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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines
charakteristischen Parameters eines Mediums, das unter hohem Druck
und wahlweise auch bei hoher Temperatur durch eine Wand eines Druckgehäuses oder
einer druckfesten Strömungsführung begrenzt
wird, wobei in der Wand in Querrichtung ein Durchgangsloch oder
ein durchgehender Schlitz ausgeschnitten ist, wobei durch das Loch
oder den Schlitz eine Verbindung zu mindestens einem Sensor geführt wird,
der auf den mindestens einen Parameter anspricht, und wobei der
Sensor und dessen elektrische Verbindung durch ein glaskeramisches
Material gegen das Material der Wand elektrisch isoliert und an
der Wand verankert werden.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ist unter anderem aus dem
US-Patent 4587840 bekannt, wo der
Sensor aus einer druckempfindlichen Widerstandsschicht an der dem
unter Druck stehenden Medium zugewandten Oberfläche des glaskeramischen Materials
besteht.
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Vorbekannt
sind auch weitere Vorrichtungen, bei denen kapazitive Sensoren in
der Wand angeordnet sind, gewöhnlich
mit einem Kunststoffmaterial als Isolierung zwischen der Sensorelektrode
und der Wand sowie dem Medium. Kunststoff ist jedoch für diesen
Zweck ungeeignet, wenn ein Medium unter hohem Druck steht, und besonders
auch bei hoher Temperatur, und wenn die Wand zum Beispiel aus einem
anderen Material als Kunststoff besteht, wie z. B. aus Stahl.
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Vorbekannt
ist auch die Anordnung kapazitiver Sensoren hinter Glas, z. B. Glasscheiben,
aber dieses Verfahren wird typischerweise in Umgebungen angewandt,
wo auf beiden Seiten der Glasscheibe annähernd gleicher Druck herrscht.
Bekannt ist außerdem,
daß, wenn
derartige kapazitive Sensoren an der Rückseite von Glaselementen,
z. B. von Glasscheiben, angebracht werden, wobei auf gegenüberliegenden
Seiten der Glasscheibe eine erhebliche Druckdifferenz besteht, die
Dicke der Glasscheibe eine Funktion der Druckdifferenz ist, um einen
Bruch des Glases zu verhindern. Es ist jedoch auch bekannt, daß die Empfindlichkeit
des kapazitiven Sensors in solchen Fällen mit zunehmender Wanddicke beträchtlich
abnimmt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Lösung dieses
Problems auf einfache und effiziente Weise.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Das Gehäuse oder
die Strömungsführung weist
einen Sensor auf, der aus mindestens einer kapazitiven Sensorelektrode
besteht, die durch ein glaskeramisches Material gegen das Medium elektrisch
isoliert ist, wobei das glaskeramische Material, das sowohl die
Sensorelektrode(n) als auch die Verbindungen umgibt und das Loch
oder den Schlitz hermetisch abdichtet, homogen ist.
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Weitere
Ausführungsformen
des ersten Aspekts der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2–6 definiert.
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Der
dem Druckmedium zugewandte Teil der Sensorelektrode besteht aus
einer elektrisch leitenden Schicht, Folie oder einem elektrisch
leitenden Film und ist kreisförmig,
ringförmig,
rund, oval, rechteckig oder polygonal geformt.
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Die
Vorrichtung ist zur Verwendung besonders gut geeignet, wenn die
Wand in dem Druckgehäuse
oder Strömungsrohr
aus Stahl oder einem anderen druckfesten, vorzugsweise elektrisch
leitenden Material besteht.
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Die
Dicke des glaskeramischen Materials, das die Sensorelektrode von
dem Druckmedium trennt, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 μm–10 mm,
und die minimale Dicke des glaskeramischen Materials, das die Sensorelektrode
von dem Wandmaterial trennt, liegt im Bereich von 0,1 μm–10 mm.
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Ferner
ist die Sensorelektrode mit einem Sensoreingang an einer kapazitätsempfindlichen
Signalverarbeitungsschaltung verbunden, und das Wandmaterial ist
mit einem Referenzeingang an der Signalverarbeitungsschaltung verbunden.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 7 definiert. Die darin
definierte Vorrichtung weist ein Sensorelement auf, das Teil eines
kapazitiven Drucksensors zur Messung des Drucks in dem Medium oder
eines Kavitationseffekts ist, der durch Verunreinigungen, wie z.
B. Sand, in dem Medium bei dessen Bewegung in dem Druckgehäuse oder
der Strömungsführung verursacht
wird, wobei das Sensorelement aus mindestens einer Sensorelektrode besteht,
und wobei das glaskeramische Material, das mindestens eine Oberfläche der
Sensorelektrode und die Verbindungen umgibt und das Loch oder den Schlitz
hermetisch abdichtet, homogen ist, und wobei der Drucksensor außerdem eine
Referenzelektrode einschließt,
die in galvanischem Kontakt mit dem Wandmaterial steht, wobei die
Sensorelektrode und die Referenzelektrode voneinander beabstandet
sind und zusammen ein dielektrisches Fluid, z. B. Luft, ein Gas
oder Gelmaterial, oder ein dielektrisches, elastisch nachgebendes
Element einschließen.
Weitere Ausführungsformen
des zweiten Aspekts der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 8–20 definiert.
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Der
dem Druckmedium zugewandte Teil der mindestens einen Sensorelektrode
besteht aus einer elektrisch leitenden Schicht, Folie oder einem
elektrisch leitenden Film oder dergleichen, und die Referenzelektrode
ist galvanisch mit der dem Druckmedium zugewandten Kante des Lochs
oder Schlitzes oder mit der Wand des Lochs oder Schlitzes verbunden.
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Die
Wand des Druckgehäuses
oder der Strömungsführung besteht
vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen druckfesten, elektrisch
leitenden Material.
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Die
Referenzelektrode kann zum Beispiel in dem Loch oder Schlitz in
einem Abstand von deren Öffnung
auf der Druckseite angebracht werden, wobei die Referenzelektrode
auf ihrer dem Druckmedium zugewandten Seite in dieser Lösung mit
einer Schicht aus glaskeramischem Material überzogen ist, die den gesamten
Querschnitt des Lochs oder Schlitzes bedeckt, wobei das Material
vorzugsweise mit der Druckseite des Druckgehäuses oder der Strömungsführung bündig ist.
Die Referenzelektrode kann an dem Druckgehäuse oder dem Strömungsrohr
angeschweißt,
angeschraubt oder durch Schnappbefestigung angebracht werden.
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Die
Sensorelektrode ist auf ihrer dem Druckmedium zugewandten Seite
vorteilhafterweise mit einer Schicht aus glaskeramischem Material überzogen,
die den gesamten Querschnitt des Lochs oder Schlitzes bedeckt, wobei
das Material und das übri ge homogene
glaskeramische Material vorzugsweise einheitlich zusammengesetzt
sind.
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Die
Dicke der Schicht aus dem glaskeramischen Material, welche die Referenzelektrode
von dem Druckmedium trennt, liegt im Bereich von 0,1 μm–10 mm.
Entsprechend kann die Dicke der Schicht aus dem glaskeramischen
Material, welche die Sensorelektrode von dem dielektrischen Fluid oder
Element trennt, im Bereich von 0,1 μm–10 mm liegen.
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Die
Mindestdicke des glaskeramischen Materials, das die Sensorelektrode
von dem Wandmaterial trennt, liegt im Bereich von 0,1 μm–10 mm.
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Die
Sensorelektrode ist mit einem Sensoreingang an einer kapazitätsempfindlichen
Signalverarbeitungsschaltung verbunden, und die Referenzelektrode
ist über
das Wandmaterial mit einem Referenzeingang an der Signalverarbeitungsschaltung verbunden.
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Die
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt verschiedene Formen des Sensors.
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3 zeigt
eine alternative Elektrodenkonfiguration für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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4 zeigt genauer alternative, unterschiedliche
Konfigurationen des Sensors.
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5 zeigt
die Anwendung der Grundgedanken der Erfindung in Verbindung mit
einem kapazitiven Drucksensor mit zugehöriger Signalverarbeitungseinheit.
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6 zeigt
eine Variante der Lösung
gemäß 5.
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7 zeigt
eine Modifikation der Ausführungsform
gemäß 6.
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Die
vorliegende Vorrichtung ist für
die kapazitive Messung eines Mediums 1 vorgesehen, das unter
einem hohen Druck PH steht und wahlweise
außerdem
eine hohe Temperatur TH aufweist, wobei das
Medium durch eine Wand 2 in einem Druckgehäuse oder
einer druckfesten Strömungsführung begrenzt
wird, wenn das Medium zum Beispiel durch eine Rohrleitung geleitet
wird. In der Wand 2 ist quer dazu mindestens ein Durchgangsloch 3 oder
ein durchgehender Schlitz ausgeschnitten. Ferner ist in dem Loch
eine Sensorelektrode 4 angebracht, die durch ein glaskeramisches
Material 5, das sich von der Druckseite 2' der Wand und
ganz oder teilweise durch das Loch oder den Schlitz 3 erstreckt,
gegen das Material der Wand 2 und das Medium 1 elektrisch isoliert
und an der Wand 2 verankert ist. Die Sensorelektrode 4 ist über die
Leitung 6 mit einer kapazitätsempfindlichen Signalverarbeitungsschaltung 7 verbunden.
Die Schaltung 7 stellt außerdem über die Leitung 8 einen
galvanischen Kontakt mit der Wand 2 her. Wenn ein Kapazitätswert gemessen
wird, der auf das Medium zurückzuführen ist,
kann die Schaltung 7 an ihrem Ausgang 9 ein charakteristisches
Signal aussenden.
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In
der in 3 dargestellten alternativen Ausführungsform
besteht der Sensor aus zwei kapazitiven Sensorelektroden 10, 11,
die über
entsprechende Verbindungen 12, 13 mit der kapazitätsempfindlichen
Signalverarbeitungsschaltung 7 verbunden sind. Außerdem kann
die Schaltung 7 gleichfalls über die Leitung 8 in
galvanischem Kontakt mit der Wand 2 stehen, wie in Verbindung
mit 1 dargestellt und beschrieben wird.
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Die
Wand 2 besteht vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen
elektrisch gut leitenden Material.
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Die
Dicke des glaskeramischen Materials 5', das die Sensorelektrode 4 von
dem Medium 1 trennt, liegt vorzugsweise im Bereich von
0,1 μm–10 mm.
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Die
Mindestdicke des glaskeramischen Materials 5'',
das die Sensorelektrode von dem Wandmaterial trennt, liegt vorzugsweise
im Bereich von 0,1 μm–10 mm.
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2 zeigt alternative Ausführungsformen der
Sensorelektrode 4. 2a zeigt
die Sensorelektrode mit ovaler Form. In den 2b und 2c ist die
Sensorelektrode rund bzw. kreisförmig.
In 2d ist die Sensorelektrode rechteckig geformt,
während die
in 2e dargestellte Sensorelektrode polygonal geformt
ist.
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Man
wird erkennen, daß das
glaskeramische Material als Dielektrikum im Kontakt mit dem zu messenden
Medium 1 verwendet wird, während das glaskeramische Material 5 eine
Druckabdichtung in dem Loch 3 bildet. Das glaskeramische
Material bildet normalerweise über
die Wände
des Lochs 3 eine gute chemische und mechanische Verankerung
an der Wand 2 aus. Daher wird eine gute hermetische Abdichtung
erzielt, und gleichzeitig funktioniert das glaskeramische Material
hervorragend als Dielektrikum.
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4 zeigt einige weitere alternative Ausführungsformen
des Sensors, der in diesem Fall aus den kapazitiven Sensorelektroden 10, 11 besteht. Die
Sensorelektroden können,
wie in 4a angedeutet, aus zwei hintereinander
angeordneten langgestreckten Elementen bestehen. 4b läßt erkennen,
daß die
Elemente konzentrisch sein können, wobei
das Element 10 beispielsweise rund ist, während das
Element 11 annähernd
ringförmig
ist. 4c läßt erkennen,
daß die
zwei Elektrodenelemente 10, 11 langgestreckt und
parallel zueinander angeordnet sein können.
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Innerhalb
des Umfangs der Erfindung sind natürlich weitere Varianten der
in den 2 und 4 dargestellten
Sensoren vorstellbar.
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Die
vorliegende kapazitive Meßvorrichtung gemäß den 1–4 könnte
beispielsweise benutzt werden, um dielektrische Eigenschaften des
Mediums, die Zusammensetzungen des Mediums oder Abweichungen von
einem gegebenen Standard und wahlweise die Füllhöhe des Mediums in einem Druckbehälter zu
messen.
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Bei
der in den 5–7a dargestellten
Lösung
ist ein kapazitiver Sensor verwendet worden, um den Druck in dem
unter hohem Druck stehenden Medium 1 oder eine Kavitationswirkung
zu messen, die durch Verunreinigungen, wie z. B. Sand, in dem Medium 1 bei
dessen Bewegung in dem Druckgehäuse
oder Strömungsrohr
verursacht wird. Es ist unbedingt notwendig, den Druck im Medium 1 auf
sichere und einfache Weise messen zu können, ohne bei einem Schaden
in dem Druckmeßgerät das Risiko
eines Druckdurchbruchs in dem Druckgehäuse oder dem druckfesten Strömungsrohr
einzugehen.
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Der
Transport von Sand in einem Medium, wie z. B. in vom Meeresboden
gewonnenen Erdölvorkommen,
kann leicht zum Verschleiß oder
zur Kavitation in einer unter konstantem Druck stehenden Strömungsführung führen und
auf diese Weise die Druckfestigkeit vermindern. Es ist daher wichtig,
die durch Verunreinigungen verursachte Kavitationswirkung in einem
frühen
Stadium messen zu können.
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Wie
in 5 dargestellt, weist der Drucksensor ein Sensorelement 15 auf,
das aus mindestens einer Sensorelektrode besteht. Das glaskeramische Material 14,
das mindestens eine Fläche
der Sensorelektrode 15 und deren Anschluß 16 umgibt
und das Loch 3 oder den Schlitz hermetisch abdichtet, ist
als homogen vorauszusetzen. Der in 5 dargestellte Drucksensor
weist eine Referenzelektrode 17 auf, die in galvanischem
Kontakt mit dem Material der Wand 2 steht. Die Sensorelektrode 15 und
die Referenzelektrode 17 sind voneinander beabstandet und schließen zusammen
ein dielektrisches Fluid oder Element 18 ein, wobei das
Fluid beispielsweise Luft, Gas oder ein Gelmaterial ist, was allerdings
nicht als Beschränkung
der Erfindung aufzufassen ist.
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Die
Referenzelektrode 17 ist über das Wandmaterial 2 und
den Anschluß 21 mit
der Signalverarbeitungsschaltung 19 verbunden. Der dem
Druckmedium 1 zugewandte Teil der Sensorelektrode 15 besteht
aus einer elektrisch leitenden Schicht, Folie oder einem elektrisch
leitenden Film oder dergleichen. Die Referenzelektrode 17 ist
galvanisch mit der dem Druckmedium 1 zugewandten Kante
des Lochs oder Schlitzes, wie in 5 dargestellt,
oder mit der Wand des Lochs oder Schlitzes verbunden, wie in den 6 und 7 dargestellt.
Ebenso wie bei der Ausführungsform
in den 1–4 besteht auch bei den Ausführungsformen
in den 5, 6 und 7 die Wand
des Druckgehäuses
oder Strömungsrohrs 2 vorzugsweise
aus Stahl oder einem anderen druckfesten, elektrisch leitenden Material.
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Wie
in 6 dargestellt, kann die Referenzelektrode, hier
mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet, in dem Loch oder Schlitz 3 in
einem Abstand von dessen druckseitiger Öffnung 3' angeordnet
sein. Die Referenzelektrode 22 ist an ihrer dem Druckmedium 1 zugewandten
Seite mit einer Schicht 23 aus keramischem oder glaskeramischem
Material überzogen, das
den gesamten Querschnitt des Lochs oder Schlitzes 3 bedeckt,
und dieses zusätzliche
keramische oder glaskeramische Material 23 ist vorzugsweise
bündig
mit der Druckseite 3'' des Druckgehäu ses oder
Strömungsrohrs 2.
Der Abstand zwischen der Sensorelektrode und der Referenzelektrode
in 6 wird durch das Bezugszeichen 24 bezeichnet.
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Wie
in den 5, 6 und 7 dargestellt,
kann die Referenzelektrode an das Druckgehäuse oder Strömungsrohr
angeschweißt
werden. Alternativ kann die Referenzelektrode, besonders in Verbindung
mit der in den 6 und 7 dargestellten
Ausführungsform,
an das Druckgehäuse oder
Strömungsrohr
angeschraubt werden. Vorstellbar ist auch, daß die Referenzelektrode in
dem Loch oder Schlitz in dem Druckgehäuse oder Strömungsrohr
eingerastet werden kann. In 7 ist die
Sensorelektrode 15 auf ihrer dem Druckmedium 1 zugewandten
Seite vorzugsweise mit einer Schicht 14' aus glaskeramischem Material überzogen,
die den gesamten Querschnitt des Lochs oder Schlitzes bedeckt. Dieses
Material 14' und
das andere, homogene glaskeramische Material 14 sind vorzugsweise gleichartig.
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Die
Dicke der Schicht 23 aus dem keramischen oder glaskeramischen
Material, das die Referenzelektrode von dem Druckmedium 1 trennt,
liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 μm–10 mm. Die Dicke der Schicht 14' aus dem glaskeramischen
Material, das die Sensorelektrode 15 von dem dielektrischen
Fluid oder Element 24 trennt, liegt vorteilhafterweise
im Bereich von 0,1 μm–10 mm.
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Die
Mindestdicke des glaskeramischen Materials, das in radialer Richtung
in dem Loch oder Schlitz 3 die Sensorelektrode 15 von
dem Wandmaterial trennt, liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0,1 μm–10 mm.
Der Vorteil des Aufbringens eines keramischen oder glaskeramischen
Materials 23 auf die Außenseite der Referenzelektrode 22 ist,
daß das glaskeramische
Material so hart ist, daß in
dieser Schicht eine geringe oder gar keine Kavitationswirkung auftritt.
Der Kavitationseffekt, den das Druckmedium 1 wegen Sand
oder Grobsand im Druckmedium verursachen könnte, hat entweder eine direkte Auswirkung
auf die Referenzelektrode 17, wie in 5 dargestellt,
oder auf die Schicht 23, welche die Referenzelektrode 22 schützt, oder
verursacht Kavitation oder Verschleiß an der Referenzelektrode,
wie durch das Bezugszeichen 17 in 5 angedeutet.
Im Fall einer Auswirkung entweder auf die Elektrode 17 oder
auf die Schicht 23 und daher die Elektrode 22 verändert sich
der Abstand in dem Zwischenraum zwischen der Sensorelektrode 15 und
der Referenzelektrode 17; 22, wodurch eine Kapazitätsänderung verursacht
wird, die durch die Signalverarbeitungsschaltung 19 registriert
und zum Ausgang 20 der Schaltung 19 übertragen
werden kann.
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Im
Fall einer Kavitationswirkung ändert
sich die Dicke der Referenzelektrode 17 kontinuierlich, wodurch
die Kapazitätsänderung
gemessen werden kann, auch weil die Steifigkeit der Referenzelektrode 17 allmählich abnimmt
und die Referenzelektrode daher weniger druckfest wird.