DE3006877C2

DE3006877C2 - Elektrische Meßsonde und Verfahren zum Herstellen der Sonde

Info

Publication number: DE3006877C2
Application number: DE19803006877
Authority: DE
Inventors: Richard Ing.(grad.) 8221 Hufschlag Haslberger
Original assignee: Lang Apparatebau GmbH
Current assignee: Ecolab Engineering GmbH
Priority date: 1980-02-23
Filing date: 1980-02-23
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE3006877A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Meßsonde zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eint.- Flüssigkeit mit einer von dieser zu durchströmenden und ίο zwischen Elektroden mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagenden Meßstrecke, wobei die Elektroden von der Flüssigkeit abzuschirmende elektrische Zuleitungen besitzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen der Sonde.

Solche Meßsonden werden beispielsweise bei einer Konzeption zur Anwendung in druckbeaufschlagten Rohrleitungen u.a. zum Überwachen der Konzentration von Reinigungs und Desinfektionsbädern eingesetzt In der Regel wird dabei der elektrische Wider-

stand des

, d. h. der

chemisch aggressivem, flüssigem Meßgut müssen die Bestandteile der Meßsonde, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, entsprechend chemisch beständig sein. Auch wird von Meßsonden häufig eine Unempfindlichkeit des Aufbaus und der Meßgenauigkeit bei Temperaturen bis zu etwi 95°C und bei Temperaturschwankungen von ca. 80⁰C verlangt

Ein zu Reinigungszwecken eingesetztes Meßgut unterliegt bei mehrmaliger bzw. längerer Verwendung einer zunehmenden Verschmutzung mit der Folge, daß auch die mit dem Meßgut in Verbindung stehenden Teile der Meßsonde verschmutzen und entsprechend zu reinigen sind. Vor allem kommt ein mechanisches Reinigen der fraglichen elektrisch leitenden Teile der Meßsonde in Frage.

Zum überwiegenden Teil werden die Meßsonden aus spanabhebend bearbeitetem, thermoplastischem Kunststoffhalbzeug hergestellt, wobei Formteile aus Elektrokohle, Edelstahl bzw. Edelmetall für die elektrische Verbindung zum Meßgut vorgesehen ssin können. Das Abdichten zwischen den elektrisch leitenden Formteilen und den Kunststoffteilen erfolgt beispielsweise mit Hilfe von elastischen Dichtelementen. In einer bekannten Ausführungsform sind mehrere kreisförmige Elektroden konzentrisch zueinander und gegeneinander durch zwischengelegten thermoplastischen Kunststoff isoliert (vergleiche DE-OS 28 37 102).

Schwierigkeiten im Betrieb treten bei den Meßsonden oder Meßzellen vor allem wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von leitenden Metall- bzw. Kohleformteilen einerseits und den isolierenden Kunststoffteilen andererseits auf. Hieraus ergeben sich Rißbildung an den isolierenden Kunststoffteilen, Ablösung an den Grenzflächen und Nachlassen der Vorspannung elastischer Dichtelemente. Die resultierende Undichtheit an der Grenze von leitenden zu isolierenden Teilen führt sowohl zu Isolier- und damit zu Meßfehlern als auch zu Korrosion und Zerstörung der Einzelteile, insbesondere der elektrischen Versorgungsleitungen.

Es ist auch schon versucht worden, Meßsonden abschnittsweise aus leitenden oder nicht leitenden duroplastischen Kunststoffen zusammenzusetzen. Nachteilig wirkt sich hierbei vor allem die geringere Verschleißfestigkeit gegenüber Edelmetalleiektroden bei häufig notwendiger mechanischer Reinigung und die durch das Material bedingte schwache chemische Beständigkeit gegenüber säurehaltigem Meßgut aus. Abschnittsweise

aus leitenden und nichtleitenden Elastomeren zusammengesetzte Meßsonden weisen eine geringe mechanische Festigkeit auf, die bei schnell strömenden Medien sogar ein Verformen der Sonde und damit eine Meßwertveränderung zur Folge haben kann. Diese Meßsonden können höchstens als Füllstandsgeber oder als Steuersonden mit ja/nein-Funktion verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde, vorzugsweise zum Liefern von Analogdaten, zu schaffen, die sowohl eine sichere Verbindung zwischen Isolieruig und elektrischen Zuleitungen als auch die zum Einsatz in stark strömenden und/oder stark verschmutzten Medien erforderliche mechanische Steifheit sowie Verschleißfestigkeit aufweist Die erfindungsgemäße Lösung besteht für eine elektrische Meßsonde eingangs genannter Art darin, daß die von der Flüssigkeit abzuschirmenden Teile der Zuleitungen durch Eingeben einer sogenannten Gummi-Metall-Verbindung ein mechanisch stabilisierendes Einlagegerüst in einem elektrisch isolierenden, die Form der Sonde bestimmenden Elastomer-Hüllenkörpers bilden.

Mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 wird demgemäß eine elektrische Meßsonde für den Einsatz in elektrisch leitenden Flüssigkeiten zum Zweck der Leitfähigkeitsmessung geschaffen, die im wesentlichen aus einer formgebenden, elektrisch isolierenden Elastomer-Hülle besteht, welche die mit dem Meßgut nicht in Berührung stehenden metallischen Leiter umschließt und mit diesen eine sogenannte Gummi-Metall-Verbindung bildet Der mit dem Meßgut in Berührung kommende Teil der Meßsonde besteht somit aus chemisch- und temperaturbeständigem, nichtleitendem Elastomer, welches wegen der Gummi-Metall-Verbindung eine so innige Verbindung zwischen vernetzten! Elastomer und den Metallteilen gewährleistet daß das selbst geometrisch stabilisierte, leitende Gerüst chemisch beständig und elektrisch isolierend sicher umhüllt wird.

In weiterer Ausgestaltung enthält die Meßsonde ein elektrisch !tuendes, metallenes Gerüst aus Edelstahl, welche die mit dem jeweiligen Meßgut in Berührung kommenden Teile, vorzugsweise Edelmetall-Teile, trägt Die elektrisch leitenden, metallischen Teile des Gerüstes sind dabei mit den erforderlichen Anschlüssen zu einer elektrischen Versorgungsspannung bzw. Leitung versehen Uiid schon vor dem Einheiten in den Elastomer-Hüllenkörper vorzugsweise mit Hilfe eines Isolierstoffkörpers, insbesondere aus thermoplastischem bzw. duroplastischem Kunststoff, Hartgewebe, Keramik oder Glas, elektrisch gepennt aber mechanisch stabil zusammengehalten.

Bei eines.! Verfahren zum Herstellen der elektrischen Meßsonde wird diese vorzugsweise in einer Werkzeugform zusammengefügt. In die Form wird das bereits fertig montierte Gerüst eingebracht, vorher aber vorzugsweise mit einem Haftvermittler gegenüber einer in das verbleibende Volumen der Werkzeugform bei Abdeckung der elektrisch leitenden Elektroden einzuhüllenden Elastomer-Mischung versehen. Das Einlagegerüst kann außerdem ein Einlageteil mit Varistor sowie Anschlußdrähten und -kabel enthalten. Zweckmäßig wird die Elastcmer-Mischung, insbesondere eine mit den erforderlichen Zusätzen versehene Rohkautschuk-Mischung, mittels eines Preß-, Spritz- oder Spritz-Preß-Verfahrens in die Werkzeugform eingefüllt. Bei dem weiteren Herstellungsverfahren wird die Elastomer-Mischung unter erhöhtem ~J?ruck und Wärmeeinwirkung in der Werkzeugform vernetzt und unterstützt durch den Haftvermittler nach Art einer Vulkanisierung innig mit dem Einlagegerüst verbunden. In jedem Fall sollen Werkzeugform und Gerüst (elektrische Zuleitungen) so gestaltet bzw. vorbereitet werden, daß die mit dem Meßgut bei Betrieb der fertigen Sonde in Berührung zu bringenden, elektrisch leitenden Edelmetall-Teile bzw. -flächen öder -kontakte nicht von dem Elastomer abgedeckt werden. Die von dem Meßgut zu trennenden Teile der Meßsonde sollen dagegen mit einem chemisch- und temperaturbeständigen, nichtleitenden Elastomer abgedeckt werden, welches eine Gummi-Metall-Verbindung mit den blanken Metaüflächen eingeht

Infolge der Dehnbarkeit des Elastomers und des wie vulkanisiert festen Haftens des Mantels auf den Metallflächen des Gerüstes sind auch bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallgerüst und Elastomer-Hülle eine Rißbildung in der Hülle sowie ein Verschieben der Grenzflächen relativ zueinander und damit Undichtheiten bei der Meßsonde sicher vermieden. Die durch Aufbau und Zusammensetzung erreichte verstärkte Dichtwirkung des elastomeren Hüllwerkstoffs gegenüber dem eingelegten Teil ergibt sich u. a. deshalb, weil das Elastomer beim Aufbringen und Vulkanisieren schwindet und deshalb die zu schützenden Metallteile fest umspannt Bei passender konstruktiv-cr Gestaltung kann außerdem erreicht werden, daß ein in stark strömendem Meßgut zunehmender Staudruck nicht zur Beschädigung der Meßsonde, sondern im Gegenteil zu kraftvollerem Umschließen des metallenen Gerüstes durch den Hüllwerkstoff führt Im übrigen wird die erforderliche mechanische Steifheit der Meßsonde gegen Formänderung bei hohen Staudrucken natürlich durch das den elastomeren Hüllwerkstoff stützende, elektrisch leitende Gerüst gewährleistet In weiterer Ausgestaltung kann das metallische Einlageteil der Sonde konstruktiv derart gestaltet werden, daß ein zum Temperaturkompensieren benötigter Varistor bzw. Thermistor sowie sämtliche elektrischen Versorgungsleitungen vor dem Einvulkanisieren zu montieren und anzuschließen sind. Es kann auch eine Zugentlasturg für das Anschlußkabel der Gesamtsonde so gestaltet werden, daß Beanspruchungen nicht vom Kabel, sondern über den Hüllenkörper auf das metallische Einlagegerüst von diesem aufgenommen werden.
Anhand der schematischen Darstellung eines Ausfütirungsbeispiels werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.

In der einzigen Figur ist ein Längsschnitt durch eine Meßsonde dargestellt, die als Beispiel zum Einsatz in sogenannten Durchflußarmaturen konzipiert worden ist In der Zeichnung ist angenommen die Sonde sei in einen von einem Eingang 1 in Pfeilrichtung 2 zu einen Ausgang 3 durchflossentn Raum 4 eingesetzt.

Die insgesamt mit 5 bezeichnete Meßsonde besteht im Prinzip aus einem im wesentlichen durch elektrische Zuleitungen bzw. Gerüstteile 6 und 7, einem Lolierstolfkörper 8 gebildeten Einlagegerüst sowie aus dem die Außen- und Innen-Form der Sonde 5 bestimmenden Elastomer-Hüllkö-per 9. Letzterer enthält im Ausführungsbeispiel eine Längsbohrung 10, durch die die zu untersuchende Flüssigkeit längs der kleinen Pfeile 11 bis zur Ausgangsbohrung 12 und dann zum Ausgang 3 der Armatur fließt Der entsprechende Weg der Flüssigkeit wird mit Hilfe von an den Elastomer-Hüllenkörper 9 angeformten DichtLinten 13 an der dem Eingang 1 zu-

■>5 gewandten Seite der Sonde 5 und durch weitere Dichtkanten 14 sowie ein Anpreßteil 15 am gegenüberliegenden Längsende der Sonde 5 erzwungen.

Die vom Eingang 1 zum Ausgang3der Durchflußarma-

tür bewegte Flüssigkeit wird in der durch die Elektroden 16,17 und 18definierten Meßstrecke 19 bestimmt, indem ein über die Zuleitungsdrähte 20 und die Gerüstteile und 7, d. h. die elektrischen Zuleitungen zu den Elektroden 16 bis 18, zugeführter Strom innerhalb der Meßstrecke 19 durch die zu messende Flüssigkeit geleitet und der Widerstand der Flüssigkeit gemessen wird. Vorzugsweise fließt der Strom zwischen der mittleren Elektrode 17 einerseits und den beiden endständigen Elektroden 16 und 18 andererseits in der Meßstrecke 19.

Ersichtlich sind alle metallischen Teile der elektrischen Zuleitungen bzw. Gerüstteile 6 und 7 sicher im Elastomer-Hüllenkörper 9 geschützt. Die einzigen mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Teile, nämlich die Elektroden 16 bis 18, bestehen vorzugsweise aus Edelmetall, wie Gold, und werden daher erstens nicht von der Flüssigkeit chemisch angegriffen und sind andererseits !eicht riischsnisch zu reinigen, w^nn die Oerüstteile 6 und 7 aus Edelstahl bestehen, werden für die Elektroden 16 bis 18 vorzugsweise mit dem Edelstahlgerust hart verlötete Edelmetallringe benutzt

Vor dem Zusammenbau bzw. beim Einlegen in eine zum Verbinden der Gerüstteile 6 und 7 mit dem Elastomer-Hüllenkörper vorgesehenen Werkzeugform werden die Gerüstteile zweckmäßig mit Hilfe des Isolierstoffkörpers 8 in die gewünschte räumliche Zuordnung gebracht Der Isolierstoffkörper 8 kann außerdem einen zum Temperaturkompensieren vorteilhaften Varistor 21 mit zugehörigem Gehäuse 22 festhalten. Letzteres kann so ausgebildet sein, daß es außer den Varistor-Zuleitungen 23 auch das nach außen führende Kabel 24 der Meßsonde 5 aufnimmt und über eine Klemmung 25 eine Zugentlastung des Kabels 24 derart bewirkt, daß auf das Kabel 24 ausgeübter Zug über das Material des Hüllenkörpers 9 unmittelbar und mittelbar über den Isolier-Stoffkörper 8 zu den stabilen Gerüstteilen 6 und 7 weitergeleitet wird.

Bezugszeichenliste:

1 = Eingang

2 = Pfeil

3 = Ausgang

4 = Flüssigkeits-Raum

5 = Meßsonde

6 = elektrische Gerüstteile

7 = elektrische Gerüstteile

8 = Isolierstoffkörper

9 = Eiastomer-Hüllenkörper

10 = LängsbcHrung

11 = kleine Pfeile

12 = Ausgangsbohrung

13 = Dichtkanten

14 = Dichtkanten

15 = Anpreßteil

16 = Elektroden

17 = Elektroden
13 = Elektroden

19 = Meßstrecke

20 = Zuleitungsdrähte

21 = Varistor

22 = Varistor-Gehäuse

23 = Varistor-Zuleitungen

24 = Kabel

25 = Klemmung

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Meßsonde zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit mit einer von dieser zu durchströmenden und zwischen Elektroden mit einem über elektrische Anschlüsse herausgeführtem Strom zu beaufschlagenden Meßstrecke, wobei die Elektroden von der Flüssigkeit teilweise abzuschirmende elektrische Zuleitungen aus einem metallischem Material besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Flüssigkeit abzuschirmenden Teile der Zuleitungen (6, 7) durch Eingehen einer sogenannten Gummi-Metall-Verbindung ein mechanisch stabilisierendes Einlagegerüst in einem elektrisch isolierenden, die Form der Sonde (5) bestimmenden Elastomer-Hüllenkörpers (9) bilden.

2. Meßsott Je nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daö die von der Flüssigkeit abzuschirmenden Zuleitungen (6,7) aus Edelstahl bestehen.

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Flüssigkeit in Berührung zu bringenden Elektroden (16, 17, 18) mit den Zuleitungen (6, 7) stoffschlüssig verbundene Edelmetallkörper sind.

4. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer-Hüllenkörper (9) durch Druck und erhöhte Temperatur vernetzten Kautschuk enthält

5. Meßsonde nach einem od«;r mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß ein die elektrischen Anschlüsse aufnehmendes Anschlußkabel (24) mit einer Zugentlastung zu den das Einlagegerüst bildenden Zuleitungen (6,7) versehen ist

6. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zum Messen der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung, gekennzeichnet durch die konstruktive Ausbildung der Außenform des elastomeren Hüllenkörper-Materials als Dichtelement gegenüber vorgegebenen Rohrleitungsteilen.

7. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen in den Elastomer-Hüllenkörper (9) und in die das Einlagegerüst bildenden Zuleitungen (6, 7) integrierten und mit Anschlüssen (23) versehenen Varistor (21) zur Temperatur-Kompensation.

8. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in einer Werkzeugform zusammengefügt wird, daß die fertig montierten und mit einem Haftvermittler gegenüber einer in das verbleibende Volumen der Werkzeugform bei Abdeckung der elektrisch leitenden Elektroden (16, 17, 18) einzufüllenden Elastomer-Mischung versehenen das Einlagegerüst bildenden Zuleitungen (6, 7) in die Werkzeugform eingebracht werden und daß die Elastomer-Mischung dann durch erhöhten Druck und Wärmeeinwirkung in der Werkzeugform vernetzt und unterstützt durch den Haftvermittler nach Art einer Vulkanisierung innig mit den das Einlagegerüst bildenden Zuleitungen (6,7) verbunden wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer-Mischung als Rohkautschuk-Mischung, durch Pressen, Spritzen oder Spritz-Pressen in die Werkzeugform eingefüllt wird.