DE4493861C1 - Nadelsonde zur Messung der Leitfähigkeit in Flüssigkeiten oder Mehrphasengemischen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine standfeste nadelförmige Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten oder Mehrphasengemischen insbesondere für den Einsalz in der Verfahrens- und Kraftwerkstechnik, wobei die elektrische Leitfähigkeit vorwiegend als Maß für weitere physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B. Temperatur, Konzentration) der Flüssigkeit oder als Indikator für die jeweils an der Sonde gerade anliegende Phase eines Mehrp­ hasengemisches genutzt wird.

In der Verfahrens- und der Kraftwerkstechnik werden Mehrphasengemische häufig mit Leitfähigkeitssonden ausgemessen. Typische Einsatzbedingungen sind hierbei hohe Parameter von Druck und Temperatur, Strömung auch in diskontinuierlicher Form und in der Verfahrens­ technik zusätzlich chemisch aggressive Medien. Eine Nadelsonde für einen derartigen Ein­ satzfall ist beispielsweise beschrieben in [Prasser u. a.: "Beobachtung des Loop-Seal-Clearing in der Integralanlage des KFKI Budapest mit Nadelsonden", Kernenergie 34(1991), 1], ein weiteres Beispiel einer entsprechenden Ultramikroelektrode ist in der DE-OS 38 16 458 dargestellt. Die beschriebenen, im wesentlichen aus der innerhalb eines Isolierröhrchens befindlichen Drahtelektrode bestehenden, und ggf. durch ein umhüllendes Trägerrohr geschützten Sonden tauchen durch die Gefäßwand in das auszumessende Medium oder das Mehrphasengemisch ein. Gemessen wird die Leitfähigkeit zwischen der Innenelektrode der Sonde und einer elektrisch leitfähigen Gegenelektrode, die beispielsweise durch die elektrisch leitenden Wände des Gefäßes des zu untersuchenden Mediums gebildet sein kann. Das elektrische Signal wird am hinteren Ende der Sonde abgenommen und elektrisch weiterverarbeitet. Um die Innenelektrode von der Gefäßwand zu isolieren, ist mindestens im Bereich der Wanddurchführung ein elektrisch isolierendes Konstruktionsteil vorzusehen. In Mehrphasengemischen besteht darüber hinaus Interesse an einer hohen örtlichen Auflösung der Meßanordnung und deshalb an einer nahezu nur punktförmig wirksamen Elektrodenfläche. Die Isolation der Innenelektrode wird deshalb bis an die Elektrodenspitze verlängert als Rohr ausgeführt und häufig durch ein zusätzliches metalli­ sches Trägerrohr mechanisch geschützt. Dieses metallische Trägerrohr der nadelförmigen Sonde kann ebenfalls als Gegenelektrode des Meßkreises genutzt werden. Bei längeren Sonden­ ausführungen ist das Isolierrohr oft auch in der Form von zwei hintereinander angeordneten Rohren aus unterschiedlichen Materialien gestaltet. Dabei nimmt dann das vordere Rohrstück die Druckdichtung allein war. Die konstruktionsbedingten Dichtungsstellen der Sonde, die z. B. als Hartlötungen ausgeführt sein können, bestehen einmal in der Verbindung Trägerrohr - Isolierrohr und in der Verbindung Isolierrohr - Innenelektrode. Darüber hinaus muß die Sonde als solche druckdicht in die Gefäßwandung eingesetzt sein.

Aus GB 2 196 202 A ist eine Überwachungseinrichtung für Wasser bekannt, die mit vielen elektronischen Bauelementen versehen ist, dadurch ein erhebliches Ausmaß aufweist und so die Strömung wesentlich beeinflusst. In Rohren geringen Querschnitts sowie bei hohen Temperatu­ ren und Drücken ist diese Einrichtung nicht einsetzbar.

Eine Ausführung mit zwei oder mehr Elektroden erlaubt die zusätzliche Geschwindigkeits­ messung von Blasen oder auch von flüssigen Propfen in Mehrphasenströmungen. Eine solche Zweidrahtanordnung ist in dem Artikel [Xie u. a.: "Behaviour of Bubbles at Gas Blowing into Liquid Wood's Metal" (ISIJ International, Vol. 32 (1992), No. 1, pp. 66-75)] angegeben.

Der weitere Ausbau einer Leitfähigkeitssonde mit dem Ziel der zusätzlichen Temperaturmes­ sung ist in der DE-PS 96 85 48 angegeben. Hierbei werden zwei Sensorelemente, die für sich allein zum Erfassen jeweils einer der genannten physikalischen Größen geeignet sind, kon­ struktiv so zusammengefügt, daß der Meßwertgeber nach außen wie ein einziger Sensor wirkt. Die konstruktive Ausführung von Sonden für die Verfahrens- und Kraftwerkstechnik wird durch die erforderliche Druckdichtigkeit in bedeutendem Maße beeinflußt. Die gegenwärtig ver­ wendeten Technologien (z. B. Sintern, Verlöten, Verschweißen oder Verschmelzen) nutzen hohe Temperaturen, da die zu schaffende Verbindung selbst hohen Temperaturen standhalten muß. Beim betriebsmäßigen Einsatz vermindern die oben geschilderten hohen Umgebungs­ beanspruchungen in sehr starkem Maße die Standfestigkeit der Sonden. Entscheidende technolo­ gische Schwachstellen sind hierbei die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der druck­ dicht verbundenen Materialien, wodurch bereits bei der Sondenfertigung, aber auch ständig beim nachfolgenden praktischen Einsatz temperaturbedingte mechanische Spannungen in den Materialien erzeugt werden, die zunächst zur Rißentstehung führen und schließlich Lecks hervorrufen. Besonders die Verbundstellen der einzelnen Werkstoffe sind weiterhin bevorzugte Angriffspunkte für Korrosion; ebenso verringern zusätzliche strömungsinduzierte mechanische Schwingungen und Stöße die Festigkeit des mechanischen Verbundes an der Sondenspitze. Der letztere Einfluß ist deshalb so bedeutungsvoll, weil die hohe geometrische Auflösung eines Mehrphasengemisches eine entsprechend geringe räumliche Ausdehnung der Sondenspitze erfordert und dadurch deren mechanische Stabilität vermindert.

Für Anwendungen in der Verfahrens- und Kraftwerkstechnik ist deshalb die Lebensdauer von Meßsonden beschränkt. Trotz sonst günstiger meßtechnischer Eigenschaften sind deswegen die Sonden hier meist nur für kürzer dauernde Experimente geeignet, nicht aber für häufig ge­ wünschte Langzeitüberwachungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine nadelförmige Sonde für extreme Umgebungs­ parameter und mit hoher Standfestigkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen enthalten die folgenden Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung nutzt das Prinzip, bei der Herstellung der nadelförmigen Sonde möglichst alle die spätere Zuverlässigkeit verringernden technologischen Bearbeitungen und problematischen konstruktiven Ausführungen wie den gas- und druckdichten Materialverbund, von der besonders stark beanspruchten Sondenspitze wegzunehmen und auf weniger belastete Sondenteile, besonders das hintere, aus dem Meßgefäß herausragende Ende, zu verlagern. Dies bedeutet vor allem, die Sonde vorn ungedichtet zu betreiben. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen ist dann dafür zu sorgen, daß im Falle eines Sondendefektes auch unter Hoch­ druckbedingungen des Mediums keine Undichtigkeit nach außen wirken kann; eventuell kann auch durch geeignete materialtechnische Auslegung ein schädlicher Sondendefekt ausge­ schlossen werden.

Der Wegfall der druckdichten Elektrodendurchführung an der Sondenspitze ermöglicht mit dem Einsatz biegsamer Materialien den Aufbau einer mechanisch flexiblen Sonde, die speziellen Geometrien des Gefäßes oder weiterer Einbauten innerhalb des das Meßmedium führenden Gefäßes bequem angepaßt werden kann.

Bei Einsatz eines zusätzlichen Trägerrohres kann durch die Anordnung des druckdichten Abschlusses dieses Rohres am äußeren Ende der nadelförmigen Sonde ein zusätzlicher Effekt im Sinne einer Sicherheitskapselung der Sonde bezüglich äußerer mechanischer Beanspruchung und damit ggf. eintretender Leckage erreicht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der nadelförmigen Sonde steht an deren hinteren druckge­ dichteten Teil der volle Betriebsdruck des untersuchten Mediums zur Verfügung. Im Vergleich zur möglichen Temperatur, die im Inneren der Anlage und damit auch an der vorderen Sonden­ spitze wirkt, ist die Temperatur am hinteren Ende der Sonde wesentlich abgesenkt und kann bereits in der Nähe der Umgebungstemperatur liegen. Dadurch lassen sich am hinteren Sonden­ ende handelsübliche, im Betriebstemperaturbereich gegenüber der Anlagentemperatur einge­ schränkte Meßwertaufnehmer zur Messung des Anlagendruckes einsetzen wie beispielsweise Druckmeßdosen auf Basis einer biegsamen Membran mit einer Dehnmeßstreifenbrücke.

Weiterhin läßt sich die Innenelektrode gleichzeitig zur elektrischen Temperaturmessung verwenden. Wenn der temperaturempfindliche Teil der Innenelektrode im wesentlichen im vorderen Ende der Sonde konzentriert ist, beispielsweise bei der Ausführung als Mantelthermo­ element oder Widerstandsthermometer, kann dann die Anlagentemperatur erfaßt werden. Zusätzlich läßt sich aus der Temperatur und der Leitfähigkeit des Mediums, der eigentlichen Meßgröße der Sonde, auch die chemische Konzentration des Mediums ermitteln.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel beschrieben werden. Hierzu zeigt die Figur eine erfindungsgemäß aufgebaute nadelförmige Eindraht-Sonde, wobei ohne grundsätzlich andere Maßnahmen auch eine Mehrdrahtsonde in der gleichen Weise aufgebaut werden kann. Die Innenelektrode (1) besteht aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. einem Edelmetall oder leitfähiger Keramik. Diese Innenelektrode (1) liegt lose in einem Isolierrohr (2), das beispielsweise aus elektrisch isolierender Keramik gebildet sein kann. Für den Aufbau flexibler Sonden kann die Isolierung z. B. aus einer Teflonbeschichtung bestehen.

Während das vordere Ende der Sonde in die auszumessende Flüssigkeit eintaucht und dort der eigentliche Meßeffekt entsteht, befindet sich die druckdichte Elektrodendurchführung am hinteren Ende der nadelförmigen Sonde. Temperatur- und Schwingungsbelastung sind an dieser Stelle der nadelförmigen Sonde gegenüber den Beanspruchungen an der vorderen Spitze deutlich vermindert. Die geringere Temperaturbelastung erlaubt auch die Auswahl unter weit mehr Materialien und Technologien zur Druckabdichtung als dies an der vorderen Sondenspitze möglich wäre.

Das zusätzlich anbringbare (z. B. metallische) Trägerrohr (3) für die Sonde löst gleichzeitig zwei Aufgaben. Es dient einmal dem unmittelbaren Schutz der Sonde gegenüber mechanischen Gefährdungen, die auf jeder der beiden Seiten der Gefäßwand auftreten können. Weiterhin erfolgt durch das Trägerrohr auch die Druckkapselung der nadelförmigen Sonde außerhalb des Mediums für den Fall eines Defektes am Isolierrohr. Der Druckkapselung ist noch eine Ein­ richtung zum Anschluß und zum Herausführen des Meßkabels am hinteren Ende der Sonde zuzuordnen.

Ein Kühlkörper (4) sorgt für ein zusätzliches Temperaturgefälle längs der Sonde zwischen deren Kontaktstelle mit der meist heißen Gefäßwand und der temperatursensiblen Elektrodendurch­ führung am hinteren Sondenende. Er läßt sich sowohl auf dem Trägerrohr als auch - bei einer Ausführung ohne Trägerrohr - direkt auf dem Isolierrohr anbringen.

In einer weiteren technischen Ausgestaltung enthält das Trägerrohr (3) einzelne Öffnungen (5) in dem Bereich, der in das auszumessende Medium taucht. Durch diese Öffnungen kann das zwischen Träger- und Isolierrohr eingedrungene, bei einem Druckabfall möglicherweise ausdampfende Medium seitlich entweichen. Damit wird ein Großteil des eventuell entstehenden Dampfes an der Sondenspitze vorbeigelenkt und ein vorübergehend auftretender Meßfehler beträchtlich verringert.

Ein Ausdampfen ist auch aus dem Flüssigkeitsvolumen zwischen Innenelektrode und Isolierrohr möglich mit dem gleichen Resultat eines vorübergehenden Meßfehlers beim Dampfaustritt an der vorderen Sondenspitze. Durch zweckmäßige Ausgestaltung der Konstruktion sollte deshalb dieses Flüssigkeitsvolumen minimiert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung sind sowohl die druckdichte Elektrodendurchführung als auch die Verbindung des Trägerrohrs (3) mit dem Isolierrohr (2) standfester als bei bekann­ ten Sondenausführungen gestaltet, da diese beiden Verbindungen hier weder strömungsinduzier­ ten Schwingungen und Stößen noch extremen Temperaturen des Mediums ausgesetzt sind.

Weiterhin lassen sich durch die Anordnung der kritischen Materialverbindungen am hinteren Ende und den dort möglichen anderen Werkstoffeinsatz korrodierende Einflüsse auf diese Verbindungsstellen mindern.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Sonde läßt sich außerhalb des Gefäßes, das das auszumessende Medium enthält, ein Druckaufnehmer so in die nadelförmige Sonde einbauen, daß er mit dem vollen Druck der Flüssigkeit bzw. des Zweiphasengemisches beaufschlagt wird, nicht aber mit der Temperatur des Mediums. Zweckmäßigerweise wird hierfür ein Einbauort weit hinten an der Sonde gewählt, zum Beispiel hinter dem Kühlkörper (4) am hinteren Sonden­ kopf.

Für eine gleichzeitige Temperaturmessung wird die Innenelektrode (1) als zusätzlich tempera­ tursensibles Element ausgebildet, beispielsweise als Thermoelement oder Widerstandsthermo­ meter. Wegen der hohen Druck- und Temperaturbelastungen an der Sondenspitze und deren geringen geometrischen Abmessungen kommen nur solche Lösungen in Frage, die einen äußerst gedrängten Aufbau erlauben. Auf Füge- und Verbindungstechnologien sollte dabei möglichst verzichtet werden. Eine Lösung dieses Problems wird mit dem oben vorgeschlagenen integralen Sensorelement, welches als konstruktiv unlösbarer Verbund zur gleichzeitigen Messung zweier physikalischer Größen geeignet ist, gegeben.

Claims (3)

1. Nadelsonde zur Messung der Leitfähigkeit eines als Flüssigkeit oder Mehrphasenge­ misch vorliegenden Messmediums, die druckdicht in eine das Messmedium begrenzende Gefäßwand montiert ist, bestehend aus einer sich innerhalb eines Isolierrohres und eines Trägerrohres befindlichen, als Drahtelektrode ausgebildeten Innenelektrode, wobei an dem sich außerhalb des Messmediums befindlichen Ende der Nadelsonde zwischen der Innenelektrode und dem Isolierrohr eine erste Abdichtung und zwischen Isolier- und Trägerrohr eine zweite Abdichtung als Sicherheitskapselung der Nadelsonde angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wärmeableitende Einrichtungen entlang der Sonde zwischen den Abdichtungen und der Gefäßwand angeordnet sind.

2. Nadelsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem außerhalb des Messmediums befindlichen Ende der Nadelsonde ein Drucksensor angebracht ist, der den Druck des Messmediums misst.

3. Nadelsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektrode so ausgeführt ist, dass sie zusätzlich als elektrischer Temperaturfühler einsetzbar ist, der die Temperatur an der Sondenspitze und damit die Temperatur des Messmediums erfasst.