DE19747273A1 - Sensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiv arbeitenden Sensor zum
Messen der elektrischen Leitfähigkeit von flüssigen Medien,
mit einem in das flüssige Medium einbringbaren, die
induktiven Vorgänge auslösende Komponenten umfassenden
Meßzellenteil und mit einer Temperaturmesseinrichtung, die
abgedichtet eine Durchgangsöffnung des Meßzellenteils
durchgreift und im Meßbetrieb zumindest mit einem
Wärmeleitabschnitt in unmittelbarem Kontakt mit der zu
messenden Flüssigkeit steht.
Ein derartiger Sensor ist aus der EP 0 682 246 A1 bekannt. Er
umfaßt üblicherweise eine torusförmig gewickelte
Erregerspule, die von einem Oszillator angesteuert ist und in
deren Innenraum ein ringförmiges magnetisches Wechselfeld
erzeugt wird. Parallel zur Ebene des ringförmigen Magnetfelds
ist eine Empfängerspule vorgesehen, die in entsprechender
Weise gewickelt ist. Durch bewegliche Ionen in der
Flüssigkeit wird infolge des magnetischen Wechselfelds in der
Erregerspule ein ringförmiger Strom in der zu messenden
Flüssigkeit erzeugt, der wiederum in der Empfängerspule einen
Induktionsstrom auslöst, dessen Stärke proportional zur
Beweglichkeit und zur Konzentration der Ionen und mithin zur
elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit ist. Da
beispielsweise die Leitfähigkeit von Elektrolyten stark
temperaturabhängig ist, wird bei der Leitfähigkeitsmessung
stets die Temperatur miterfaßt. Um die Ansprechzeiten
möglichst kurz zu halten, wird die Temperaturmesseinrichtung
mit zumindest einem Wärmeleitabschnitt, beispielsweise einer
aus einem wärmeleitfähigen Material, z. B. Edelstahl,
bestehende Wärmeleitbuchse, bei der Messung in unmittelbaren
Kontakt mit dem zu messenden Medium gebracht. Der
Wärmeleitabschnitt der Temperaturmesseinrichtung springt
dabei vorzugsweise vom Gehäuse des in die Flüssigkeit
eintauchenden Meßzellenteils vor und ist vorzugsweise in der
Nähe der die induktiven Vorgänge auslösenden Komponenten des
Meßzellenteils vorgesehen.
Um den induktiv arbeitenden Sensor auch in der Lebensmittel-
oder Arzneimittelindustrie einsetzen zu können, muß er
spalten- und fugenfrei sein, und temperaturkompensierte
Meßwerte liefern, weshalb sehr kurze Ansprechzeiten der
Temperaturmesseinrichtung erforderlich sind. Die Ablichtung
der Temperaturmesseinrichtung in der Durchgangsöffnung des
Meßzellengehäuses stellt ein grundsätzliches Problem dar.
Aus der EP 0 682 246 A1 ist es beispielsweise bekannt, eine
Wärmeleitbuchse unter Zwischenordnung eines elastomeren
Dichtungselements in Form eines O-Rings von außen in die
Durchgangsöffnung einzusetzen. Der O-Ring ist zwischen einem
ringsförmigen Anlagebund der Wärmeleitbuchse und einer
Stirnseite des Gehäuses in einer jeweiligen zur
Dichtungsfläche offenen Ausnehmung vorgesehen, so daß
die Wärmleitbuchse mit ihrem Ringbund quasi spaltenfrei gegen
das Gehäuse anlegbar ist. Bislang wurde die innen liegende
Elektronikseite der Temperaturmesseinrichtung mit einem Harz
ausgegossen.
Obschon sich diese Technologie bewährt hat, unterliegt ein
elastomeres Dichtungselement prinzipiell der Alterung, so
daß zumindest die theoretische Möglichkeit besteht, daß die
Abdichtung der Temperaturmesseinrichtung in der
Durchgangsöffnung des Meßzellenteils zur Medienseite hin
schadhaft wird. Dies bietet Raum für das Wachstum von
Bakterien und Keimen und kann letzten Endes doch zur
Ausbildung von bakterienaufnehmenden oder weiterleitenden
Fugen führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ausgehend von einem Sensor der eingangs beschriebenen Art,
dieser Problematik entgegenzutreten.
Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Temperaturmesseinrichtung am Meßzellenteil lösbar bzw.
austauschbar ist und daß im Inneren des Meßzellenteils eine
Einrichtung zum Überwachen der Anordnung der
Temperaturmesseinrichtung in der Durchgangsöffnung auf
Dichtheit vorgesehen ist.
Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, die Alterung der
Abdichtung der Wärmeleitbuchse in der Durchgangsöffnung zu
überwachen. Dies eröffnet die Möglichkeit, eine
disfunktionale Abdichtung, d. h. ein Alterungserscheinungen
aufweisendes Dichtungselement gegen ein neues auszutauschen,
in dem die Temperaturmesseinrichtung von dem Gehäuse gelöst
und sodann das verwandte Dichtelement ausgewechselt wird.
Dies erweist sich insbesondere bei der Verwendung von
elastomeren Dichtelementen, insbesondere O-Ringen, als
vorteilhaft.
Um die Anordnung auf Dichtheit zu überwachen, ist es an sich
hinreichend, wenn die Überwachungseinrichtung eine
Vorrichtung zum Detektieren von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit
umfaßt, so daß ein Eindringen des flüssigen Meßmediums
detektiert werden kann.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese Vorrichtung
eine Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßvorrichtung ist. In
Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens weist die
Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßvorrichtung zwei an eine
Betriebsspannung anlegbare Elektroden auf. Wenn nun die
Abdichtung der Temperaturmesseinrichtung in der
Durchgangsöffnung schadhaft wird und leckschlägt, so kann der
Flüssigkeitsdurchtritt durch einen veränderten Widerstand
oder eine veränderte Leitfähigkeit, insbesondere auch
kapazitiv, erfaßt werden. Der Widerstand bzw. die
Leitfähigkeit oder auch die Spannung zwischen den Elektroden
wird durch die Art, die Menge und das Niveau, d. h. die
Füllhöhe des umgebenden Mediums bestimmt. Die Leitfähigkeit
ist also extrem gering bzw. der Widerstand extrem hoch, wenn
die Elektroden durch Luft oder Schutzgas voneinander isoliert
sind und die Abdichtung in einwandfreiem Zustand ist. Der
Widerstand sinkt bzw. die zwischen den Elektroden gemessene
Leitfähigkeit steigt, sobald Flüssigkeit in das Innere des
Meßzellenteils eindringt und die Elektroden benetzt. Die
frühzeitige Erkennung der disfunktionalen Abdichtung erlaubt
den rechtzeitigen Austausch, bevor es zu einer Beschädigung
des Sensors kommt.
Es empfiehlt sich insoweit, die Elektroden, die an sich in
beliebiger Weise gestaltet sein können, in der Nähe der
Durchgangsöffnung anzuordnen. Es hat sich dabei als
vorteilhaft erwiesen, wenn die Elektroden innerhalb des
Meßzellenteils konzentrisch zu einer Längsachse der
Durchgangsöffnung angeordnet sind. Sie erstrecken sich dann
quasi entlang des kritischen Bereichs.
In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist im Inneren
des Meßzellenteils konzentrisch um die Mündung der
Durchgangsöffnung herum eine Stufe ausgebildet, auf der die
Elektroden abgestützt sind. Nach einem weiteren
Erfindungsgedanken ist die Stufe von einem
zylindermantelförmigen Wandabschnitt umgeben, an dessen
Innenseite die Elektroden anliegen und dort abgestützt sind.
Dies ermöglicht eine rasche Montage der
Temperaturmesseinrichtung und der Überwachungseinrichtung und
ein rasches Auswechseln eines gealterten Dichtungselements.
Die Einrichtung zum Überwachen der Anordnung der
Temperaturmesseinrichtung auf Dichtheit umfaßt, um eine
Inprozeßmessung zu ermöglichen, eine Auswerteinheit mit
einer Vergleichsstufe, in der ein gemessenes und dem Zustand
der Abdichtung entsprechendes Signal mit einem Schwellwert
verglichen wird. Sobald in der Vergleichsstufe ein
Überschreiten des Schwellwerts festgestellt wird, kann dann
ein entsprechendes Störsignal abgegeben werden.
Des Weiteren kann eine Anzeigeeinheit für ein dem Zustand der
Abdichtung entsprechendes Signal, insbesondere für das
Störsignal, vorgesehen werden.
Von der Erfindung wird gleichermaßen ein Verfahren zum Messen
der elektrischen Leitfähigkeit von flüssigen Medien mit den
Merkmalen der Ansprüche 11 und 12 erfaßt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen sowie der
zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Sensors. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiv
arbeitenden Sensors zum Messen der elektrischen
Leitfähigkeit von flüssigen Medien; und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer
Temperaturmesseinrichtung des Sensors nach Fig. 1
mit einer Einrichtung zum Überwachen der Dichtheit.
Fig. 1 zeigt einen insgesamt mit dem Bezugszeichen 2
bezeichneten Sensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit
von flüssigen, insbesondere strömbaren Medien. Der Sensor 2
umfaßt einen aus Kunststoff bestehenden einteiligen
Gehäusekörper 4, der einen Adaptionsabschnitt, z. B. zur
Verbindung mit einer Milchrohrverschraubung oder zum
Befestigen an einer ein strömbares zu messendes Medium
führenden Rohrwand (mit dem Bezugszeichen 8 angedeutet) und
einen Meßzellenteil 10 aufweist, der zum Durchführen der
Messung in das zu messende flüssige Medium eingetaucht wird.
Im Meßzellenteil 10 ist in an sich bekannter Weise in einem
torusförmigen Spulenaufnahmeraum 12 eine Erregerspule und
eine Empfängerspule vorgesehen. Der Meßzellenteil 10 umfaßt
in an sich bekannter Weise eine durchströmbare Öffnung 14.
Des Weiteren ist eine in das Innere 16 des Gehäusekörpers 4
führende Durchgangsöffnung 18 vorgesehen, in der eine
insgesamt mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete
Temperaturmesseinrichtung dichtend angeordnet ist. Die in der
Fig. 2 im Einzelnen dargestellte Temperaturmesseinrichtung
20 umfaßt einen Wärmeleitabschnitt 22 mit einer
Edelstahlkappe, in deren Innerem ein temperaturabhängiges
Meßmittel, beispielsweise ein Thermoelement, vorgesehen ist.
Von dem Wärmeleitabschnitt 22 erstreckt sich ein
schaftförmiger Abschnitt 24 durch die Durchgangsöffnung 18
hindurch. Dieser schaftförmige Abschnitt 24 umfaßt ein
Gewinde, auf welches eine Zweilochmutter 26 vom Inneren 16
des Gehäuses 4 aus aufschraubbar ist. Der Wärmeleitabschnitt
22 bildet gegenüber dem Schaftabschnitt 24 einen
ringscheibenförmigen Bund 28, gegen den ein O-Ring 30
anlegbar ist. Zur Ausbildung einer fugenfreien Abdichtung
kann die Anlagefläche des Bunds 28 sowie die damit
zusammenwirkende Stirnfläche 29 des Gehäusegrundkörpers 4
eine der Kontur des O-Rings 30 entsprechende Ausnehmung
aufweisen. Durch Festziehen der Zweilochmutter 26 wird dann
eine dichtende Anordnung der Temperaturmesseinrichtung 20 in
der Durchgangsöffnung 18 erreicht. Es ist des weiteren eine
insgesamt mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnete Einrichtung
zum Überwachen der Anordnung der Temperaturmesseinrichtung 20
in der Durchgangsöffnung 18 auf Dichtheit vorgesehen. Diese
Einrichtung 32 umfaßt zwei Elektroden 34, welche eine
Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßvorrichtung 36 bilden.
Die Elektroden 34 sind von halbkreisförmig gekrümmten Schalen
gebildet und konzentrisch um die Mündung der
Durchgangsöffnung 18 bzw. um eine Längsachse 38 der
Durchgangsöffnung 18 herum angeordnet und stützen sich auf
einer die Durchgangsöffnung 18 umgebenden Stufe 39 ab. In
radialer Richtung sind sie von einer innenzylindrischen Wand
41 gestützt. Die Elektroden 34 sind mit einer elektronischen
Betriebseinrichtung 40 verbunden. In der Betriebseinrichtung
40 wird ein dem elektrischen Widerstand zwischen den
Elektroden 34 entsprechendes Signal erzeugt und an eine damit
zusammenwirkende Vergleichsstufe 42 gegeben, wo das Signal
mit einem Schwellwert verglichen wird und das Ergebnis wieder
an die Betriebseinrichtung 40 zurückgegeben wird. Wird der
Schwellwert überschritten, so wird auf einer Anzeigeeinheit
44 ein entsprechendes Störsignal zur Anzeige gebracht.
Die Überwachungseinrichtung 32 dient dazu, die Dichtheit der
Anordnung der Temperaturmesseinrichtung 22 in der
Durchgangsöffnung 18, d. h. die Alterung des verwandten
Dichtelements bzw. O-Rings 30 zu überwachen. Wenn im Prozeß
Mess- oder Prozeßflüssigkeit in das Innere 16 des
Sensorgehäuses 4 eindringt, so ändert sich der Widerstand
zwischen den Elektroden 34 und - bei entsprechender
Einstellung des Schwellwerts - wird hierdurch in der
Vergleichsstufe 42 eine Schwellwertüberschreitung
festgestellt. Durch ein entsprechendes Störsignal auf der
Anzeigeeinheit 44 kann die Schadhaftigkeit der Dichtung
angezeigt werden.
Häufig erfolgt die Alterung nicht dergestalt, daß plötzlich
ein Flüssigkeitseinbruch festzustellen ist, sondern das
Eindringen der Flüssigkeit erfolgt sehr langsam, so daß
anfangs beispielsweise lediglich eine Erhöhung der
Luftfeuchtigkeit im Inneren des Sensorgehäuses 4
festzustellen ist. Wenn dieser Zustand infolge der
Überwachung und gegebenenfalls kontinuierlicher Aufzeichnung
der Signale festgestellt werden kann, so ist es möglich, eine
Dichtung zu erneuern, bevor sie im makroskopischen Sinne
undicht und damit disfunktional wird.
Claims (12)
1. Induktiv arbeitender Sensor (2) zum Messen der
elektrischen Leitfähigkeit von flüssigen Medien, mit
einem in das flüssige Medium einbringbaren, die
induktiven Vorgänge auslösende Komponenten umfassenden
Meßzellenteil (10) und mit einer
Temperaturmeßeinrichtung (20), die abdichtet eine
Durchgangsöffnung (18) des Meßzellenteils (10)
durchgreift und im Meßbetrieb zumindest mit einem
Wärmeleitabschnitt (22) in unmittelbarem Kontakt mit der
zu messenden Flüssigkeit steht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperaturmeßeinrichtung (20) am Meßzellenteil
(10) lösbar bzw. austauschbar ist und daß im Innern des
Meßzellenteils (10) eine Einrichtung (32) zum Überwachen
der Anordnung der Temperaturineßeinrichtung (20) in der
Durchgangsöffnung (18) auf Dichtheit vorgesehen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einrichtung (32) zum Überwachen der Anordnung der
Temperaturmeßeinrichtung (20) eine Vorrichtung zum
Detektieren von Feuchtigkeit oder Flüssigkeit umfaßt.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung eine Widerstands- oder
Leitfähigkeitsmeßvorrichtung (36) ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßvorrichtung (36) zwei
an eine Betriebsspannung anlegbare Elektroden (34)
aufweist.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden (34) innerhalb des Meßzellenteils (10)
konzentrisch zu einer Längsachse (38) der
Durchgangsöffnung (18) angeordnet sind.
6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß im Innern des Meßzellenteils (19) konzentrisch um
die Mündung der Durchgangsöffnung (18) herum eine Stufe
(39) ausgebildet ist, auf der die Elektroden (34)
abgestützt sind.
7. Sensor nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stufe (39) von einer innenzylindrischen Wand
(41) umgeben ist, an deren Innenseite die Elektroden
(34) anliegen und dort abgestützt sind.
8. Sensor nach einem oder mehreren der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Temperaturmeßeinrichtung (20) bei der Montage unter
Zwischenordnung eines elastomeren Dichtelements (39) von
außen in die Durchgangsöffnung (18) des Meßzellenteils
(10) eingesetzt und dann von innen derart mittels eines
Befestigungselements, vorzugsweise einer Mutter (26),
befestigt ist, daß eine spaltfreie Abdichtung erreicht
ist, und daß das Befestigungselement (26) gegen die
Innenseite des Meßzellenteils (10) anliegend zwischen
diesem und der Überwachungseinrichtung (32) angeordnet
ist.
9. Sensor nach einem oder mehreren der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung
(32) zum Überwachen der Anordnung der
Temperaturmeßeinrichtung (20) auf Dichtheit eine
Auswerteeinheit (40) mit einer Vergleichsstufe (42)
umfaßt, in der ein gemessenes und dem Zustand der
Abdichtung entsprechendes Signal mit einem Schwellwert
verglichen wird.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, das die
Einrichtung (32) zum Überwachen der Anordnung der
Temperaturmeßeinrichtung auf Dichtheit eine
Anzeigeeinheit (44) für ein dem Zustand der Abdichtung
entsprechendes Signal umfaßt.
11. Verfahren zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit von
flüssigen Medien unter Verwendung eines insbesondere
induktiv arbeitenden Sensors (2) mit einer
Temperaturmeßeinrichtung (20), die eine
Durchgangsöffnung (18) eines in das Medium eintauchbaren
Meßzellenteils (10) des Sensors abgedichtet durchgreift,
dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Dichtheitszustand
der Anordnung der Temperaturmeßeinrichtung (20) in der
Durchgangsöffnung (18) entsprechendes Signal
kontinuierlich oder in vorbestimmten Intervallen erzeugt
und verarbeitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch kennzeichnet, daß
das Signal mit einem Schwellwert verglichen wird, und
daß eine Überschreitung des Schwellwerts angezeigt
wird.
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