WO2012055603A1 - VORRICHTUNG MIT EINER SONDENEINHEIT ZUR BESTIMMUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE - Google Patents

VORRICHTUNG MIT EINER SONDENEINHEIT ZUR BESTIMMUNG MINDESTENS EINER PROZESSGRÖßE Download PDF

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WO2012055603A1
WO2012055603A1 PCT/EP2011/064661 EP2011064661W WO2012055603A1 WO 2012055603 A1 WO2012055603 A1 WO 2012055603A1 EP 2011064661 W EP2011064661 W EP 2011064661W WO 2012055603 A1 WO2012055603 A1 WO 2012055603A1
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WO
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thermal expansion
elements
expansion coefficient
straight line
intermediate space
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Application number
PCT/EP2011/064661
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English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Schmidt
Sergej Lopatin
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for determining at least one process variable of a medium having a probe unit which has a longitudinal axis which comprises at least a first element of a first material and a second element of the same material, wherein the first element and the second element fixed and wherein the first element and the second element form a gap, which extends along a substantially parallel to the longitudinal axis extending imaginary line over a distance D, and which at least a third element of a third material, a fourth element of a fourth material and a fifth element of a fifth material, which are configured and arranged at least with a portion in the gap, that they each touch with an interface, that the straight line contains a surface normal of each interface and that the Ger ade penetrates each element only once.
  • Elements are therefore juxtaposed elements, not a coaxial structure of these elements.
  • the elements are, for example, electrodes, insulating elements, fastening means and / or components of a
  • the device is in particular a capacitive level switch for flush mounting in a container.
  • Field devices with probe units are common, for example, in the capacitive or conductive level measurement, or in the form of ultrasonic probes.
  • a probe usually includes several elements from different ones
  • a capacitive probe unit usually contains a plurality of metallic electrodes, which are separated from one another by insulations made of plastic. Within a housing, the individual elements are fastened or braced in such a way that a gap-free, flush surface is formed in an end region to be introduced into the process. Especially in applications which are high
  • Capacitive probes are known in the prior art in which to compensate for the change in length of plastic parts, i. in the axial direction, resilient elements are used.
  • the disadvantage is that the plastic parts are thus constantly under pressure, which also leads to deformation over time, in particular a reduction in the thickness of the plastic parts. The result is an offset of flush-mounted electrodes or even a short circuit between two electrodes.
  • the object of the invention is to provide a device for determining a process variable with a probe unit whose components permanently have an improved tightness in the event of temperature fluctuations in the axial direction.
  • the object is achieved in that the materials of the elements and the
  • the length of the gap is determined by the material of the elements forming it. In other words, the distance between the first and second elements defines along the straight line which is
  • the third, fourth and fifth elements can take any shape.
  • the material of the two elements enclosing the other elements has a medium sized compared to the elements arranged therebetween
  • coefficient of thermal expansion i. at least one element arranged in the intermediate space has a larger and at least one smaller thermal expansion coefficient.
  • the material with the lower coefficient of expansion at least approximately compensates for the stronger reaction to temperature differences of the material with the higher one
  • the fourth element is made of the same material as the first element and the second element, and the materials are matched to one another such that the third material has a thermal expansion coefficient which is greater than the thermal expansion coefficient of first material and that the fifth
  • An advantageous embodiment of the invention provides that the first element, the second element and the fourth element are made of stainless steel, that the third element is made of plastic and that the fifth element of glass, ceramic or glass ceramic is made.
  • the improved tightness is thus achieved in that instead of two plastic elements, only one of the insulating elements is made of plastic, while the other consists of glass, ceramic or glass ceramic and thus of a material with low thermal expansion.
  • An embodiment of the invention includes that the third element and the fifth element are made of the same material, and that the materials are coordinated so that the third material is a thermal
  • Expansion coefficient of the first material and that the fourth material has a thermal expansion coefficient which is smaller than that of the first material.
  • a1 a2
  • a3 a5 and a3> a1> a4.
  • the first element and the second element made of stainless steel, the third element and the fifth element made of plastic, and the fourth element made of a metal alloy, tantalum or titanium.
  • the metal alloy is one
  • Nickel alloy especially Hastelloy, or Kovar or Invar.
  • first element and the second element made of aluminum, the third element and the fifth element made of plastic and the fourth element made of stainless steel.
  • Expansion coefficient is greater than the difference of least
  • the first element and the fourth element are electrodes, the third element and the fifth element are insulations and the second element is a fastening means.
  • the first element is an electrode
  • the second element is a fastening means
  • the fourth element is a process connection
  • the third element and the fifth element are insulation.
  • the materials of adjoining elements in the axial and radial directions are matched to one another in such a way that only permanently gap-free connections occur both in the axial and in the radial direction.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a capacitive probe unit
  • Fig. 2 shows schematically a cross section through a portion of a
  • Fig. 3 shows schematically a cross section through a portion of a
  • Probe unit in a second embodiment.
  • a measuring device 6 with a probe unit for determining the level of a medium 8 in a container 7 is shown schematically.
  • One end portion of the probe unit protrudes into the container 7, while the other end portion is surrounded by a housing 61.
  • the housing 61 accommodates the electronic unit for determining the process variable and has a process connection 62, for example via a screw-in thread, by means of which the device is inserted into the Wall of the container 7 is introduced.
  • the protruding into the container 7 end portion of the probe unit is designed slightly convex or conical, so that the compatibility of the batch is increased in viscous media.
  • the illustrated probe unit comprises an inner measuring electrode 63 and an outer shield or guard electrode 64 which is separated from the inner electrode 63 by a first insulation 65 and which is surrounded by a second insulation 66.
  • This second insulation 66 also serves to insulate the outer electrode 64 from the housing 61 in the region of the process connection 62.
  • Electrodes 63, 64 and the process connection 62 are made of stainless steel; the two insulation 65, 66 made of a plastic.
  • Fig. 2 discloses schematically a sectional view of a portion of the
  • Probe unit with five rotationally symmetrical elements, which surround the
  • the longitudinal axis A of the probe unit are arranged.
  • the longitudinal axis A therefore simultaneously forms the axis of symmetry.
  • the invention is not on a
  • the first element 1 represents a metallic electrode having a rod-shaped part whose
  • the second element 2 is a fastening means, which is fixedly connected to an end region of the rod-shaped part of the first element 1 and consists of the same material as the first element 1.
  • the second element 2 is a nut screwed onto the first element 1.
  • the first element 1 and the second element 2 form a gap which extends along the straight line g over a distance D.
  • the elements 3, 4, 5 are arranged.
  • the third element 3 and the fifth element 5 are insulations.
  • the fourth element 4 forms the process connection and is therefore not completely arranged in the intermediate space, but only with a partial region.
  • the first element 1, the second element 2 and the fourth element 4 made of the same material M1, preferably made of stainless steel.
  • the third element 3 and the fifth element 5 are made of different insulating materials, which have different thermal
  • Element 3 is a plastic, e.g. PEEK, PFA or PTFE, and the material M5 of the fifth element 5 is a glass, a ceramic or a glass ceramic.
  • the third element 3 consists of a glass, a ceramic or a glass ceramic and the fifth element 5 of a
  • the thermal expansion coefficient a3 of plastic is greater than the thermal expansion coefficient a1 of stainless steel. With a temperature change, the third element 3 therefore experiences a greater volume change than the first element 1 or the second element 2. Since the first element 1 and the second
  • Element 2 are firmly connected to each other, the length D of the gap formed by them along the parallel to the longitudinal axis A straight line g of the
  • Gap defines the length which the elements in the space must maintain in the axial direction to be permanently in contact with each other. With two plastic insulators, therefore, the gap-free connection could not be maintained with temperature fluctuations.
  • the fifth element 5 is therefore made of a material M5, which has a lower coefficient of expansion a5 than the first material M1 and the third material M3, so that compared to the first element 1 and the second element 2 stronger expansion of the third element.
  • the thicknesses of the third element 3 and the fifth element 5 along the straight line g are further adapted to one another such that the sum of the changes in length of the elements 3, 4, 5 arranged in the intermediate space is equal to the change in the distance D. d. - a,
  • the third element 3 is made of plastic and the fifth element 5 is made of glass, for example, the thickness d5 of the fifth element 5 considerably exceeds the thickness d3 of the third element 3.
  • the two are
  • the fourth element 4 arranged between the third element 3 and the fifth element 5 is made of a material M4 which has a lower coefficient of expansion than the first material M1.
  • the material M1 is stainless steel
  • the material M4 of the fourth element 4 may be, for example, an alloy such as Hastelloy, Kovar or Invar, or also titanium or tantalum.
  • Expansion coefficient than stainless steel has, for example, aluminum.
  • the fourth element 4 can also assume the function of a ground electrode in addition to the process connection. Not shown in the figures is a partial region of the probe unit, in which the fourth element 4 represents any further electrode without simultaneously being a process connection. All statements made in connection with the process connection statements about lengths and materials apply equally to the design of the fourth element 4 as an electrode.
  • the invention has three possible
  • the probe unit comprises at least a first and a second metallic electrode and a metallic fastening means, wherein the fastening means is fixedly connected to the first electrode, wherein the fastening means and the second electrode are separated from each other and electrically insulated by a first insulation, and wherein the two electrodes are separated from each other by a second insulation and electrically insulated.
  • the probe unit comprises at least a metallic electrode, a metallic fastener and a process terminal, wherein the electrode and the fastener are fixedly connected to each other, and wherein the electrode and the fastener each by an insulation of the
  • the probe unit both embodiments, wherein some elements may be both part of the one structure and the other structure.
  • All embodiments have in common that there is at least one space bounded by metallic materials in at least one direction, in which at least three elements are arranged with at least one partial area, and in which two of the three elements consist of insulating materials.
  • Elements are in this case matched in material and dimensions to each other and the gap or the two limiting the gap elements that they rest at any time regardless of temperature fluctuations close to each other and to the limiting elements.
  • the probe unit thus expands evenly when heated and contracts evenly when cooled so that it maintains its shape at all times.
  • Probe unit there are two different variants in the material combination.
  • the two insulations consist of materials

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums mit einer Sondeneinheit beschrieben, welche eine Längsachse aufweist, mindestens ein erstes Element und ein zweites Element aus dem gleichen Material aufweist, wobei das erste Element und das zweite Element fest miteinander verbunden sind und wobei das erste Element und das zweite Element einen Zwischenraum bilden, welcher sich entlang einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse verlaufenden gedachten Geradenüber eine Distanz D erstreckt, und welche mindestens ein drittes Element, ein viertes Element und ein fünftes Element aufweist, welche in dem Zwischenraum angeordnet sind. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Materialien der Elemente und die Abmessungen der in dem Zwischenraum angeordneten Elemente entlang der Geraden derart gewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Temperaturänderung die thermische Ausdehnung der in dem Zwischenraum angeordneten Elemente entlang der Geraden im Wesentlichen gleich derjenigen des Zwischenraums ist.

Description

Vorrichtung mit einer Sondeneinheit zur Bestimmung mindestens einer
Prozessgröße
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums mit einer Sondeneinheit, welche eine Längsachse aufweist, welche mindestens ein erstes Element aus einem ersten Material und ein zweites Element aus dem gleichen Material aufweist, wobei das erste Element und das zweite Element fest miteinander verbunden sind und wobei das erste Element und das zweite Element einen Zwischenraum bilden, welcher sich entlang einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse verlaufenden gedachten Geraden über eine Distanz D erstreckt, und welche mindestens ein drittes Element aus einem dritten Material, ein viertes Element aus einem vierten Material und ein fünftes Element aus einem fünften Material aufweist, welche derart ausgestaltet und zumindest mit einem Teilbereich in dem Zwischenraum angeordnet sind, dass sie sich jeweils mit einer Grenzfläche berühren, dass die Gerade eine Flächennormale jeder Grenzfläche enthält und dass die Gerade jedes Element nur einmal durchstößt. Bei den
Elementen handelt es sich daher um nebeneinander angeordnete Elemente, nicht um einen koaxialen Aufbau aus diesen Elementen. Die Elemente sind beispielsweise Elektroden, Isolierelemente, Befestigungsmittel und/oder Bestandteile eines
Gehäuses der Vorrichtung. Bei der Vorrichtung handelt es sich insbesondere um einen kapazitiven Grenzstandschalter zum frontbündigen Einbau in einen Behälter.
Feldgeräte mit Sondeneinheiten sind beispielsweise bei der kapazitiven oder konduktiven Füllstandsmessung, oder auch in Form von Ultraschallsonden verbreitet. Eine Sonde umfasst in der Regel mehrere Elemente aus unterschiedlichen
Materialien, welche aufeinander treffen und verpresst oder verschraubt sind.
Beispielsweise enthält eine kapazitive Sondeneinheit meist mehrere metallische Elektroden, welche voneinander durch Isolierungen aus Kunststoff getrennt sind. Innerhalb eines Gehäuses sind die einzelnen Elemente so befestigt oder verspannt, dass sich in einem in den Prozess einzubringenden Endbereich eine spaltfreie bündige Oberfläche bildet. Insbesondere bei Anwendungen, welche hohe
hygienische Standards erfüllen müssen, sind spaltfreie Verbindungen zwischen den einzelnen mit dem Prozessmedium in Berührung stehenden Elementen unbedingt erforderlich. Da Kunststoffe und Metalle jedoch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, können sich bei Temperaturschwankungen Spalte ausbilden. Kunststoff kann sich bei einer Erwärmung mangels ausreichender Ausdehnungsmöglichkeiten in mindesten eine Richtung plastisch verformen und beim Abkühlen nicht zu der ursprünglichen Form zurückkehren, während metallische Elemente im elastischen Bereich bleiben und ihre Form beibehalten. In axialer Richtung kann dies zu einer Längenänderung und somit zu einem Versatz der Elemente an der ursprünglich ebenen Oberfläche führen.
Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sonden bekannt, in welchen zur Kompensation der Längenänderung von Kunststoffteilen, d.h. in axialer Richtung, federnde Elemente verwendet werden. Nachteilig ist, dass die Kunststoffteile hierdurch ständig unter Druck stehen, was mit der Zeit ebenfalls zu Verformungen, insbesondere einer Verminderung der Dicke der Kunststoffteile führt. Die Folge ist ein Versatz frontbündiger Elektroden oder gar ein Kurzschluss zwischen zwei Elektroden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Prozessgröße mit einer Sondeneinheit bereit zu stellen, deren Komponenten bei Temperaturschwankungen in axialer Richtung dauerhaft eine verbesserte Dichtheit aufweisen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Materialien der Elemente und die
Abmessungen der in dem Zwischenraum angeordneten Elemente entlang der Geraden derart gewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer
Temperaturänderung die thermische Ausdehnung der in dem Zwischenraum angeordneten Elemente entlang der Geraden im Wesentlichen gleich der
thermischen Ausdehnung des Zwischenraums entlang der Geraden ist.
Die Längenausdehnung des Zwischenraums ist hierbei durch das Material der ihn bildenden Elemente bestimmt. Mit anderen Worten definiert die Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten Element entlang der Geraden, welche sich
entsprechend der Ausdehnung des ersten und zweiten Elements ändert, die Länge, welche das dritte, vierte und fünfte Element zusammen stets aufweisen müssen, um eine spaltfreie Verbindung zu gewährleisten. Außerhalb des Zwischenraums können das dritte, vierte und fünfte Element eine beliebige Form annehmen.
Das Material der beiden die anderen Elemente umschließenden Elemente besitzt gegenüber den dazwischen angeordneten Elementen einen mittelgroßen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten, d.h. mindestens ein in dem Zwischenraum angeordnetes Element weist einen größeren und mindestens eines einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Das Material mit dem geringeren Ausdehnungskoeffizienten kompensiert zumindest näherungsweise die stärkere Reaktion auf Temperaturunterschiede des Materials mit dem höheren
Ausdehnungskoeffizienten. Indem die in dem Zwischenraum angeordneten Elemente in ihren Längen entlang der Geraden an die jeweiligen Ausdehnungsverhalten angepasst werden, ist eine stärkere Ausdehnung eines der Elemente durch die geringere Ausdehnung eines anderen Elements nahezu vollständig kompensierbar. Die in dem Zwischenraum befindlichen Elemente passen sich bei
Temperaturänderungen an das Ausdehnungsverhalten der sie umfassenden
Elemente an, wodurch eine verbesserte Dichtheit geschaffen ist.
Die Erfindung beschreibt somit eine Lösung, mit welcher eine auch bei
Temperaturschwankungen dichte Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten eines axialen Aufbaus herstellbar ist.
In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist das vierte Element aus dem gleichen Material gefertigt wie das erste Element und das zweite Element, und die Materialien sind derart aufeinander abgestimmt, dass das dritte Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des ersten Materials und dass das fünfte
Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher kleiner ist als der des ersten Materials. Kurz gesagt gilt für die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten ai der Materialien Mi: a1 = a2 = a4 und a3 > a1 > a5.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste Element, das zweite Element und das vierte Element aus Edelstahl gefertigt sind, dass das dritte Element aus Kunststoff gefertigt ist und dass das fünfte Element aus Glas, Keramik oder Glaskeramik gefertigt ist. In dieser Ausgestaltung wird die verbesserte Dichtheit also dadurch erzielt, dass an Stelle zweier Kunststoffelemente nur eines der isolierenden Elemente aus Kunststoff gefertigt ist, während das andere aus Glas, Keramik oder Glaskeramik und somit aus einem Material mit geringer thermischer Ausdehnung besteht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass das dritte Element und das fünfte Element aus dem gleichen Material gefertigt sind, und dass die Materialien derart aufeinander abgestimmt sind, dass das dritte Material einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher größer ist als der thermische
Ausdehnungskoeffizient des ersten Materials und dass das vierte Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher kleiner ist als der des ersten Materials. Kurz gesagt gilt für die Ausdehnungskoeffizienten: a1 = a2, a3 = a5 und a3 > a1 > a4.
In einer hiermit verbundenen vorteilhaften Ausgestaltung sind das erste Element und das zweite Element aus Edelstahl, das dritte Element und das fünfte Element aus Kunststoff, und das vierte Element aus einer Metalllegierung, Tantal oder Titan gefertigt. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Metalllegierung um eine
Nickellegierung, insbesondere Hastelloy, oder um Kovar oder Invar.
In einer alternativen Ausgestaltung sind das erste Element und das zweite Element aus Aluminium, das dritte Element und das fünfte Element aus Kunststoff und das vierte Element aus Edelstahl gefertigt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass ein Faktor, um welchen eine Dicke des Elements mit dem geringsten Ausdehnungskoeffizienten entlang der Geraden größer ist als eine Dicke des Elements mit dem größten
Ausdehnungskoeffizienten entlang der Geraden, gleich einem Faktor ist, um welchen die Differenz aus mittlerem Ausdehnungskoeffizienten und größtem
Ausdehnungskoeffizienten größer ist als die Differenz aus geringstem
Ausdehnungskoeffizienten und mittlerem Ausdehnungskoeffizienten. Hierdurch wird eine gleichförmige temperaturbedingte Ausdehnung aller Elemente erzielt, sodass die Sondeneinheit spaltfrei bleibt. Gemäß einer Ausgestaltung der Sondeneinheit sind das erste Element und das vierte Element Elektroden, das dritte Element und das fünfte Element Isolierungen und das zweite Element ist ein Befestigungsmittel. In einer alternativen oder weiteren Ausgestaltung der Sondeneinheit ist das erste Element eine Elektrode, das zweite Element ein Befestigungsmittel, das vierte Element ein Prozessanschluss und das dritte Element und das fünfte Element sind Isolierungen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Sondeneinheit sind die Materialien von aneinander angrenzenden Elementen in axialer und radialer Richtung derart aufeinander abgestimmt, dass sowohl in axialer als auch radialer Richtung nur dauerhaft spaltfreie Verbindungen auftreten. Für die entsprechende Konstruktion eines radial dichten koaxialen Aufbaus aus mindestens drei Elementen sei auf die bislang noch nicht veröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 102010001273.4 verwiesen. Einige Elemente können hierbei sowohl Teil des axialen als auch des koaxialen Aufbaus sein.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer kapazitiven Sondeneinheit;
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Teilbereich einer
Sondeneinheit in einer ersten Ausgestaltung;
Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Teilbereich einer
Sondeneinheit in einer zweiten Ausgestaltung.
In Fig. 1 ist schematisch ein Messgerät 6 mit einer Sondeneinheit zur Bestimmung des Füllstands eines Mediums 8 in einem Behälter 7 dargestellt. Ein Endbereich der Sondeneinheit ragt in den Behälter 7 hinein, während der andere Endbereich von einem Gehäuse 61 umfasst wird. Das Gehäuse 61 beherbergt die Elektronikeinheit zur Bestimmung der Prozessgröße und verfügt über einen Prozessanschluss 62, beispielsweise über ein Einschraubgewinde, mittels welchem die Vorrichtung in die Wandung des Behälters 7 eingebracht ist. Vorteilhaft ist der in den Behälter 7 ragende Endbereich der Sondeneinheit leicht konvex oder kegelförmig ausgestaltet, sodass die Ansatzverträglichkeit bei viskosen Medien gesteigert ist. Die dargestellte Sondeneinheit umfasst eine innere Messelektrode 63 und eine äußere Schirm- oder Guardelektrode 64, welche von der inneren Elektrode 63 durch eine erste Isolierung 65 getrennt ist, und welche von einer zweiten Isolierung 66 umgeben ist. Diese zweite Isolierung 66 dient auch der Isolierung der äußeren Elektrode 64 gegenüber dem Gehäuse 61 im Bereich des Prozessanschlusses 62. Elektroden 63, 64 und der Prozessanschluss 62 bestehen aus Edelstahl; die beiden Isolierungen 65, 66 aus einem Kunststoff.
Fig. 2 offenbart schematisch eine Schnittdarstellung eines Teilbereichs der
Sondeneinheit mit fünf rotationssymmetrischen Elementen, welche um die
Längsachse A der Sondeneinheit angeordnet sind. Die Längsachse A bildet daher gleichzeitig die Symmetrieachse. Die Erfindung ist aber nicht auf einen
symmetrischen Aufbau beschränkt. Wesentlich ist die Anordnung der fünf Elemente entlang der gedachten Geraden g, welche im Wesentlichen parallel zur Längsachse A verläuft und welche alle fünf Elemente durchstößt. Es versteht sich von selbst, dass unendlich viele derartiger Parallelen existieren. Das erste Element 1 stellt eine metallische Elektrode dar, welche über einen stabförmigen Teil verfügt, dessen
Längsachse mit der Längsachse A des Aufbaus zusammenfällt. Das zweite Element 2 ist ein Befestigungsmittel, welches mit einem Endbereich des stabförmigen Teils des ersten Elements 1 fest verbunden ist und aus dem gleichen Material wie das erste Element 1 besteht. Beispielsweise ist das zweite Element 2 eine auf das erste Element 1 aufgeschraubte Mutter. Das erste Element 1 und das zweite Element 2 bilden einen Zwischenraum, der sich entlang der Geraden g über eine Distanz D erstreckt. In diesem Zwischenraum sind die Elemente 3, 4, 5 angeordnet. Das dritte Element 3 und das fünfte Element 5 sind Isolierungen. Das vierte Element 4 bildet den Prozessanschluss und ist daher nicht vollständig in dem Zwischenraum angeordnet, sondern lediglich mit einem Teilbereich. Alle Elemente stehen mit dem jeweils benachbarten Element über eine Grenzfläche in Kontakt und stehen somit entlang der Geraden g spaltfrei miteinander in Verbindung. In einer Ausgestaltung der Erfindung bestehen das erste Element 1 , das zweite Element 2 und das vierte Element 4 aus dem gleichen Material M1 , bevorzugt aus Edelstahl. Das dritte Element 3 und das fünfte Element 5 sind aus unterschiedlichen isolierenden Materialien gefertigt, welche unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Bevorzugt ist das Material M3 des dritten
Elements 3 ein Kunststoff, z.B. PEEK, PFA oder PTFE, und das Material M5 des fünften Elements 5 ein Glas, eine Keramik oder eine Glaskeramik. Der umgekehrte Fall ist gleichermaßen möglich, d.h. das dritte Element 3 besteht aus einem Glas, einer Keramik oder einer Glaskeramik und das fünfte Element 5 aus einem
Kunststoff.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient a3 von Kunststoff ist größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient a1 von Edelstahl. Bei einer Temperaturänderung erfährt das dritte Element 3 daher eine größere Volumenänderung als das erste Element 1 oder das zweite Element 2. Da das erste Element 1 und das zweite
Element 2 fest miteinander verbunden sind, ist die Länge D des von ihnen gebildeten Zwischenraums entlang der zur Längsachse A parallelen Geraden g von der
Temperatur abhängig und ändert sich in Abhängigkeit des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des ersten Materials M1 . Die Länge D des
Zwischenraums definiert die Länge, welche die im Zwischenraum angeordneten Elemente in axialer Richtung beibehalten müssen, um dauerhaft mit einander in Kontakt zu stehen. Mit zwei Isolierungen aus Kunststoff könnte daher die spaltfreie Verbindung bei Temperaturschwankungen nicht aufrechterhalten werden.
Erfindungsgemäß ist das fünfte Element 5 daher aus einem Material M5 gefertigt, welches einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten a5 besitzt als das erste Material M1 und das dritte Material M3, sodass der gegenüber dem ersten Element 1 und dem zweiten Element 2 stärkeren Ausdehnung des dritten Elements 3
entgegengewirkt wird. Die Dicken des dritten Elements 3 und des fünften Elements 5 entlang der Geraden g sind weiterhin derart aneinander angepasst, dass die Summe der Längenänderungen der im Zwischenraum angeordneten Elemente 3, 4, 5 gleich der Änderung der Distanz D ist. d. - a,
Es gilt: Im dem Fall, dass das dritte Element 3 aus Kunststoff und das fünfte Element 5 z.B. aus Glas besteht, übersteigt die Dicke d5 des fünften Elements 5 die Dicke d3 des dritten Elements 3 daher merklich. In einer in der Fig. 3 dargestellten alternativen Ausgestaltung sind die beiden
Isolierungen 3, 5 aus dem gleichen Material M3 gefertigt. Um die verglichen mit dem ersten Element 1 und dem zweiten Element 2 stärkere Ausdehnung des dritten Elements 3 und des fünften Elements 5 zu kompensieren, ist das zwischen dem dritten Element 3 und dem fünften Element 5 angeordnete vierte Element 4 aus einem Material M4 gefertigt, welches einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das erste Material M1 . Ist das Material M1 Edelstahl, so kann das Material M4 des vierten Elements 4 beispielsweise eine Legierung wie Hastelloy, Kovar, oder Invar sein, oder auch Titan oder Tantal. Alternativ ist es möglich, das vierte Element 4 aus Edelstahl zu fertigen und das erste Element 1 und das zweite Element 2 aus einem Material M1 auszugestalten, welches einen größeren
Ausdehnungskoeffizienten als Edelstahl besitzt, beispielsweise Aluminium.
Für diese Ausgestaltung gilt: — =—
Das vierte Element 4 kann neben dem Prozessanschluss auch die Funktion einer Masseelektrode übernehmen. In den Figuren nicht dargestellt ist ein Teilbereich der Sondeneinheit, bei welchem das vierte Element 4 eine beliebige weitere Elektrode darstellt ohne gleichzeitig Prozessanschluss zu sein. Sämtliche in Verbindung mit dem Prozessanschluss getroffenen Aussagen über Längen und Materialien gelten gleichermaßen für die Ausgestaltung des vierten Elements 4 als Elektrode.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfindung drei mögliche
Ausgestaltungen einer Sondeneinheit betrifft. In der ersten Ausgestaltung umfasst die Sondeneinheit zumindest eine erste und eine zweite metallische Elektrode und ein metallisches Befestigungsmittel, wobei das Befestigungsmittel mit der ersten Elektrode fest verbunden ist, wobei das Befestigungsmittel und die zweite Elektrode durch eine erste Isolierung voneinander getrennt und elektrisch isoliert sind, und wobei die beiden Elektroden voneinander durch eine zweite Isolierung getrennt und elektrisch isoliert sind.
In der zweiten Ausgestaltung umfasst die Sondeneinheit zumindest eine metallische Elektrode, ein metallisches Befestigungsmittel und einen Prozessanschluss, wobei die Elektrode und das Befestigungsmittel fest miteinander verbunden sind, und wobei die Elektrode und das Befestigungsmittel jeweils durch eine Isolierung von dem
Prozessanschluss getrennt und elektrisch isoliert sind. In der dritten
Ausführungsform weist die Sondeneinheit beide Ausgestaltungen auf, wobei manche Elemente sowohl Teil des einen Aufbaus als auch des anderen Aufbaus sein können.
Allen Ausgestaltungen ist gemein, dass zumindest ein von metallischen Materialien in wenigstens eine Richtung begrenzter Zwischenraum vorhanden ist, in welchem mindestens drei Elemente mit zumindest einem Teilbereich angeordnet sind, und wobei zwei der drei Elemente aus isolierenden Materialien bestehen. Die drei
Elemente sind hierbei derart in Material und Abmessungen aufeinander und den Zwischenraum bzw. die beiden den Zwischenraum begrenzenden Elemente abgestimmt, dass sie jederzeit unabhängig von Temperaturschwankungen dicht aneinander und an den begrenzenden Elementen anliegen. Die Sondeneinheit dehnt sich somit bei einer Erwärmung gleichmäßig aus und zieht sich bei einer Abkühlung gleichmäßig zusammen, sodass sie jederzeit ihre Gestalt beibehält.
Unabhängig von der Zuordnung der Elemente zu einzelnen Bauteilen der
Sondeneinheit existieren zwei verschiedene Varianten in der Materialkombination. In der ersten Variante bestehen die beiden Isolierungen aus Materialien mit
unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sodass die Isolierung mit der geringeren thermischen Ausdehnung die stärkere thermische Ausdehnung der anderen Isolierung kompensiert. In der zweiten Variante bestehen die beiden
Elektroden bzw. die Elektrode und der Prozessanschluss aus Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei das Element mit dem geringsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten die gegenüber den
metallischen Elementen stärkere Ausdehnung der Isolierungen kompensiert. Bezugszeichenliste
1 Erstes Element
2 Zweites Element
3 Drittes Element
4 Viertes Element
5 Fünftes Element
6 Messgerät
61 Gehäuse
62 Prozessanschluss
63 Innere Elektrode
64 Äußere Elektrode
65 Erste Isolierung
66 Zweite Isolierung
7 Behälter
8 Medium
A Symmetrieachse
g Gerade

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums mit einer Sondeneinheit,
- welche eine Längsachse (A) aufweist,
- welche mindestens ein erstes Element (1 ) aus einem ersten Material (M1 ) und ein zweites Element (2) aus dem gleichen Material (M1 ) aufweist,
- wobei das erste Element (1 ) und das zweite Element (2) fest miteinander verbunden sind und
- wobei das erste Element (1 ) und das zweite Element (2) einen
Zwischenraum bilden, welcher sich entlang einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse (A) verlaufenden gedachten Geraden (g) über eine Distanz D erstreckt,
- und welche mindestens ein drittes Element (3) aus einem dritten
Material (M3), ein viertes Element (4) aus einem vierten Material (M4) und ein fünftes Element (5) aus einem fünften Material (M5) aufweist, welche derart ausgestaltet und zumindest mit einem Teilbereich in dem Zwischenraum angeordnet sind,
- dass sie sich jeweils mit einer Grenzfläche berühren,
- dass die Gerade (g) eine Flächennormale jeder Grenzfläche enthält
- und dass die Gerade (g) jedes Element (1 , 2, 3, 4, 5) nur einmal durchstößt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialien (M1 , M3, M4, M5) der Elemente (1 , 2, 3, 4, 5) und die Abmessungen der in dem Zwischenraum angeordneten Elemente (3, 4, 5) entlang der Geraden (g) derart gewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass bei einer Temperaturänderung die thermische Ausdehnung der in dem Zwischenraum angeordneten Elemente (3, 4, 5) entlang der Geraden (g) im Wesentlichen gleich der thermischen Ausdehnung des Zwischenraums entlang der Geraden (g) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Element (4) aus dem gleichen Material (M1 ) gefertigt ist wie das erste Element (1 ) und das zweite Element (2),
und dass die Materialien (M1 , M3, M5) derart aufeinander abgestimmt sind, dass das dritte Material (M3) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (a3) besitzt, welcher größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient (a1 ) des ersten Materials (M1 )
und
dass das fünfte Material (M5) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (a5) besitzt, welcher kleiner ist als der des ersten Materials (M1 ).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (1 ), das zweite Element (2) und das vierte Element (4) aus Edelstahl gefertigt sind,
dass das dritte Element (3) aus Kunststoff gefertigt ist und
dass das fünfte Element (5) aus Glas, Keramik oder Glaskeramik gefertigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das dritte Element (3) und das fünfte Element (5) aus dem gleichen Material (M3) gefertigt sind,
und dass die Materialien (M1 , M3, M4) derart aufeinander abgestimmt sind, dass das dritte Material (M3) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (a3) besitzt, welcher größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient (a1 ) des ersten Materials (M1 )
und
dass das vierte Material (M4) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (a4) besitzt, welcher kleiner ist als der des ersten Materials (M1 ).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (1 ) und das zweite Element (2) aus Edelstahl gefertigt sind, dass das dritte Element (3) und das fünfte Element (5) aus Kunststoff gefertigt sind,
und dass das vierte Element (4) aus einer Metalllegierung, Tantal oder Titan gefertigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Metalllegierung um eine Nickellegierung, Kovar oder Invar handelt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (1 ) und das zweite Element (2) aus Aluminium gefertigt sind,
dass das dritte Element (3) und das fünfte Element (5) aus Kunststoff gefertigt sind
und dass das vierte Element (4) aus Edelstahl gefertigt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-7,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Faktor (x1 ), um welchen eine Dicke (da) des Elements mit dem geringsten thermischen Ausdehnungskoeffizienten entlang der Geraden (g) größer ist als die Dicke (db) des Elements mit dem größten
Ausdehnungskoeffizienten entlang der Geraden (g),
gleich einem Faktor (x2) ist, um welchen eine Differenz aus mittlerem
Ausdehnungskoeffizienten und größtem Ausdehnungskoeffizienten größer ist als eine Differenz aus geringstem Ausdehnungskoeffizienten und mittlerem Ausdehnungskoeffizienten.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (1 ) und das vierte Element (4) Elektroden sind, dass das dritte Element (3) und das fünfte Element (5) Isolierungen sind und dass das zweite Element (2) ein Befestigungsmittel ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Element (1 ) eine Elektrode ist,
dass das zweite Element (2) ein Befestigungsmittel ist,
dass das dritte Element (3) und das fünfte Element (5) Isolierungen sind, und
dass das vierte Element (4) ein Prozessanschluss ist.
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