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Meßkopf zum Erzeugen eines elektrische
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oder magnetischen Feldes Die Erfindung betrifft einen Meßkopf zum
Erzeugen eines elektrischen oder magnetischen Feldes im Innenraum eines Behälters
und zum Messen der Veränderung dieses Feldes durch die Nähe eines Stoffes oder Objektes,
wobei der Meßkopf ein Vorderteil mit mindestens einer felderzeugenden Elektrode
und einer Meßelektrode aufweist und die Elektroden über abgeschirmte Leiter mit
einer Meßelektronik verbunden sind.
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Ein Beispiel für das Meßprinzip und seine Verwendung zum berührungslosen
Bestimmen der Lage dielektrischer Objekte ist in der europäischen Patentanmeldung
mit der Veröffentlichungsnummer 38 551 beschrieben. Das Meßverfahren ist u.a. dafür
geeignet, im heißen Innenraum eines unter Druck stehenden Behälters festzustellen,
ob sich dielektrisches Material in der Nähe des Meßkopfes befindet, da solches Material
eine Veränderung des elektrischen Feldes des Meßkopfes herbeiführt, die sich durch
die Meßelektronik feststellen läßt.
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Mehrere, über die Höhe des Behälters verteilte Meßköpfe können so
ermitteln, bis zu welcher Höhe der 'illlstand im Behälter reicht.
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Die erfindungsgemäße Weiterentwicklung des aus der europäischen Patentanmeldung
38 551 bekannten Meßkopfes besteht darin, daß der Meßkopf ein Metallgehäuse aufweist,
das einen Abschnitt der abgeschirmten Leiter und das Vorderteil, in welchem die
Elektroden in Keramik eingebettet sind, umgibt und ein zum Behälterinnenraum gerichtetes
dielektrisches
Fenster freiläßt und daß die Leiter durch eine Gehäuseplatte
isoliert und druck- und temperaturfest hindurchgeführt sind.
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In bevorzugter Ausführung ist jede Innenleiter an einem Verbindungsleiter
befestigt, der isoliert und abgedichtet in ei der Pohrung der Gehäuseplatte sitzt.
Diese Ausgestaltung sorgt dafür, daß der Meßkopf für Temperaturen bis etwa 1800°C
und beliebigen Druck, vorzugsweise bis etwa 250 bar, ausgebildet werden kann.
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Die Eleltroden komrnen mit dem Füllgut des Behälters nicht in Berührung,
da sich zwischen ihnen und dem Gut zumindest eine dielektrische Schicht befindet,
die vorzugsweise aus dem Material besteht, in welches die Elektroden eingebettet
sind. Hierbei kann es sich um Keramik verschiedener Art handeln; in bevorzugter
Ausführung sind die Elektroden in betßgepreßtes Siliziumnitrid (Si3N4) eingebettet,
auch Metalloxide können verwendet werden, z.B. Zirkoniumoxid.
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Anzahl und Werkstoff der verwendeten Elektroden können der jeweiligen
Meßaufgabe entsprechend unterschiedlich sein.
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Zumeist wird man neben einer Meßelektrode 1 bis 2 felderzeugende Elektroden
verwenden. Um eine angepaßte Geometrie des elektrischen Feldes zu erzeugen, kann
es sich empfehlen, zwei oder mehrere Meßelektroden und dazu auch mehr als zwei felderzeugende
Elektroden zu verwenden.
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Die Elektroden werden aus elektrisch leitendem Material gefertigt,
wobei die Leitfähigkeit bis zum Halbleiter reichen kann. Als Beispiele für das Elektrodematerial
seien genannt: Nickelreiches Metall oder Siliziumkarbid, das vorzugsweise siliziumdotiert
ist, oder die i3b] chen leitenden Metalle sowie Kohle und Graphit .
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t)ic im Behälter durch den Meßkopf zu ortenden Stoffe (Feststoffe
und Flüssigkeiten oder deren Gemische sowie Gase) müssen von solcher Beschaffenheit
sein, daß sie ein elektrisches Feld verändern. Deshalb kann durch den Meßkopf auch
eine
Ansammlung oder Schüttung von Objekten festgestellt werden. Eine spezielle Anwendung
besteht darin, in Behältern mit Materialien der Kohlevergasung die Anwesenheit bzw.
Abwesenheit dieser Materialien festzustellen, insbesondere im Kohlevorratsbehälter,
im Vergasungsreaktor oder im Schlackenauffangbehälter.
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Das zum Messen erforderliche Feld kann elektrischer oder magnetischer
Art sein, seine Art wird in Abhängigkeit vom zu ortenden Material gewählt. Bei dielektrischen
Stoffen oder Objekten wird vorzugsweise mit einem elektrischen Feld gearbeitet,
ferromagnetische Materialien lassen sich auch mit einem Magnetfeld orten. Beim elektrischen
Feld kann es sich um ein Gleich- oder Wechselfeld handeln.
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In der Zeichnung sind Ausgestalltungsmöglichkeiten des Meßkopf(s schematisch
dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 den Meßkopf im Längsschnitt, Fig. 2 die Durchführung
eines Koaxialleiters durch das Gehäuse des Meßkopfes im Jängschnitt, Fig. 3 einen
Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1 durch das Vorderteil des Meßkopfes und Fig.
4 eine abgewandelte Anordnung der Elektroden in der Darstellung entsprechend Fig.
3.
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Der Meßkopf der Fige 1 weist die beiden felderzeugenden Elektroden
1 und 2 und die Meßelektrode 3 auf. Die drei Elektroden sind in einen Keramikkörper
4 eingebettet, der ausreichend druck- und temperaturfest sein muß und auch ohne
Probleme de, übrigen Bedingungen der Umgebung ausgesetzt sein kann. Als Material
für den Keramikkörper 4 hat sich heißgepreßtes Siliziumnitrid (Si3N4) bewährt.
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Jede Elektrode ist mit einem abgeschirmten Leiter 5, 6 bzw. ( verbunden,
wobei der jeweilige Innenleiter 5a, 6a bzw. 7a auch z.B. aus Nickel besteht und
mit der zugehörigen Elektrode verbunden ist. Das Gehäuse des Meßkopfes weist im
Vorderteil
eine überwurfmutter 8 auf, die mit einem Rohr 9 verschraubt
ist. An der Stirnseite des 1oires 9 befindet sich ein Dichtungsring 10. Das rückwärtige
Ende des Rohres 9 ist mit einer Gehäuseplatte 11 verschweißt, die wiederum mittels
Schrauben 12 an einem Flanschring 13 befestigt ist. Zwischen der Platte 11 sind
dem Ring 13 ist ein Dichtungsring 14 eingepaßt.
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Der Meßkopf sitzt in der durch das Flanschrohr 15 gebildeten Meßöffnung
in der Wand eines Druckbehälters, der doppelwandig ausgebildet ist und die Innenwand
16 und Außenwand 17 aufweist. Das Vorderteil des Meßkopfes reicht etwa in das Behälter@
nnere hinein, wobei es vor allem darauf ankommt, dass das von den Elektroden 1 bis
3 ausgehende, von der nicht dargestellten Meßelektronik erzeugte elektrische Feld
18 eine ewisse Strecke in das Behälterinnere eindringt. Es kann ausreichen, daß
das Vorderteil des Meßkopfes mit der Behälterwand bündig abschließt. Zwischen den
Spitzen der Elektroden 1, 2 und 3 und der mit dem Behälterinnern in Berührung stehenden
Außenseite des Meßkopfes liegt ei nie Keramikschicht, die vorzugsweise etwa 2 bis
5 mm dick ist und als dielektrisches Fenster 19 wirkt. Im Gegensatz zum dielektrischen
Fenster sind die mit ciem Behälterinnern in Berührung stehenden Gehäuseteile, Überwurfmutter
8, Rohr 9 und Gehäusepatte 11, aus Stahl gefertigt, wobei es sich bevorzugt um Chrom-Nickel-Stahl
handelt. Zwischen dem Flanschrohr 15 und dem Flanschring 13 ist ebenfalls ein Dichtungsring
20 angeordnet.
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Der Meßkopf ist so ausgebildet, daß auch bei Beschädigungen des Vorderteils
kein Behälterinhalt durch das Innere des Rohres 9 und die Gehäuseplatte 11 hindurch
nach außen gelangen kann. Hierzu dient eine ausreichend druck- und temperaturfeste
Durchführung der Leiter 5, 6 und 7 durch die Platte 11. Die Durchführung des Leiters
5 durch die Platte 11 wird !<.it Hilfe 1er Fig. 2 erläutert; die beiden anderen
Leiter 6 und 7 haben die gleiche Durchführung. Bei der Durchführung der Fig. 2 ist
der Innenleiter 5a in einen Verbindungsleiter 21
eingeschraubt,
der gegenüber der Platte 11 isoliert angeordnet und mit dieser verspannt ist. Zum
Isolieren dienen eine untere Ringscheibe 22, eine Isolierhülse 23 und eine obere
Ringscheibe 24. Die Dichtungsringe 25 und 26 sorgen für ausreichende Druckdichtigkeit.
Auf das obere Ende des Verbindungsleiters 21 ist eine Spannmutter 27 aufgeschraubt,
zu der eine Unterlegscheibe 28 gehört.
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Zum abgeschirmten Leiter 5 gehört neben dem Innenleiter 5a das Abschirmrohr
5b, das un der Gehäuseplatte 11 angeschraubt ist.
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Dieses Rohr bb ist über die Platte 11 in nicht largestellter Weise
geerdet. Zwischen dem Abschirmrohr 5b und dem Innenleiter 5a bzw. dem Verbindungsleiter
21 befindet sich ein isolierendes Keramikrohr 5c z.B. aus Aluminiumoxid.
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Die Dichtungsringe 10, 14, 20, 25 und 26 sind der hohen Beanspruchung
wegen aus Metall gefertigt. Die Isolationen 22, 23 und 24 bestehen aus Keramik,
wobei as sich empfehlen kann, auch hierfür heißgepreßtes Siliziumnitrid (Si3N4)
zu verwenden.
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Außerhalb des Meßkopfes führen Koaxialleiter 55, 56 und 77 (vgl. Fig.
1) zur nicht dargestellten Meßelektronik, wobei der Innenleiter am jeweiligen Verbindungsleiter
(vgl. Fig. 2) und dessen Gewindebohrung 29 angeschraubt sind.
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Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch das Vorderteil des Meßkopfes entlang
der Linie A-A in Fig. 1, wobei die nebeneinanderliegende Anordnung der Elektroden
1, 2 und 3 zu erkennen ist, die in dem Keramikkörper 4 verlaufen. Die um den Keramikkörper
liegende Überwurfmutter wurde in Fig. 3 weggelassen.
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Eine etwas andere Anordnung der Elektroden 1a, 2a und 3a zeigt Fig.
4, wobei zu jeder Elektrodenanordnung ein etwas unterschiedlicher Verlauf das elektrischen
Feldes außerhalb des Meßkopfes gehört. Die Elektroden 1, 2 bzw. 1a, 2a haben zur
zugehörigen Meßelektrode 3 bzw. 3a den gleichen Abstand. Da es bei der Verwendung
des Meßkopfes darum geht, Störungen des elektrischen Feldes außerhalb des Meßkopfes,
hervorgerufen
durch dielektrische Substanzen, an die Meßelektronik
weiterzuleiten ist es Aufgabe der Praxis festzustellen, welche Elektrodenanordnung
die günstigere ist, Der Mindestabstand der Elektroden voneinander beträgt üblicherweise
die 3-fache Dicke des Fensters 19 (vgl. Fig. 1); beim Orten von Flüssigkeiten, Suspensionen
oder Gasen kommt man auch mit der 1-fachen Dicke des Fensters aus. Mit größerem
Elektrodenabstand erreicht man eine größere Ausdehnung des Feldes 18.
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L e e r s e i t e