DE19747273B4

DE19747273B4 - Sensor zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE19747273B4
Application number: DE1997147273
Authority: DE
Inventors: Manfred B. Dr. Schrettenbrunner
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 1997-10-25
Filing date: 1997-10-25
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2017-10-26
Also published as: DE19747273A1

Abstract

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 abdichtend 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) austauschbar ist und dass im Innern des Meßzellenteils (10) eine Einrichtung (32) zum Überwachen der Anordnung der Temperaturmeßeinrichtung (20) in der Durchgangsöffnung (18) auf Dichtheit vorgesehen ist.

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 Abdichtung 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 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:
1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiv arbeitenden Sensors zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit von flüssigen Medien; und
2 eine perspektivische Ansicht einer Temperaturmesseinrichtung des Sensors nach 1 mit einer Einrichtung zum Überwachen der Dichtheit.
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 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

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 abdichtend 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) austauschbar ist und dass im Innern des Meßzellenteils (10) eine Einrichtung (32) zum Überwachen der Anordnung der Temperaturmeßeinrichtung (20) in der Durchgangsöffnung (18) auf Dichtheit vorgesehen ist.
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.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die Einrichtung (32) eine Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßvorrichtung (36) ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstands- oder Leitfähigkeitsmeßvorrichtung (36) zwei an eine Betriebsspannung anlegbare Elektroden (34) aufweist.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (34) innerhalb des Meßzellenteils (10) konzentrisch zu einer Längsachse (38) der Durchgangsöffnung (18) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Meßzellenteils (10) konzentrisch um die Mündung der Durchgangsöffnung (18) herum eine Stufe (39) ausgebildet ist, auf der die Elektroden (34) abgestützt sind.
Sensor nach Anspruch 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.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das 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 einer Mutter (26), befestigt ist, dass eine spaltfreie Abdichtung erreicht ist, und dass die Mutter (26) gegen die Innenseite des Meßzellenteils (10) anliegend zwischen diesem und der Überwachungseinrichtung (32) angeordnet ist.
Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (32) zum Überwachen der Anordnung der Temperaturmeßeinrichtung (20) auf Dichtheit in der Durchgangsöffnung (18) eine Auswerteeinheit (40) mit einer Vergleichsstufe (42) umfasst, in der ein gemessenes und dem Zustand der Abdichtung entsprechendes Signal mit einem Schwellwert verglichen wird.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, das die Einrichtung (32) zum Überwachen der Anordnung der Temperaturmeßeinrichtung (20) auf Dichtheit in der Durchgangsöffnung (18) eine Anzeigeeinheit (44) für ein dem Zustand der Dichtheit entsprechendes Signal umfasst.
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 abdichtung 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.
verfahren nach Anspruch 11, dadurch kennzeichnet, dass das Signal mit einem Schwellwert verglichen wird, und dass eine Überschreitung des Schwellwerts angezeigt wird.