JP4095668B2 - 流れる媒体に対する電磁誘導流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定導管として用いられ、セラミック材料から成る管部材と、管軸線に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界を生成するための磁石と、管軸線に対して有利には垂直にかつ磁界方向に対して有利には垂直に配設されている、少なくとも２つの測定電極と、該測定電極を外部電界に対してシールドする少なくとも２つのシールド電極とを備え、前記測定電極およびシールド電極は前記管部材の外側に取り付けられている、に関する。
上述の流量測定装置は、本発明が出発技術としているドイツ連邦共和国特許出願公開第３３３７１５１号公報から公知である。この流量測定装置では、セラミック管部材の表面に電気メッキにより被着された測定電極はシールド電極によって単に側方向に対してシールドされている。そこで半径方向に外側に向かうシールドを可能とするために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第３３３７１５１号公報において、測定電極の領域においてセラミック支持体を外側から固定することが提案される。このセラミック支持体は、支持体を管部材に取り付けた後に装置全体の外面を形成する表面上に、シールド電極を有している。シールド電極は同様に、電気メッキにより被着されている。そこでセラミック支持体と、測定電極およびシールド電極を有する管部材との固定接続を形成するために、セラミック支持体上に被着されたシールド電極は管部材上に被着されたシールド電極とはんだ付けされる。測定電極によって発生される電気信号は、接点ピンを用いて外に取り出される。接点ピンは、セラミック支持体中の孔を通って延在している。その際更に、前置増幅器の部品を、セラミック支持体上に配設されているシールド電極に直接並びに接点ピンと接続するように設定されており、前置増幅器の部品はまた、外側から支持体に固定されるカップ形シールドによってシールドされる。
ところでドイツ連邦共和国特許出願公開第３３３７１５１号公報から公知の流量測定装置では、種々の欠点が生じる。一方において、測定電極のシールドの製造のために、多数の作業工程が必要である。このためにまず、測定電極およびシールド電極が電気メッキにより管部材上に被着される。
別個の工程において、セラミック支持体が製造され、この上に引き続いて電気メッキによりシールド電極が被着される。更に、セラミック支持体を管部材に固定することが必要である。即ち、接触面の外縁部において、管部材に被着されたシールド電極が、支持体上に被着されたシールド電極とはんだ付けにより接続される。従って、このように配設された測定電極およびシールド電極の製造のために多数の作業ステップが必要である。
更に、公知の流量測定装置では、測定電極のシールドの際に、はんだ付け個所が例えば振動によって損傷されかつひいてはシールド内に亀裂が発生する可能性があるとき、障害が生じるおそれがある。この流量測定装置では、セラミック支持体並びにこれに固定されているカップ形シールドの固定によって、全体の流量測定装置の大きな構造高さが生じ、その結果流量測定装置のコンパクトな構造が可能でないという別の欠点がある。
更に、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３０３４０２号公報から、無接触容量ピックアップによって、誘電体媒体または導電性媒体の流速を測定する電磁誘導流量測定装置が公知である。測定電極もシールド電極も管部材の外面に配設されているので、シールド電極は、この配置構成によって規定されて、測定電極を側方からしかシールドしておらず、その結果測定電極を半径方向に外に向かってシールドするために、別の措置が必要である。このために、ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３０３４０２号公報において、測定電極とは絶縁されてかつシールド電極に導電接続されているシールドカバーを外から管部材に配設することが提案される。このために、このケース状のシールドカバーは、シールド電極にはんだ付けされる。更に、測定電極によって発生される電圧信号を引き続き処理するために、信号線路が測定電極にはんだ付けされ、その際これら信号線路はこの電気信号の引き続く処理のために外部に導き出されている。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３０３４０２号公報から公知である電磁誘導流量測定装置は種々の欠点を有している。１つには、金属電極およびシールド電極をセラミック管に取り付けるために、１つの可能性しかないこと、即ち、測定管の表面に直接取り付けることしかできないということがある。これにより、既述の、公知技術から公知である流量測定装置においてそうであるように、まさに、セラミック管に取り付けられたシールドによって測定電極を外方向にシールドすることはできない。それ故に、シールド電極にはんだ付けしなければならないケース状の、煩雑なシールドカバーが必要である。このことは、流量測定装置の製造に対して、この種のシールドの製造のための別個の処理工程が必要であるという理由だけで不都合である。更に、シールドカバーの、シールド電極に対するはんだ付けは一方において煩雑でありかつ他方において障害を受け易い。というのは、生起する振動によってはんだ付け個所が損傷を受け、その結果裂け目またはその上破断個所が生じかつ従って障害のあるシールドしか可能でない。
雑誌“Markt & Technik-Wochenzeitung fuer Elektronik”（１９９４年６月３日付第２３号、第３６頁）から、低温の際に焼結するフレキシブルなセラミックフィルムを、複合多層回路を実現するために、厚膜技術に使用することが公知である。この公知のＬＴＣＣテクノロジー（“Low Temperature Cofiered Ceramic”-Technologie）では、熱処理されていないＬＴＣＣフィルムが機械的にストラクチャ化され、厚膜技術においてプリントされ、積層化されかつ引き続いて高温において焼結され、これによりそれから多層セラミックが生じる。
そこで本発明の課題は、従来技術から公知の、流れる媒体に対する電磁誘導流量測定装置を、測定電極およびシールド電極を製造技術的に一層簡単および一層確実に管部材の外側に取り付けることができるように、構成および改良することである。
この課題は、本発明によれば、管部材を取り囲む、セラミック材料から成る層が設けられており、測定電極は実質的に、層の内部に配設されておりかつシールド電極は、層の内部および層の外面に、測定電極が外方向にシールドされるように、配設されていることによって解決される。即ち、この種の層において、測定電極およびシールド電極の平面を管部材の表面から異なった間隔をおいて配設することができ、その結果半径方向に外に向かった並びに周方向に側方向に向かった、測定電極のシールドが可能である。
このような多種多様なシールドは、中に測定電極およびシールド電極が集積されている層を取り付けることによって可能であるので、種々の利点が生じる。一方において、１つの作業ステップによって、全体の測定電極およびシールド電極装置が製造され、その結果従来技術から公知の、付加的なシールド電極のはんだ付けは回避される。他方において、管部材を取り囲む層は僅かな厚みしか有していないので、流量測定装置の大きさはこの層によってほんの僅かに拡大されるにすぎない。
それから、本発明の特別有利な実施例において、管部材を取り囲む層を形成するために、上述の、低温において焼結する、フレキシブルなＬＴＣＣセラミックフィルムが使用される。その際特別有利にも、このＬＴＣＣセラミックフィルムの使用の利点を、電磁誘導流量測定装置の製造に利用することができる。熱処理されていないＬＴＣＣセラミックフィルムは、それらが管部材に被着される前に、適当な方法で導電層が形成されているので、例えば２つのこの種のＬＴＣＣセラミックフィルムを管部材状に上下に重ねて取り付けたとき、上述した状態の測定電極およびシールド電極の配設が生じる。その際更に、このようにして形成された測定電極およびシールド電極が、ＬＴＣＣセラミックフィルムの間、即ちそれらの境界面、並びに外側に位置するＬＴＣＣセラミックフィルムの外面に配設されていると有利である。それから引き続く焼結過程において、管部材を取り囲む層を形成する多層セラミックが生じ、その中に測定電極およびシールド電極が集積されて配設されている。このように、本発明の電磁誘導流量測定装置の製造の際にＬＴＣＣテクノロジーを使用したことで、特別有利にも、製造プロセスが著しく簡単化されると同時に、測定電極およびシールド電極の非常に正確な位置決めが可能になることになる。
本発明の別の有利な実施例において、更に、それぞれの測定電極に対して設けられている前置増幅器にとって必要である導体路および抵抗路がＬＴＣＣテクノロジーを用いて層内に製造される。これにより、極めて短い導体路が可能になり、その結果測定電極によって発生される電気信号の信頼できる、いわば現場での前処理が可能になる。従って前置増幅器の構成のために必要である部品は層上に直接、即ちいわば測定導管として用いられる管部材上に直接取り付けることができる。従って管部材の周面はそれ自体、電子部品の支持体になる。その場合それぞれの測定電極から配属されている前置増幅器への導電接続もＬＴＣＣテクノロジーを用いて製造されるので、測定電極およびシールド電極並びに前置増幅器から成る全体の装置に対してこれまで列記したすべての利点が利用される。
流量測定装置の本発明の構成の別の利点は、厚膜技術の使用による周知の、障害となるマイクロフォニック効果が排除されるという点にある。マイクロフォニック効果による障害は、ギャップまたは裂け目形成、即ち電極表面と誘電体との間の極めて小さな中空空間のためおよび／または流量測定装置の励磁装置の磁界および／または電界に対する電極接続端子の僅かな相対運動によって惹き起こされ、これらのために、僅かな大きさの測定信号に基づく流量の測定が実際に不可能になる。
更になお、上述の本発明の電磁誘導流量測定装置が非常に高い温度まで非常に高い信頼性を有していること、更に、前置増幅器の接続形成のための導体路および抵抗路もＬＴＣＣテクノロジーによって製造されているとき、２つの前置増幅器間の良好な温度結合が得られ、そのために有利にも温度均一化が改善されることを強調しておきたい。
次に本発明を図面を用いて実施例につき詳細に説明する。図面中、
第１図は、本発明の流量測定装置の第１の実施例の管部材の横断面図であり、
第２図は、本発明の流量測定装置の第２の実施例の管部材の横断面図であり、
第３図は、第１図に図示の実施例の管部材の平面図であり、
第４図は、本発明の流量測定装置の第の実施例の管部材の横断面図であり、
第５図は、本発明の流量測定装置の別の実施例の管部材の横断面図である。
第１図には、測定線路として用いられかつセラミック材料から成る管部材１が横断面にて示されている。測定すべき流れる媒体が、攻撃性の、例えば著しい腐食性の液体であるかまたは高温の媒体であるとき、まさに管部材１の材料としてのセラミックの使用が浮上する。管軸線に実質的に垂直に延在する磁界が、図示されていない磁石によって生成され、その際図１には矢印を用いて磁界の経過が略示されている。この磁界に基づいてかつ媒体中に存在する荷電粒子の速度に基づいて、これら粒子は、ローレンツ力に基づいて、管軸線に対して垂直でありかつ磁界方向に対して垂直であるその軌道から偏向される。これにより異なって帯電された粒子が相互に分離され、その結果流れる媒体において電荷分極、ひいては電界が生成される。
この電界は、流れる媒体の近傍に有利には管軸線に対して垂直にかつ有利には磁界方向に対して垂直に配設されている測定電極２および３によって測定することができる。本発明の電磁誘導流量測定装置では、測定電極２および３は流れる媒体と直接接触しておらず、それらは管部材の外側に配設されている。
測定電極２および３において測定される電圧値は僅かな振幅しか有していないので、測定電極２および３を外部電界に対して申し分なくシールドすることが必要である。このために、測定電極２および３をシールドする少なくとも２つのシールド電極４および５が設けられている。これらは同様に、管部材１の外側に配設されている。
それから本発明によれば、管部材１を取り囲む、セラミック材料から成る層６が設けられている。この層６において、測定電極２および３が実質的に層６の内側に配設されている。しかし測定電極２および３を、層６の内面に、それらが管部材１と層６との間の境界面に位置するように配設することも可能である。更に、シールド電極４および５も層６内に配設されており、その際シールド電極４および５は部分的に層６の内部にも、層６と管部材１との間の境界面ないし層６の外面にも配設されている。測定電極２および３とシールド電極４および５とのこの配設によって、測定電極２，３の、外部に対するほぼ完全なシールドが実現される。
更に有利な態様において、層６は、少なくとも１つの、低温においては焼結している、フレキシブルなＬＴＣＣセラミック７，８から形成されている。これにより、上述した、このセラミックフィルムの使用と結びついている利点が、流量測定装置の製造に利用される。
そこで本発明の流量測定装置の、第１図に図示されている第１実施例では、層６は実質的にＬＴＣＣセラミックフィルム７から形成される。ＬＴＣＣセラミックフィルム７は、面状の金属層を有しており、この層は、ＬＴＣＣセラミックフィルム７を管部材１に取り付けた後、この金属面が測定電極２および３並びにシールド電極４および５を形成するように、配設されている。その際一方において、管部材１とＬＴＣＣセラミックフィルムの間に、即ちその境界面に、かつ他方において、ＬＴＣＣセラミックフィルム７の外面において、測定電極２および３の部分およびシールド電極４および５の部分が配設されている。それから測定電極２および３並びにシールド電極４および５の内部に配設されている部分によって、ＬＴＣＣセラミックフィルム７の外面に配設されている、測定電極２および３並びにシールド電極４および５との導電接続を形成するために、ＬＴＣＣセラミックフィルム７に適当な個所に、測定電極２および３に対する貫通接触接続部９並びにシールド電極４および５に対する貫通接触接続部１０が設けられている。
それから第２図に図示の第２の実施例では、層６は２つのＬＴＣＣセラミックフィルム７および８から合成されている。ＬＴＣＣセラミックフィルム７および８は、扁平な金属層を有しており、この層は、ＬＴＣＣセラミックフィルム７および８を管部材１に取り付けた後、この金属面が測定電極２および３並びにシールド電極４および５を形成するように、配設されている。その際一方において、ＬＴＣＣセラミックフィルム７および８の間に、即ちその境界面に、かつ他方において、外側の７のＬＴＣＣセラミックフィルム８の外面において、測定電極２および３の部分およびシールド電極４および５の部分が配設されている。即ち、層６は上下に重ねられたＬＴＣＣセラミックフィルム７および８から形成されるので、層６の内部に存在する、測定電極２および３並びにシールド電極４および５の部分は、層６において管部材１に対して固定的に定められた間隔をおいて存在している。そこで、測定電極２および３並びにシールド電極４および５の、内側に配設された部分から、ＬＴＣＣセラミックフィルム８の外面に配設されている、測定電極２および３並びにシールド電極４および５の部分との導電接続を形成するために、上述したのと同じ方法で、外側のＬＴＣＣセラミックフィルム８において適当な個所に、測定電極２および３に対する貫通接触接続部９並びにシールド電極４および５に対する貫通接触接続部１０が設けられている。
第１図および第２図に図示されている、本発明の電磁誘導流量測定装置では、測定電極２および３は貫通接触接続部９を用いて接点面１１および１２と導電接続されており、該接触面において、測定電極２および３によって発生された電圧信号が取り出し可能である。接触面１１は、本発明の電磁誘導流量測定装置の、第３図に図示の平面図にもわかるように示されている。この特別な実施例において、接触面１１は矩形である。第３図からもよく分かるように、勿論、シールド電極４がある領域において接触面１１の回りで切り欠かれている必要がある。その他の領域、即ち測定領域２および３を取り囲んでいる、管部材１の外面における部分において、シールド電極４は連続した面を形成する。測定電極２および３並びにシールド電極４および５の対称的な配設のために、シールド電極４の図示の構成は、シールド電極５に対しても該当する。
第１図および第２図に図示されている、本発明の流量測定装置の２つの実施例は更に本発明によれば、第４図に図示の第３の実施例および第５図に図示の第４の実施例がそうであるように、別のＬＴＣＣセラミックフィルム１３によって取り囲むことができる。その際この別のＬＴＣＣセラミックフィルム１３は主に、付加的なシールドのために用いられる。このために、第５図に示されているように、層６は第４の実施例において、有利にはシールド電極４および５を外側に向かってシールドする別のシールド電極１４を有している。
更に、シールド電極４，５および１４のシールドの作用は更に、一方においてシールド電極４および５を測定電極２および３と一緒に電気的に導き（ブートストラップ）かつ他方においてシールド電極１４を固定の基準電位、有利にはアースと導電接続することによって、強化することができる。
上述のように、測定電極２および３において使用することができる電気信号の振幅は非常に小さいので、この測定信号を引き続く処理の前に前置増幅器を用いて増幅すると有利であり、その際更に、測定電極２および３と所属の前置増幅器との間の信号線路を出来るだけ短く抑えるようにすると有利である。
そこでこのために、本発明の電磁誘導流量測定装置では別の実施例において、前置増幅器の構成のために必要な導体路および抵抗路を層６内にＬＴＣＣテクノロジーによって製造するようにしている。このためにＬＴＣＣセラミックフィルム７および８に、管部材１に取り付ける前に、測定電極２および３並びにシールド電極４および５の金属面によって被覆された領域の外側に、相応のストラクチャが形成される。このために、有利にも、存在する付加的なＬＴＣＣセラミックフィルム１３を使用することができる。
特別有利な方法において、それぞれの測定電極２ないし３からそれぞれ配属されている、同じく層６における、有利にはＬＴＣＣセラミックフィルム１３における前置増幅器への導電接続は、ＬＴＣＣテクノロジーによって製造されており、その際有利には、この導電接続の必要なシールドも同じ方法で実現されている。これにより焼結後、測定電極２および３並びにシールド電極４および５の配設も、前置増幅器の構成のために必要な導体路および抵抗路も含んでいる複雑なストラクチャが層６内に生じる。それから単に更に、２つの測定電極２および３の前置増幅された測定信号を得るための電子部品を層６に直接配設することが必要なだけである。
換言すれば、管部材１に、層６とともに、測定装置の大部分が集積され、その際セラミック層６はその上、前置増幅器の電子素子に対する“支持基板”として用いられる。
第１図、第２図、第４図および第５図に図示のすべての実施例に対して当てはまるのだが、金属面の配設を分かり易く示すために、ＬＴＣＣセラミックフィルム７，８および１３はそれぞれ、誇張して太めに図示されていることである。

Claims (12)

1. 測定導管として用いられ、セラミック材料から成る管部材（１）と、
   管軸線に対して少なくとも実質的に垂直に延在する磁界を生成するための磁石と、
   管軸線に対して有利には垂直にかつ磁界方向に対して有利には垂直に配設されている、少なくとも２つの測定電極（２，３）と、
   該測定電極（２，３）を外部電界に対してシールドする少なくとも２つのシールド電極（４，５）と
   を備え、前記測定電極（２，３）およびシールド電極（４，５）は前記管部材（１）の外側に取り付けられている、
   流れる媒体に対する電磁誘導流量測定装置において、
   前記管部材（１）を取り囲む、セラミック材料から成る層（６）が設けられており、
   前記測定電極（２，３）およびシールド電極（４，５）は該セラミック材料から成る層（６）に配属されており、
   前記測定電極（２，３）は実質的に、前記層（６）の内部で前記層（６）と前記管部材（１）との間の境界面に配設されておりかつ
   前記シールド電極（４，５）は、前記層（６）の内部で前記層（６）と前記管部材（１）との間の境界面におよび前記層（６）の外面に、該シールド電極（４，５）が前記測定電極（２，３）を外方向にシールドするように、配設されている
   ことを特徴とする流れる媒体に対する電磁誘導流量測定装置。
2. 低温において焼結する、少なくとも１つのフレキシブルなＬＴＣＣセラミックフィルム（７，８）が前記層（６）を形成する
   請求項１記載の流量測定装置。
3. 前記測定電極（２，３）および前記シールド電極（４，５）は実質的に、ＬＴＣＣセラミックフィルム（７，８）の表面および／またはその内部に配置されている
   請求項１または２記載の流量測定装置。
4. 一方において前記ＬＴＣＣセラミックフィルム（７）と前記管部材（１）との間の境界面にかつ他方において該ＬＴＣＣセラミックフィルム（７）の外面に、前記測定電極（２，３）の部分および前記シールド電極（４，５）の部分が配設されており、その際前記ＬＴＣＣセラミックフィルム（７）を通って延在する貫通接触接続部（９、１０）が設けられている
   請求項１から３までのいずれか１項記載の流量測定装置。
5. 一方において前記ＬＴＣＣセラミックフィルム（７，８）間の境界面にかつ他方において外側のＬＴＣＣセラミックフィルム（８）の外面に、前記測定電極（２，３）の部分および前記シールド電極（４，５）の部分が配設されており、その際前記外側のＬＴＣＣセラミックフィルム（８）を通って延在する貫通接触接続部（９、１０）が設けられている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の流量測定装置。
6. 前記測定電極（２，３）は、それらが前記層（６）の外面に接触面（１１，１２）を有しているように、構成されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の流量測定装置。
7. 前記シールド電極（４，５）は、前記測定電極（２，３）を取り囲む、前記層（６）の外面における部分において、前記測定電極（２，３）の前記接触面（１１，１２）の回りにおける領域を除いて、連続した面を形成する
   請求項１から６までのいずれか１項記載の流量測定装置。
8. 前記層（６）は、外側に配設された、別のＬＴＣＣセラミックフィルム（１３）を有している
   請求項１から７までのいずれか１項記載の流量測定装置。
9. 前記別のＬＴＣＣセラミックフィルム（１３）は別のシールド電極（１４）を有しかつ該シールド電極（１４）は前記シールド電極（４，５）を取り囲む
   請求項１から８までのいずれか１項記載の流量測定装置。
10. 前記シールド電極（４，５）は前記測定電極（２，３）とともに電気的に一緒に導かれておりかつ前記別のシールド電極（１４）は固定の基準電位に接続されておりかつ有利にはアースされている
    請求項１から９までのいずれか１項記載の流量測定装置。
11. 前記それぞれの測定電極（２，３）に対して、前置増幅器が設けられておりかつ該前置増幅器の構成のために必要である導体路および抵抗路は、前記層（６）および有利には前記ＬＴＣＣセラミックフィルム（１３）に、ＬＴＣＣテクノロジーによって製造されている
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の流量測定装置。
12. 前記それぞれの測定電極（２，３）から配属されている前置増幅器に対する導電接続、並びに有利には該導電接続の必要なシールドも、前記層（６）および有利には前記ＬＴＣＣセラミックフィルム（１３）に、ＬＴＣＣテクノロジーによって製造されている
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の流量測定装置。

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