DE4318808A1 - Meßfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömenden Mediums nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8.

Ein derartiger Fühler ist aus der DE 37 13 981 A1 bekannt. Ein ähnlicher Meßfühler wird in kalori­ metrischen Strömungswächtern angewendet, wie sie zum Beispiel in der DE 35 14 491 A1 beschrieben sind. Während in der erstgenannten Schrift insbesondere auf die Problematik der mechanischen Symmetrie der Meßelemente eingegangen wird, befaßt sich die zweite Schrift mit der vereinfachten Fertigungs­ technik durch die Einführung von auf Folie aufge­ brachten SMD-Widerständen.

Beiden Schriften ist gemeinsam zu entnehmen, in welcher Weise die schnelle Reaktion eines solchen Sensors zu realisieren ist und wie vorgegangen werden muß, um das elektrische System optimal mit der inneren Wandung des in die Strömung einge­ tauchten Meßstiftes wärmeleitend zu koppeln. Diese Aufgabenstellung wird in den Schriften DE 40 03 638 A1 und DE 40 17 877 A1 weitergeführt. Bei diesen Schriften geht es insbesondere darum, bei einer vereinfachten Herstellungstechnik für das elektrische System den langfristigen Wärmekontakt dieses Systems zur Zylinderinnenwandung des in die Strömung einge­ tauchten Meßstiftes zu gewährleisten.

Keine der bisher bekannten Schriften beschäftigt sich jedoch mit der langfristig mechanischen Stabilität des in ein Medium eingetauchten Meßfühlers der oben genannten Art. Diese Stabilität des Meßfühlers wird insbesondere durch Korrosion, Erosion oder Abrasion in Frage gestellt. In der Schrift DE 40 03 638 A1 finden sich lediglich Hinweise darauf, daß bei me­ chanischer Druckwechselbelastung eines dünnwandigen Stahlzylinders in korrosiver Umgebung mit Korrosion des Metalls gerechnet werden muß oder daß in korro­ siver Umgebung anstelle von Metall ein Kunststoff wie Teflon verwendet werden kann.

Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die ungünstigen Dehnungseigenschaften solcher Kunststoffe bei Wechsel­ temperaturbelastungen dazu führen, daß kein sicherer Wärmekontakt zu den elektrischen Meßelementen ge­ geben ist.

In der Schrift DE 39 12 217 A1 ist ein Drucksensor beschrieben, dessen dem Medium zugewandte Membran zum Schutz gegen Korrosion und Abrasion mit Siliziumkarbid beschichtet ist, wobei als Gehäu­ semembran herkömmliche und preiswerte Feder­ materialien verwendet sind. Die Korrosionsstabi­ lität wird ausschließlich durch die Beschichtung gewährleistet, für die angenommen wird, daß sie porenfrei ist und das Medium die Gehäusemembran nicht erreichen kann.

Die heute bekannten Techniken erlauben jedoch keine porenfreie Beschichtung, so daß im Laufe der Zeit damit gerechnet werden muß, daß ein flüssiges Medium, ein Elektrolyt, die Gehäusemembran erreicht. In diesem Zustand bilden das metallische Gehäuse­ material und eine elektrisch leitende Beschichtung ein Korrosionselement, das zu einer fortschreitenden Korrosion des Gehäusemetalls führt, wenn dieses durch die Beschichtung anodisch wird. Ein solches, häufig verwendetes Beschichtungssystem besteht aus vernickeltem oder verchromtem Standardstahl.

Ein weiteres Problem tritt insbesondere bei Meß­ fühlern auf, deren Meßgehäuse mit einem Teil in ein strömendes Medium hineinragt. Bei Gehäuse­ werkstoffen und Schichten, deren Korrosionsbe­ ständigkeit insbesondere auf einer die Metall­ oberfläche schützenden Passivschicht besteht, wird die Bildung dieser Schicht durch ein strö­ mendes Medium gestört, so daß eine erhöhte Korrosion auftritt. Dieses Problem tritt bei Meßfühlern, die in einem weitgehend ruhenden Medium eingesetzt sind, nicht auf.

Aufgabe der Erfindung war es daher, für einen Meß­ fühler zur Durchflußüberwachung eine Lösung auf­ zuzeigen, die eine fortschreitende Korrosion des Gehäusematerials in einem strömenden Medium unter­ bindet.

Zunächst ist bei der angegebenen Lösung von besonderer Bedeutung, daß der metallische Gehäusewerkstoff im korrosiven Medium eine schützende Passivschicht bil­ det, die leicht passierbar ist. Gehäusematerial und Beschichtung sind so gewählt, daß der Beschich­ tungswerkstoff die Passivierung des Gehäusewerk­ stoffes unterstützt und auch die Passivierung des gesamten Systems beschleunigt. Damit ist eine Passivierungsfähigkeit des Gesamt-Beschichtungs­ systems gegeben. Durch die selbstpassivierenden Eigenschaften des Beschichtungssystems, die ins­ besondere durch eine Oxidationsschicht auf der dem Medium zugewandten Oberfläche der Beschichtung vor­ liegt, erhält die an sich elektrisch leitende Oberfläche Isolatoreigenschaften. Enthält die Beschichtung Poren, so bilden Gehäuse - Metall und Beschichtung ein Korrosionselement, bei welchem jedoch die fortschreitende Korrosion durch das selbstpassivierende Beschichtungssystem, das aus dem Gehäusewerkstoff einerseits und der aufge­ brachten Schicht andererseits besteht, blockiert ist. Eine be­ sonders günstige Werkstoffpaarung liegt vor, wenn als Gehäusewerkstoff Titan verwendet ist, das von sich aus eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion besitzt und leicht passivierbar ist, und wenn als Beschichtung Chromkarbid verwendet ist, das eine geringe Porendichte aufweist und selbstpassivieren­ de Eigenschaften, insbesondere in Verwendung mit Titan, vorzugsweise aus Titan-Palladium-Legierung zusammen mit einer Metallkeramik-Beschichtung aus Titan-Niob-Oxinitrid, die vorzugsweise zusätzlich mit 30-40% Sauerstoff angereichert ist, besitzt.

Die durch das als Elektrolyt wirkende Medium hervor­ gerufene Korrosion wird in einem weiteren Schritt dadurch blockiert, daß die aufgebrachte Beschichtung elektrisch isoliert. Jedoch sind auch solche Be­ schichtungen, die zum Beispiel aus Diamantkohlen­ stoff oder Aluminiumoxid bestehen, nicht porenfrei, so daß vorteilhaft zwischen dem Gehäusemetall und der isolierenden Beschichtung eine korrosionshemmen­ de Beschichtung aufgebracht ist. Weisen zufällig beide Beschichtungen an derselben Stelle Poren auf, wirkt der oben beschriebene selbstpassivierende Mechanismus des Beschichtungssystems.

Besonders geeignete Werkstoffe sind Metallkeramiken, die als Oxide, Nitride oder Karbide eines Metalls vorliegen, z. B. Titannitrid, Wolframkarbid, Chrom­ karbid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid. Diese Schichten können elektrisch leitende oder elektrisch nichtleitende Eigenschaften aufweisen. Je nach verwendetem Aufbringungsverfahren, erfolgt die Beschichtung bei höheren Temperaturen um 9000°C oder tieferen Temperaturen um 200°C. Als Verfahren kommen insbesondere in Betracht:
ARE, CVD, CCVD, PACVD, PECVD, RIP, RS, PVD. Bei dem Beschichtungsverfahren ist es von besonderer Bedeutung, daß eine geringe Porendichte und kleine Poren erzielt werden, und daß bei einer elektrisch leitenden Beschichtung das sich mit dem Gehäuse­ metall ausbildende Korrosionselement selbst gegen fortschreitende Korrosion stabilisiert. Beim Auftragen von mehreren Schichten ist daher das jeweilige Korrosionspotential von Be­ deutung, wobei die Reihenfolge der Beschichtung so zu wählen ist, daß ausgehend vom Gehäusemetall die nächstfolgende Schicht den kleinsten Potential­ sprung aufweist.

Um Korrosionsströme zu unterbinden, kann vorteil­ hafterweise in Weiterbildung der Erfindung die dem Medium zunächst liegende Beschichtung elektrisch nichtleitend ausgeführt sein, in der Weise, daß die elek­ trische Leitung des Meßkörpers zum Medium hin unterbrochen ist. Als besonders vorteilhafte Schichten kommen hier Diamantkohlenstoff oder Aluminiumoxid in Frage. Diese Schichten sind jedoch auch nicht porenfrei, so daß das Gehäusemetall von dem Medium angegriffen werden kann. Vorteilhafterweise ist daher auf das Gehäusemetall eine korrosionshemmende Schicht, vor­ zugsweise Chromkarbid, aufgebracht.

Wie eingangs beschrieben, ist die Wahl des Gehäuse­ werkstoffes von ausschlaggebender Bedeutung. Hier kommen nahezu ausschließlich Werkstoffe in Frage, die sich durch leicht passivierbare Schichten gegen Korrosion schützen und bei denen sich die Passivierungsschicht bei deren Verletzung schnell erneuert. Nur unter diesen Bedingungen ist es möglich, daß das Gehäusemetall insgesamt zusammen mit der Beschichtung ein sich selbst stabilisierendes Korrosionselement bildet. Von besonderer Bedeutung ist auch, daß die auf das Gehäuse aufgebrachte Schicht keine hohen Eigenspannungen aufweist und daher dicker als andere Schichten mit hoher Eigenspannung ausgeführt sein kann. Dies ermöglicht auch die Beschichtung des scharfkantigen Gewindes. Diese Eigenschaften weist die Titan-Palladium- Legierung auf.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Das Meßgehäuse (1) besteht aus einem Einschraubteil, das mit einem Gewinde versehen ist (2) und einem sich an diesen Teil anschließenden zylindrischen Meß­ stift (3). Das gesamte Meßgehäuse (1) stellt gegen­ über dem Medium eine geschlossene Metallmembran dar, die nur im Bereich der elektrischen Anschlüsse oder der Zuführung der elektrischen Verbindung geöffnet ist. Das Metallgehäuse ist als Hohlkörper ausge­ bildet. Der Meßstift ist an seinem stirnseitigen Ende als Halbkugel ausgebildet (4). Der aus reinem Titan gefertigte Meßfühler (1) ist im Bereich des Meßstiftes mit einer Schicht aus Diamantkohlenstoff beschichtet (5). Diese Schicht läuft zum Gewinde des Meßfühlers hin aus. Das Gewinde selbst ist mit einer Schicht aus Chromkarbid (6) versehen. Diese Schicht kann zusätzlich zwischen der Metallwandung des Meßgehäuses und der Keramikschicht angeordnet sein. Im Inneren des Meßgehäuses befindet sich das elektrische Meßsystem (7), dessen elektrischen Anschlüsse (8) durch den offenen Teil des Meß­ gehäuses herausgeführt sind (9). In dieser Abbildung nicht dargestellt ist, daß die Schicht (5) bis in den Gewindebereich und über diesen hinaus fortgesetzt ist, so daß gegenüber dem Medium eine geschlossene Schicht aus Diamantkohlenstoff vorliegt.

Claims (11)

1. Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömen­ den Mediums, gefertigt aus einem in eine Wandung einschraubbaren metallischen Meßgehäuse, welches einen einteilig stirnseitig in die Strömung hineinragenden Meßstift aufweist, der zylindrisch ausgebildet und nur zum Meßgehäuse weisend ge­ öffnet ist, dessen Außenwandungen mit dem zu erfassenden Medium in direkten Kontakt gebracht sind und in dessen Innenraum sich mindestens zwei Temperaturmeßelemente befinden, die wärme­ leitend, aber elektrisch isoliert, mit der Innenwandung des zylindrischen Meßstiftes verbunden sind, wobei mindestens ein Temperatur­ meßelement mit mindestens einem Heizelement elektrisch isoliert, aber wärmeleitend verbun­ den ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Strömung hineinragende Teil des Meßgehäuses mit einer oder mehreren Metallkeramikschichten beschichtet ist, und daß die auf das metallische Meßge­ häuse aufgebrachte Beschichtung selbstpassivie­ rend ist und die Passivierung des Meßgehäuse­ metalls unterstützt.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgehäusemetall aus Titan und vorzugs­ weise aus einer Titan-Palladium-Legierung besteht.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung aus Chrom­ karbid besteht.

4. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung aus Titan-Niob- Oxinitrid besteht.

5. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung mit 30-40% Sauerstoff angereichert ist.

6. Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schichtung im PVD-Verfahren aufgebracht ist.

7. Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten aus Metallkeramik verwendet sind, die vorzugsweise aus einer Oxid-Nitrid-Karbid-Verbin­ dung mit einem Metall bestehen.

8. Meßfühler zur Durchflußüberwachung eines strömen­ den Mediums, gefertigt aus einem in eine Wandung einschraubbaren metallischen Meßgehäuse, welches einen einteilig stirnseitig in die Strömung hineinragenden Meßstift aufweist, der zylindrisch ausgebildet und nur zum Meßgehäuse weisend geöffnet ist, dessen Außenwandungen mit dem zu erfassenden Medium in direkten Kontakt gebracht sind und in dessen Innenraum sich mindestens zwei Temperaturmeßelemente befinden, die wärmeleitend, aber elektrisch isoliert, mit der Innenwandung des zylindrischen Meßstiftes verbunden sind, wobei mindestens ein Temperaturmeßelement mit mindestens einem Heizelement elektrisch isoliert, aber wärmeleitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Strömung hineinragende Teil des Meßgehäuses mit einer oder mehreren gut wärme­ leitenden Schichten beschichtet ist und mindestens eine Schicht die elektrische Leitung zwischen dem äußeren Medium und dem metallischen Meßgehäuse unterbricht.

9. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Diamantkohlenstoff, Aluminium­ oxid oder Teflon besteht.

10. Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Teil des Meßstiftes als Teilkugel ausgebildet ist.

11. Meßfühler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ fühler mit einer Doppelschicht beschichtet ist, daß auf das Metall des Meßfühlers zuerst eine Metallkeramikschicht aufgebracht ist und auf diese Schicht eine weitere elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist.