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Die Erfindung betrifft eine stabförmige Messelektrode für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser, die aus einem eine Keramikkomponente und eine Edelmetallkomponente umfassenden Cermet besteht und an einem Ende des Stabes eine zum Kontakt mit einem Messmedium vorgesehene Stirnfläche aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein keramisches Messrohr mit Löchern, in denen eine solche Messelektrode eingesetzt, insbesondere eingesintert ist, sowie einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einen solchen Messrohr.
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Magnetisch-induktive Durchflussmesser bestehen im Allgemeinen aus einem magnetisch nichtleitenden Messrohr mit einer elektrisch nichtleitenden Innenfläche, außen auf dem Messrohr diametral angeordneten Magnetspulen und mindestens zwei Messelektroden, die durch die Rohrwand hindurchgeführt sind und mit einem das Rohr durchströmenden Messmedium in Kontakt stehen. Mit Hilfe der Magnetspulen wird ein getaktetes Magnetfeld erzeugt, das das Messrohr und das darin fließende Messmedium senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzt. In dem Messmedium, das eine elektrische Leitfähigkeit oberhalb einer Mindestleitfähigkeit aufweisen muss, wird eine Signalspannung erzeugt, die mit Hilfe der Messelektroden abgegriffen und anschließend ausgewertet wird.
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Für das Messrohr und die Messelektroden bestehen hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Messmedium, an die Druck- und Temperaturfestigkeit sowie an die Dichtigkeit der Messelektroden-Durchführungen. Die Messelektroden müssen außerdem einen guten elektrischen Übergang zu dem Messmedium gewährleisten.
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Wegen der hohen Materialkosten für Platin oder andere geeignete Edelmetalle werden in der
DE 10 2005 029 324 A1 zweiteilige Messelektroden mit einem das Messmedium kontaktierenden Kopfabschnitt aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung mit z. B. Platin, Gold oder Tantal als Hauptbestandteil sowie mit einem Schaftabschnitt aus einem unedlen Metall oder einer Metalllegierung mit z. B. Eisen, Zink oder Kupfer als Hauptbestandteil vorgeschlagen.
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Wie z. B. aus der
DE 43 35 697 A1 bekannt ist, erfüllen Messrohre aus Keramik in hohem Maße die oben genannten Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Druck- und Temperaturfestigkeit, jedoch ist die Herstellung hochdichter Durchführungen von Metallelektroden schwierig. Es wurden daher Messelektroden aus Cermet, einem Verbundwerkstoff aus Keramik und Metall (z. B. Platin) vorgeschlagen. So kann eine als Stab ausgebildete Cermet-Messelektrode in eine Bohrung der grünen Keramik des Messrohres gesteckt und zusammen mit dieser gesintert werden. Beim Sintern verbindet sich der keramische Anteil der Messelektrode mit der umgebenden Keramik, wobei eine keramische Fügezone ohne potenzielle Leckstelle zwischen dem Messrohr und der Messelektrode entsteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Edelmetallanteil in einer Cermet-Messelektrode zu verringern.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene stabförmige Messelektrode gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messelektrode sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine stabförmige Messelektrode für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser, die aus einem eine Keramikkomponente und eine Edelmetallkomponente umfassenden Cermet besteht und an einem Ende des Stabes eine zum Kontakt mit einem Messmedium vorgesehene Stirnfläche aufweist, wobei der Anteil der Edelmetallkomponente in dem Cermet über die Länge des Stabes von einem Anfangswert an dem einen Ende auf einen im Vergleich zum Anfangswert kleineren Endwert an dem anderen Ende abnimmt.
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Gegenstand der Erfindung sind ferner ein keramisches Messrohr für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit Löchern, in denen eine solche Messelektrode eingesetzt, insbesondere eingesintert ist, sowie ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einem solchen Messrohr.
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Bei der Edelmetallkomponente kann es sich um ein Reinmetall, wie z. B. Platin oder Palladium, oder um eine Metalllegierung, wie z. B. Platin-Iridium, handeln. Dabei ist insbesondere Platin wegen seiner Beständigkeit für viele Anwendungen z. B. in den Bereichen Wasser und Abwasser, der chemischen und pharmazeutischen Industrie und der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie geeignet.
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Der Anteil der Edelmetallkomponente in dem Cermet kann über die Länge der Messelektrode linear abnehmen. In besonders vorteilhafter Weise verläuft die Abnahme von dem einen das Messmedium kontaktierenden Ende aus in einem ersten Längenabschnitt der Messelektrode stärker und anschließend in einem zweiten Längenabschnitt bis zum anderen Ende hin flacher. Der hauptsächliche Edelmetallanteil findet sich dann in dem zum Messmedium nahen Bereich der Messelektrode, so dass ein guter elektrischer Kontakt zu dem Messmedium besteht. Je höher der Anfangswert des Edelmetallanteils an der unmittelbar mit dem Messmedium in Kontakt stehenden Stirnfläche der Elektrode ist, um so kürzer kann der erste Längenabschnitt der Messelektrode mit dem höheren Edelmetallanteil sein. Eine optimale Edelmetalleinsparung kann dadurch erreicht werden, dass der Anteil der Edelmetallkomponente in dem Cermet in dem ersten Längenabschnitt vollständig auf den Endwert abfällt. Der zweite Längenabschnitt der Messelektrode dient dann nur zur elektrischen Verbindung zu dem anderen Ende der Elektrode hin, wo diese mit einer Anschlussleitung verbunden werden kann. Der Endwert für den Edelmetallanteil wird so gering wie möglich gewählt, um gleichzeitig noch eine ausreichende Leitfähigkeit der Messelektrode in ihrem zweiten Längenabschnitt zu erhalten.
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Um den Edelmetallanteil in dem zweiten Längenabschnitt der Messelektrode weiter, vorzugsweise bis auf null reduzieren zu können, kann das Cermet weiterhin eine unedle Metallkomponente oder eine Graphitkomponente umfassen, deren Anteil in dem Cermet über die Länge des Stabes von einem Anfangswert an dem anderen, zum Kontaktieren mit der Anschlussleitung vorgesehenen Ende auf einen im Vergleich zu diesem Anfangswert kleineren Endwert an dem das Messmedium kontaktierenden Ende abnimmt. Der Endwert für den Anteil der unedlen Metallkomponente oder Graphitkomponente ist vorzugsweise zumindest annähernd Null; d. h. in dem Bereich der Messelektrode, wo sie in Kontakt mit dem Messmedium ist, liegt keine unedle Metallkomponente vor. Bei der unedlen Metallkomponente handelt es sich vorzugsweise um Nickel oder ein Refraktärmetall wie Titan, Zirconium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram.
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Die Länge der Messelektrode entspricht oder ist größer als die Wanddicke des Messrohres in das die Messelektrode eingesetzt, vorzugsweise eingesintert, wird. Um den Materialaufwand für die Messelektrode weiter zu verringern, kann sie an dem von dem das Medium kontaktierenden Ende abgewandten anderen Ende ein Sackloch enthalten, in dem oder an dessen Bodenfläche die Kontaktierung mit der Anschlussleitung erfolgt. Das Vorhandensein der Edelmetallkomponente in dem Cermet kann dann ausschließlich auf den Bereich zwischen dem das Messmedium kontaktierenden Ende der Messelektrode und der Bodenfläche des Sackloches beschränkt sein. Im Bereich der Bodenfläche des Sackloches entspricht der Anteil der Edelmetallkomponente in dem Cermet dem Endwert und ist im Bereich zwischen der Bodenfläche des Sackloches und dem anderen Ende der Messelektrode vorzugsweise Null.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen:
- 1 einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser,
- 2 und 3 Beispiele einer stabförmigen Cermet-Messelektrode,
- 4 bis 7 unterschiedliche Beispiele für die Zusammensetzung des Cermets.
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Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren, wenn nicht anders angegeben, keine Größenverhältnisse.
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1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers 1 mit einem Messrohr 2 aus Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid oder teilstabilisiertes Zirkonoxid. Durch das Messrohr 2 strömt ein Messmedium 3, welches zumindest in einem geringfügigen Maße elektrisch leitfähig ist. In zwei diametral gegenüberliegenden Löchern 4, 5 des Messrohres 2 sind zwei Messelektroden 6, 7 eingesetzt, die mit dem durchströmenden Messmedium 3 in Kontakt stehen. Quer zur Verbindungsstrecke zwischen den Elektroden 6, 7 sind außen an dem Messrohr 2 zwei Magnetspulen 8, 9 diametral gegenüberliegend angeordnet. Die Magnetspulen 8, 9 werden aus einer Treiberschaltung 10 mit einem periodisch ein- und ausgeschalteten oder umgepolten Strom versorgt und erzeugen ein das Messrohr 6 und das darin fließende Messmedium 3 durchsetzendes getaktetes Magnetfeld bzw. Wechselmagnetfeld 11. Aufgrund der quer zu dem Magnetfeld 11 verlaufenden Strömung des Messmediums 3 wird eine Messspannung induziert, die über die beiden Messelektroden 6, 7 abgegriffen und anschließend in einer Auswerteeinrichtung 12 zu einem Messergebnis 13 für den Durchfluss des Messmediums 3 ausgewertet wird.
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2 zeigt beispielhaft eine der beiden baugleichen Messelektroden 6, 7, hier die Messelektrode 6, in Form eines Stabes mit Kreisquerschnitt. Die an einem Ende 14 des Stabes vorhandene Stirnfläche 15 dient zur Kontaktierung mit dem Messmedium 3, während das andere Ende 16 der Messelektrode 6, 7 zur Kontaktierung mit einer Anschlussleitung 17 zu der Auswerteeinrichtung 12 dient. Der Durchmesser der Messelektrode 6 beträgt beispielsweise 2,2 mm und ihre Länge 4 mm.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel der stabförmigen Messelektrode 6, die an dem Ende 16 ein sich hier z. B. bis zur halben Länge 1 in die Messelektrode 6 erstreckendes Sackloch 18 enthält. Die Bodenfläche 19 des Sackloches 18 dient zur Kontaktierung mit der Anschlussleitung 17. Die Kontaktierung kann, wie auch im Beispiel der 2, durch Löten, Schweißen, Bonden oder mittels eines leitfähigen Klebers erfolgen. Zur Sicherung der Kontaktierung kann das Sackloch mit einem Vergussmaterial wie z. B. Epoxidharz gefüllt sein.
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Die 4 bis 7 zeigen unterschiedliche Beispiele für die Zusammensetzung des Cermets der Messelektrode 6, 7 mit einem Durchmesser von beispielsweise 2,2 mm. Die Messelektrode 6, 7 erstreckt sich in Längsrichtung von 0 mm an dem einen Ende 14 mit der das Messmedium 3 kontaktierenden Stirnfläche 15 bis 4 mm an dem anderen Ende 16. Bei dem gezeigten Beispielen enthält das Cermet Platin (Pt) als Edelmetallkomponente und eine Aluminiumoxid-Keramik. Bei den Beispielen nach 5 und 7 enthält das Cermet zusätzlich eine unedle Metallkomponente, hier z. B. Wolfram (W). Die Beispiele von 6 und 7 beziehen sich auf eine Messelektrode 6, 7 mit Sackloch 18, dessen Bodenfläche 19 bei 2 mm liegt.
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Bei dem in 4 gezeigten Beispiel liegt der Platinanteil des Cermets im Bereich der Stirnfläche 15 bei 70 Vol.-%, so dass ein guter Kontakt zu dem Messmedium 3 erreicht wird. Von diesem Anfangswert fällt der Platinanteil über die Länge 1 der Messelektrode 6, 7 auf einen Endwert von 35 Vol.-% ab. Bei dem gezeigten Beispiel wird dieser Endwert innerhalb eines Längenabschnitts von 1 mm erreicht. In dem restlichen zweiten Längenabschnitt von 3 mm bleibt der Platinanteil unverändert bei dem Endwert, der an dem Ende 16 der Messelektrode 6, 7 eine gute Kontaktierung mit der Anschlussleitung 17 ermöglicht.
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Der Gesamt-Platinanteil der Messelektrode 6, 7 ist unmittelbar erkennbar geringer, als bei einer Messelektrode 6, 7 mit über die Länge gleichbleibendem Platingehalt. Der Anfangswert des Platinanteils kann bei gleichzeitiger Verkürzung des ersten Längenabschnitts, innerhalb dessen er auf den Endwert abfällt, bis nahe 100 Vol.-% erhöht oder alternativ bei Verlängerung des ersten Längenabschnitts verringert werden. Grundsätzlich kann der Verlauf, mit dem der Platinanteil über die Länge 1 der Messelektrode 6, 7 von dem Anfangs- auf den Endwert abfällt, sehr unterschiedlich sein. Auch kann das Cermet als Edelmetallkomponente statt Platin ein anderes Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung umfassen.
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Bei dem in 5 gezeigten Beispiel liegt der Anfangswert des Platinanteils wieder bei 70 Vol.-%, um dann auf einer Länge von 2 mm auf Null abzufallen. Zur Kontaktierung mit der Anschlussleitung 17 enthält das Cermet im Bereich des anderen Endes 16 der Messelektrode 6, 7 Wolfram mit einem Anteil von 30 bis 50 Vol.-%, hier z. B. 40 Vol.-%. Von diesem Anfangswert fällt der Wolframanteil über die Länge 1 der Messelektrode 6, 7 in Richtung zu der das Messmedium 3 kontaktierenden Stirnfläche 15 auf einen Endwert Null ab. Bei dem gezeigten Beispiel wird dieser Endwert 0,5 mm vor der Stirnfläche 15 erreicht, so dass die Messelektrode 6, 7 von der Stirnfläche 15 aus bis in eine Tiefe von 0,5 mm frei von Wolfram ist.
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Der Gesamt-Platinanteil der Messelektrode 6, 7 ist nochmals geringer als bei dem Beispiel nach 4. Der Verlauf, mit dem der Wolframanteil über die Länge 1 der Messelektrode 6, 7 von dem Anfangs- auf den Endwert abfällt, kann sehr unterschiedlich sein. Auch kann das Cermet anstelle von Wolfram eine andere hochschmelzende unedle Metallkomponente oder Metalllegierung, Graphit oder Graphen enthalten.
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Das in 6 gezeigte Beispiel bezieht sich auf die in 3 gezeigte Messelektrode 6, 7 mit Sackloch 18, dessen Bodenfläche 19 hier bei 2 mm liegt. Im Übrigen ist der Verlauf des Platinanteils in dem Cermet bis zu der Bodenfläche 19 der gleiche, wie in dem Beispiel nach 4. In dem Bereich zwischen der Bodenfläche 19 und dem Ende 16 enthält die Messelektrode 6, 7 kein Platin, wodurch der Gesamt-Platinanteil der Messelektrode 6, 7 besonders gering ist.
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Das in 7 gezeigte Beispiel bezieht sich ebenfalls auf eine Messelektrode 6, 7 mit Sackloch 18. Zur Kontaktierung mit der Anschlussleitung 17 enthält das Cermet Wolfram mit einem Anteil von nahe 100 Vol.-% im Bereich der Bodenfläche 19 des Sackloches 18. Von diesem Anfangswert fällt der Wolframanteil über die Länge der Messelektrode 6, 7 bis etwa 0,5 mm vor der das Messmedium 3 kontaktierenden Stirnfläche 15 auf den Endwert Null ab.
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Das Messrohr 2 kann in bekannter weise aus einer geeigneten Oxidkeramik auf Basis von Aluminiumoxid oder Zirkonoxid bestehen. Da das Schrumpfverhalten des Cermets beim Sintern von der verwendeten Edelmetallkomponente und unedlen Metallkomponente und deren Anteilen abhängig ist, kann es über diese in Grenzen eingestellt werden. Je nachdem, ob die Schrumpfung der Messelektrode größer oder geringer als die des keramischen Messrohres ist, kann die Messelektrode vorgesintert oder als Grünkörper in das entsprechende Loch in dem grünen Keramik-Messrohr eingesetzt und mit diesem versintert werden. Es kommen grundsätzlich auch andere Herstellungsverfahren wie z. B. 3D-Druck infrage.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005029324 A1 [0005]
- DE 4335697 A1 [0006]
