindungskräfte entlang einer ersten Ebene E1 größer sind als entlang einer zur ersten Ebene E1 orthogonal verlaufenden zweiten Ebene E2. Die zwischen den einzelnen Atomen parallel zur ersten Ebene E1 sind größer als diejenigen zwischen den einzelnen Atomen parallel zur Ebene E2. Entsprechend sind die Abstände zwischen den einzelnen Atomen parallel zur ersten Ebene E1 kleiner als die Abstände zwischen den einzelnen Atomen parallel zur zweiten Ebene E2. Im Falle von Graphit wird eine Atomlage parallel zur Ebene E1 als Basalebene bezeichnet. Eine oder auch ein paar benachbarte Basalebenen bilden dann jeweils eine nanoskalige Opferschicht, welche zusammen mit sich im der Oberfläche 1 abgewandten Endbereich der Beschichtung ansammelnden Ablagerungen entfernt werden können 4. Bei den Ablagerungen handelt es sich beispielsweise um feine Stäube, insbesondere Flugasche, oder auch um salzhaltige Medien.
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In 2a) ist beispielshaft ein vibronisches Füllstandsmessgerät 5 gezeigt. Eine Sensoreinheit 6 mit einer mechanisch schwingfähigen Einheit 9 in Form einer Schwinggabel taucht teilweise in ein Medium 8 ein, welches sich in einem Behälter 7 befindet. Alternativ sind auch Ausgestaltungen bekannt, bei denen die schwingfähige Einheit ein Einstab oder eine Membran ist. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT und SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt geworden. Die schwingfähige Einheit 9 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 10, in der Regel einer elektromechanischen Wandlereinheit, zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb, aber auch eine elektromagnetische oder auch magnetostriktive Antriebs-/Empfangseinheit sein. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit 10 die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 9 empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln. Bei der Antriebs-/Empfangseinheit 10 handelt es sich entsprechend entweder um eine separate Antriebseinheit und eine separate Empfangseinheit, oder um eine kombinierte Antriebs-/Empfangseinheit 10. Das Anregesignal wird ausgehend vom Empfangssignal innerhalb einer Elektronikeinheit 7 erzeugt, mittels welcher allgemein die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
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Zur Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit
9 sind unterschiedlichste, sowohl analoge als auch digitale Verfahren entwickelt worden. In vielen Fällen ist die Antriebs-/Empfangseinheit
10 Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit
9 zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥ 1 sowie alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Dies hat zur Folge, dass eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet werden muss. Hierfür sind unterschiedlichste Lösungen bekannt geworden, wie beispielsweise in den Druckschriften
DE102006034105A1 ,
DE102007013557A1 ,
DE102005015547A1 ,
DE102009026685A1 ,
DE102009028022A1 ,
DE102010030982A1 und
DE00102010030982A1 beschrieben.
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Sowohl das Anregesignal als auch das Empfangssignal sind charakterisiert durch ihre Frequenz, Amplitude und/oder Phase. Änderungen in diesen Größen werden dann üblicherweise zur Bestimmung der jeweiligen Prozessgröße herangezogen, wie beispielsweise ein vorgegebener Füllstandes eines Mediums 8 in einem Behälter 7, oder auch die Dichte und/oder Viskosität eines Mediums 7. Im Falle eines vibronischen Grenzstandschalters wird beispielsweise unterschieden, ob die schwingfähige Einheit 9 vom Medium 8 bedeckt ist oder frei schwingt. Diese beiden Zustände, der Freizustand und der Bedecktzustand, werden dabei beispielsweise anhand unterschiedlicher Resonanzfrequenzen, also einer Frequenzverschiebung, oder anhand einer Dämpfung der Schwingungsamplitude, unterschieden.
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Die Dichte und/oder Viskosität wiederum lassen sich mit einem derartigen Messgerät nur ermitteln, wenn die schwingfähige Einheit
9 zumindest teilweise vom Medium
8 bedeckt ist. Die der Bestimmung der Viskosität zugrundeliegenden Prinzipien sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE10050299A1 ,
DE102006033819A1 und
DE102007043811A1 bekannt geworden. Zur Bestimmung und/oder Überwachung der Dichte eines Mediums wird hingegen auf die
DE10057974A1 oder
DE102006033819A1 verwiesen.
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Im fortlaufenden Betrieb können sich je nach Medium 8 leicht Ablagerungen 4 an der schwingfähigen Einheit 9 bilden, wie in den 2b–c) skizziert. In Folge solcher Ablagerungen 4 ändert sich die Schwingungscharakteristik der schwingfähigen Einheit 9, was die Bestimmung und/oder Überwachung der jeweiligen Prozessgröße behindern und im schlimmsten Fall unmöglich machen kann. Insbesondere ändert sich aufgrund der wachsenden Masse die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 9, was einen Einfluss auf einen vordefinierten Schaltpunkt, welcher dem Erreichen des jeweils vorgegebenen Füllstands entspricht, hat. Darüber hinaus kann es durch die sich bildenden Ablagerungen 4 zu Korrosion kommen.
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Wird die schwingfähige Einheit 9 jedoch mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 2 gesehen, wie in 2b) gezeigt, so können die sich mit der Zeit bildenden Ablagerungen 4 stets entfernt werden. Die Beschichtung 2 ist aus mehreren nanoskaligen übereinander angeordneten Opferschichten 2a, 2b aufgebaut, welche jeweils aus einer oder mehrerer Lagen der jeweiligen Atome, Moleküle oder Partikel bestehen, aus welchen die Beschichtung 2 besteht. Im Falle, dass sich Ablagerungen 4 an der schwingfähigen Einheit 9 bilden, so kann dies dazu führen, dass sich die äußerste nanoskalige Opferschicht 2 von selbst zusammen mit den Ablagerungen 4b von der schwingfähigen Einheit 9 ablöst. Alternativ kann diese Schicht 2b zusammen mit den Ablagerungen von der schwingfähigen Einheit 9 abgeklopft werden. Durch den Masseverlust aufgrund des Entfernens einer nanoskaligen Opferschicht 2b ändert sich zwar die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 9 mit der Zeit ebenfalls, jedoch kann das Feldgerät 5 nach jedem Abtragen einer Opferschicht neu kalibriert werden, so dass immer eine definierte Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit 9 ohne Kontakt mit dem jeweiligen Medium 8 verfügbar ist. Im Beispiel gemäß der Figuren 2b) und 2c) sind lediglich zwei nanoskalige Opferschichten eingezeichnet. Es versteht sich jedoch von selbst, dass im Falle einer Schicht mit einer Schichtdicken von 0,1–3mm hunderte solcher Opferschichten übereinander angeordnet sind.
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Ein weiteres Beispiel für ein Feldgerät, für welches eine aus nanoskaligen Opferschichten aufgebaute Beschichtung 2 vorteilhaft ist, ist ein Radar-Füllstandsmessgerät 12, wie in 3 gezeigt. Ein Medium 8 befindet sich in einem Behälter 7. Das Messgerät 12 umfasst eine Elektronikeinheit 11 und eine Sensoreinheit 6 mit einer Antenneneinheit 13, in diesem Beispiel mit einer einzigen Antenne, die sowohl sendet als auch empfängt.
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Die den Radar-Füllstandsmessgeräten 12 zugrunde liegenden Messprinzipien sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf nach dem Laufzeitprinzip arbeitende und frei abstrahlende Messgeräte 12. Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung MIKROPILOT vertrieben.
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Bei der Laufzeit-Messmethode werden Sendesignale S in Form von Mikrowellen oder Ultraschallwellen über eine Antenneneinheit 13 in Form von freier Strahlung ausgestrahlt oder ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche 8a reflektierten Echowellen E detektiert werden, wobei die Laufzeit des Messsignals ein Maß für den Abstand zwischen der Antenneneinheit 13 und der Oberfläche 8a des Mediums 8 ist. Die sogenannte Echokurve stellt dabei den gesamten Signalverlauf als Funktion der Zeit dar, wobei jeder Messwert der Echokurve der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand an einer Oberfläche reflektierten Echosignals entspricht. Entsprechend lässt sich aus dieser Kurve aufgrund der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals S der Füllstand bestimmen und/oder überwachen. Dabei können viele verschiedene Ermittlungsverfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise eine Zeitdifferenzmessung, bei der die Zeit, die ein breitbandiger Wellensignalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt, ermittelt wird. Alternativ wird bei der Kippfrequenzdifferenzmessung (FMCW – Frequency-Modulated Continuous Wave) ein ausgesendetes, frequenzmoduliertes Hochfrequenzsignal zu einem reflektierten, empfangenen, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignal ermittelt. Daneben sind jedoch auch noch andere Ermittlungsverfahren bekannt, auf welche im Folgenden nicht näher eingegangen wird.
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Bevorzugt werden solche Antennen eingesetzt, deren Abstrahlcharakteristiken eine einzige dominante Hauptkeule mit möglichst geringem Öffnungswinkel aufweisen, damit die Füllstandsmessung möglichst unbeeinträchtigt von seitlich in den Behältern eingebrachten Bauelementen oder weiteren Messgeräten erfolgen kann. Häufig kommen Stabantennen, Hornantennen, Parabolantennen, Tropfenantennen oder auch Planarantennen zum Einsatz. Ähnlich wie im Falle eines vibronischen Sensors kann es im fortlaufenden Betrieb leicht zu Ablagerungen 4, insbesondere an der Antenneneinheit 13, kommen, welche den Messprinzip stören können. Insbesondere im Falle von feinen Stäuben oder salzhaltigen Medien ist dann eine erfindungsgemäße Beschichtung 2, zumindest eines Teilbereichs der Antenneneinheit 13, von Vorteil.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Oberfläche eines Teilbereichs einer Komponente, oder einer Komponente einer Sensoreinheit eines Feldgeräts
- 2
- Beschichtung
- 3
- Nahordnung
- 4
- Ablagerungen
- 5
- Vibronischer Sensor
- 6
- Sensoreinheit
- 7
- Behälter
- 8
- Medium
- 9
- Schwingfähige Einheit
- 10
- Antriebs-/Empfangseinheit
- 11
- Elektronikeinheit
- 12
- Radar-Füllstandsmessgerät
- 13
- Antenneneinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1083412 A1 [0006]
- DE 102006034105 A1 [0034]
- DE 102007013557 A1 [0034]
- DE 102005015547 A1 [0034]
- DE 102009026685 A1 [0034]
- DE 102009028022 A1 [0034]
- DE 102010030982 A1 [0034]
- DE 00102010030982 A1 [0034]
- DE 10050299 A1 [0036]
- DE 102006033819 A1 [0036, 0036]
- DE 102007043811 A1 [0036]
- DE 10057974 A1 [0036]
