JP4654293B2 - グリッドセンサー - Google Patents

Description

本発明は、導管の断面において流れ媒体の導電性を測定するためのワイヤ状の電極を備えたグリッドセンサーに関する。本発明は、特に高圧および高温下の流れ媒体が流れるその場所で使用されている。

最初にジョンソンの特許文献１にグリッドセンサーが記載され、このグリッドセンサーは、導電性の金属ワイヤから成り、この金属ワイヤは管断面において管壁に対して電気的に絶縁された状態で張力をかけられている。このような電極グリッドの２つの平面は、導管内に気密に並べられて、接触することなく個々のワイヤが９０°の角度で交差するようにして取付けられている。ワイヤは電子回路と接続しており、この電子回路はマルチプレクサを介して第一平面の電極を電源と相前後して接続させ、次いで第二のマルチプレクサを介して第二平面の電極を電圧に対して感度の高い検出器に接続する。第二平面の電極に発生する電圧は、限界値と比較される。この限界値を超過すると、両平面の電極の対応する交差点では、その状態において伝導性の媒体、すなわち液体が存在することが予測される。マルチプレクサを使用することにより、使用可能な交差点は全て呼び出され、交差点の数量が確認され、この数量でもって伝導性の相が確認される。交差点の全数量に対して、流れ断面の伝導性の相の平均的容積部分の尺度が保持される。場合によっては管壁部による電極を固定することに関して、そして場合によっては固定を実施することに関しては、情報はまったく記載されていない。

特許文献２には、二つの電極平面を備えた導電率測定セルが記載され、この電極平面はフィン状で、流れ方向に設けられたプレートによって存在している。プレートは長さに渡って均等に配分されたスリット状の開口部を備えている。このため９０°だけ回転した状態で、ワイヤ平面が設けられている。流れは流れ方向に取付けられたプレートにより成層され、従って強く影響を受ける。詳細な構造的レイアウト及び使用範囲はこの特許では示されていない。

特許文献３には、グリッドセンサーが記載されており、このグリッドセンサーはプリント回路基板から成り、かつその両面に各々グリッド平面が半田付けされる。さらに、この特許では電極ワイヤの代わりに凸レンズ状の断面の棒状体を有している。このような電極の形状は、機械的応力に対する大きな抵抗性を提供しなければならず、従って工業用途に適しており、同時にできるだけ僅かな流れの影響あるいはできるだけ小さい圧力損失を保証する。しかしながら棒状体を使用する際の流れの影響は、ワイヤ状の電極を備えたセンサーの場合に比べて実質的に大きい。センサーを機械式にデザインするための詳細に説明された文章は作成されてないのが短所である。

ワイヤ状の電極を備えたセンサーの公知の機構の短所は、その機構が高圧高温の際の使用に適していないことである。さらに、公知の機構のほとんどの場合、電極の交換は単に難しいかあるいは一部は全くできない。
米国特許第４６４４２６３号明細書 ドイツ民主共和国特許第２８２３７６号明細書 ドイツ国特許出願公開第１９６４９０１１号明細書

本発明の課題は、温度及び圧力が高くかつ変化する場合においてセンサーを使用するのに適したグリッドセンサーを提案することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１に示した特徴により解決される。その他の形態及び特殊な配設は従属請求項から読取ることができる。

新しい製造技術、測定電極としてのワイヤの使用、及び張力部材、絶縁部材と保持部材の特殊な配設と関連してセンサー本体の耐圧性の形成により、課題の解決が可能になる。

本発明の他の特徴と長所は、後で述べる実施例の記載に基づき図と関連して説明する。

図１は液体ガス流の測定断面の電極を示す。この場合個々の電極は、各々ワイヤ（３）として構成された状態で、バネ（２）により張力をかけられる。バネ（２）は、図１で明らかなように、センサ本体（１）のワイヤの張力方向で延びている管路の内部で、すなわちセンサ本体（１）の圧力を案内する領域内で固定される。更に、個々のワイヤ（３）は、各々バネ（２）に対して絶縁小球（４）により電気的に絶縁される。このように固定されたワイヤは、測定断面を通って延びており、かつ特にそのために設けられた管路（５）を通ってセンサーから信号ケーブルの接続場所まで案内され、この信号ケーブルはセンサーをデータ検出ユニットと接続している。ワイヤは管路（５）内においてセンサー本体（１）に対して同様に絶縁される必要があるので、ワイヤは絶縁管（６）内に案内される。

管路（５）内のシールは空洞部（７）内で図２で示したような温度が安定した接着剤を用いて行われる。絶縁管（６）は、これに合わせて空洞部（７）内で終わっており、従ってその接着剤の端部も密閉して取囲むことができる。センサー本体（８）の内壁から空洞部（７）の距離にわたり、温度のばらつきが発生し、この温度ばらつきは、接着剤の最大温度を上回っている測定媒体の温度にあっても、接着部分の温度が接着剤の最大温度を超えない程度に設定することができる。場合によっては、センサー本体（８）の冷却は空洞部（７）の周囲で行うことができる。絶縁ビード（４）並びに絶縁管（６）は、測定媒体の温度について安定している材質から製造しなければならない。

測定導管のこの機構の好ましい形態は、図３に示してあり、かつ電極ワイヤ（３）を絶縁管（６）の内部で、管路（５）内にある金属カニューレ（９）内で案内することにある。この形態は空洞部（７）を貫通して外部まで案内されるが、絶縁管は空洞部（７）内で再度終わっている。金属カニューレ（９）の端部で電極導管（３）は気密に半田付けされるか、溶着されるか、あるいは他の方法で圧力シールされて金属カニューレ（１０）と接続される。この配設は、電極導管（３）が損傷した際交換できるという長所を有している。接着剤で充填された空洞部（７）内での金属カニューレ（９）の不慮の滑りを防ぐために、付加的に、例えば半田付けポイント（１１）の様式で金属カニューレ（９）を固定することができる。

さらに、そこでも互換性を保証するために、解除可能な接続部を備えたバネ（２）をセンサ本体（１）と接続するのは有利である。

本発明の構造的デザインは、以下に二つの例において詳細に説明する
図４に示した例１は、液体ガス流内の導電率測定のために使用されるようなグリッドセンサーである。センサーは二つの互いに９０°だけ回転される、各々６４個の電極から成る電極平面を有する。測定断面は約２００ｍｍの直径を有しており、この直径は接続する導管の内径に相当する。測定断面には３２６０もの測定点がある。センサー本体（１）と電極ワイヤ（３）はステンレス鋼から成る。というのも測定用のセンサーは、７ＭＰａ及び２８６℃までの場合の蒸気と水の混合物内で使用されるからである。

この例において使用されるバネ引掛け部を図５に示してある。バネ取付機構は、引張バネ（１３）及びセラミック製絶縁ビード（１４）から成り、袋孔（１５）内に案内され、かつ後部領域内で止めピン（１６）により固定される。袋孔（１５）は張力をかけるべきワイヤ（１２）の伸長方向に正確に位置しており、止めピン用孔（１７）はこの袋孔に向かって垂直に延びている。止めピンは自力で外れることが無いように作動中は蓋（１８）より固定される。

使用される絶縁ビード（１４）は、軸方向（６）に孔を有しており、この孔を通って一方では、引張りバネのための保持機構が取付けられ、他方では、測定ワイヤが通される。

センサー本体の気密性は、引張りバネの配設によっては妨げられない。というのも引掛け部は、センサーあるいは導管の圧力を案内する領域の内部に完全にあり、かつシールされねばならない周囲の状況への接触は全くないからである。

バネの反対側において、電極ワイヤはステンレス鋼中空針内で案内され、このステンレス鋼中空針は絶縁部に対して、センサー本体内部の管路内に配置されているセラミック管により取囲まれている。セラミック管は空洞部内で終わっており、この空洞部内で、気密なシールは１８０°まで耐久性のあるエポキシ樹脂を用いた鋳造物（Verguss）により行われる。管路と電極ワイヤはセンサー本体から突出しており、かつ端部において硬質半田付けにより気密に連結される。これにより測定媒体は管路と電極ワイヤの間の間隙を介して外側へ達する。電極ワイヤの端部において、測定媒体は信号検出回路と接続するための信号ケーブルと接続される。

第二の実施例を図７に示してある。第一実施例との相違点は、引張バネの代わりに圧縮バネを使用することである。

図６では、圧縮バネを使用するために、どのように引掛け部を改造しなければならないかを示す。引掛け部は外側からセンサー本体（１）内の管路（２０）内に取り付けられ、電極ワイヤ（３）は測定平面をにより案内される。引掛け部は管路（２０）内の断面狭隘部（２１）により拘束される。個々の測定ワイヤ（３）は、各々絶縁セラミック内に取付けられ、その後圧縮バネ（１９）により引かれ、そして張力をかけられる。その際電極ワイヤ（３）が圧縮バネ（１９）に接触しないように注意しなければならない。従って、圧縮バネ（１９）が横方向に運動する際、電極ワイヤ（３）と圧縮バネの間の電気的接触が達せられるのを防ぐのに役立つ別の絶縁セラミック（２３）が取付けられている。引張りバネを備えたセンサーを構成するのとは異なり、このタイプの取付けの場合、引掛け部側をシールしなければならない。このことはシール板（２４）を用いてセンサーの外側輪郭部で行われる。このように構成されたワイヤグリッドセンサーは、ワイヤグリッドセンサー平面当たり、１６本ずつの電極ワイヤが使用可能であり、かつ第一の実施例のセンサーと同じように、水−蒸気流を７バール及び２８６℃まで測定するのに適している。

測定断面の電極を示す図である。 電極用の管路のシール部を示す図である。 絶縁管内部の電極を示す図である。 具体的な保持機構内に引張りバネを備えたグリッドセンサーを示す図である。 引張りバネを備えたバネ引掛け部の詳細図である。 圧縮バネの使用を示す図である。 保持機構内に圧縮バネを備えたグリッドセンサーを示す図である。

符号の説明

１ センサー本体
２ バネ
３ 電極ワイヤ
４ 絶縁ビード
６ 絶縁管
７ 空洞部
９ 金属カニューレ
１０ 金属カニューレ
１２ ワイヤ
１３ 引張りバネ
１５ 袋孔
１６ 止めピン
１７ 孔
１８ 蓋
１９ 圧縮バネ
２０ 孔
２１ 断面狭隘部

Claims (7)

1. 流れ管路の測定断面において流体のインピーダンス分布を測定するためのグリッドセンサーであって、
   流れ管路の壁部に相対してかつ流れ管路の壁部に対して絶縁された電極ワイヤ（３）の二つのグリッドから成り、この電極ワイヤがセンサー本体（１）内で電気的に絶縁された状態で固定されていて、流れ管路の断面を覆い尽くし、
   その際、第一のグリッドのワイヤが、接触することなく、第二のグリッドのワイヤと所定の間隔をおいて交差し、電極ワイヤ（３）を各々、センサー本体から個別に電気的に連結させることができるグリッドセンサーにおいて、
   電極ワイヤ（３）が、一方の側で各々絶縁ビード（４）を介してバネ（２）と機械的に連結しており、このバネがその軸線がワイヤの張力方向を示しているセンサー本体の孔内にあり、そこでセンサー本体に固定されていること、
   電極ワイヤが、各々バネ（２）と相対している側で、センサー本体の後方で外側に通じている管路内にある絶縁管（６）に覆われていること、
   絶縁管がこの管路内部の空洞部（７）内で終わっており、この空洞部がシール剤で充填されていること、そして
   一方の側の絶縁ビード（４）も、他方の側の絶縁管（６）も測定断面には無いことを特徴とするグリッドセンサー。
2. バネが、引張りバネ（１３）として構成され、この引張りバネが内側からワイヤ（１２）の張力方向でセンサー本体の中へ延びている袋孔（１５）内にあり、かつセンサー本体の外側後方で何の連結部も有していないことを特徴とする請求項１記載のグリッドセンサー。
3. 引張りバネ（１３）がピン（１６）により着脱可能に固定され、このピンが孔（１７）内で電極ワイヤ（１２）の張力方向に対して垂直に差込まれ、この電極ワイヤが引張りバネ（１３）を収容するための袋孔（１５）内で終わっていることを特徴とする請求項２記載のグリッドセンサー。
4. ピン（１６）の代わりに、ネジが引張りバネ（１３）を着脱可能に固定するために利用されることを特徴とする請求項３記載のグリッドセンサー。
5. 全ての電極ワイヤの引張りバネ（１３）を固定するためのピンが、蓋により適所に固定されることを特徴とする請求項３記載のグリッドセンサー。
6. バネが圧縮バネ（１９）として構成され、この圧縮バネがセンサー本体内の貫通孔（２０）内にあり、かつワイヤの張力方向で、孔の断面狭隘部（２１）により形成された縁部上に載っていること、および
   電極ワイヤ（３）が圧縮バネ（１９）の支持縁部に相対する側で固定されていることを特徴とする請求項１記載のグリッドセンサー。
7. 電極ワイヤ（３）がバネに相対しているセンサー本体の側で金属カニューレ（９）により覆われており、この金属カニューレにより電極ワイヤ（３）がセンサー本体の外側でシールされており、かつ堅固に連結していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のグリッドセンサー。

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