DE3006877A1 - Elektrische messsonde und verfahren zum herstellen der sonde - Google Patents

Description

• "Elektrische Meßsonde und Verfahren zum Herstellen
• der Sonde" Die Erfindung betrifft eine elektrische Meßsonde zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit mit einer von dieser zu durchströmenden und zwischen Elektroden mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagenden Meßstrecke, wobei die Elektroden von der Flüssigkeit abzuschirmende elektrische Zuleitungen besitzen.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen der Sonde.
• Solche Meßsonden werden beispielsweise bei einer Konzeption zur AnwenduIzg in druckbeaufschlagten Rohrleitungen u. a. zum Überwachen der Konzentration von Reinigungs- und Desinfektionsbädern eingesetzt. In der Regel wird dabei der elektrische Widerstand des HeJgutes, d. h. der Flüssigkeit, gemessen. Bei chemisch aggressivem, flüssige Meßgut müssen die Bestandteile der Meßsonde de, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, entsprechend chemisch beständig sein. Auch wird von Meßsonden häufig eine Unempfindlichkeit des Aufbaus und der Meßgenalligkeit bei Temperaturen bis zu etwa 95 0C und bei Temperaturschwankungen von ca. SOOC verlangt.
• Ein zu Reinigungszwecken eingesetztes Meßgut unterliegt bei mehrmaliger bzw. längerer Verwendwig einer zlmehmenden Verschmutzung mit der Folge, daß auch die mit dem Meßgut in Verbindung stehenden Teile der Meßsonde verschmutzen und entsprechend zu reinigen sind. Vor allem kommt ein mechanisches Reinigen der fraglichen elektrisch leitenden Teile der Meßsonde in Frage.
• Zum überwiegenden TeiL werden die Meßsonden aus spanabhebend bearbeitetem, thermoplastischem Kllnststoffhalbzeug hergestellt, wobei Formteile aus Elektrokohle, Edelstahl bzw. Edelmetall für die elektrische Verbindung zum Meßgut vorgesehen sein könnten. Das Abdichten zwischen den elektrisch leitenden Formteilen und den Kunststoffteilen erfolgt beispielsweise mit Hilfe von elastischen Dichtelementen. In einer bekannten Ausführungsform sind mehrere kreisförmige Elektroden konzentrisch zueinander und gegeneinander durch zwischengelegten thermoplastischen Kunststoff isoliert (vergleiche DE-OS 28 37 102).
• Schwierigkeiten im Getrieb treten bei den Meßsonden oder Meßzellen vor allem wegen der unterschiedlichen tliermischen Ausdehnungskoeffizienten von leitenden Metall- bzw.
• Kohleformteilen einerseits und den isolierenden Kunsts toffteil en andererseits auf. Hieraus ergeben sich Rißbildung an den isolierenden Kunststoffteilen, Ablösung an den Grenzflächen und Nachlassen der Vorspamlullg elastischer Dichtelemente. Die resultierende Undichtheit an der Grenze von leitenden zu isolierenden Teilen führt sowohl zu Isolier- und damit zu Meßfehlern als auch zu Korrosion und Zerstörung der Einzelteile, insbesondere der elektrischen Versorgungsleitungen.
• Es ist auch schon versucht worden, Meßsonden abschnittsweise aus leitenden oder nicht leitenden duroplastischen Kunststoffen zusammenzusetzen. Nachteilig wirkt sich hierbei vor allem die geringere Verschleißfestigkeit gegenüber Edelmetallelektroden bei häufig notwendiger mechanischer Reinigung und die durch das Material bedingte schwache chemische Beständigkeit gegenüber säurehaltigem Meßgut aus.
• Abschnittsweise aus leitenden und nichtleitenden Elastomeren zusammengesetzte Meßsonden weisen eine geringe mechanische Festigkeit auf, die bei schnell strömenden Medien sogar ein Verformen der Sonde und damit eine Meßuiertveränderung zur Folge haben kann. Diese Meßsonden können höchstens als Füllstandsgeber oder als Steuersonden mit ja/nein-Funktion verwendet werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßsonde, vorzugsweise zum Liefern von Analogdaten, zu schaffen, die sowohl eine siciiere Verbindung zwischen IsoLierung und elektrischen ZuleJtuIlgen als auch die zum Einsatz in stark strömenden und/oder stark verschmutzten Medien erforderliche mechanische Steifheit sowie Verschleißfestigkeit aufweist. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für eine elektrische Aleßsorlde eingangs genannter Art darin, daß die von der Flüssigkeit abzuschirmenden Teile der Zuleitungen ein mechanisch stabilisierendes Einlagegerüst eines mit dem Material der Zuleitungen eine sogenannt GLImmi-letall-VerbiIldung eingeilenden, elektrisch isolierenden und die Form der Sonde bestimmenden Elastomer-Hüllenkörpers bilden.
• Durch die Erfindung wird demgemäß eine elektrische Meßsonde für den Einsatz in elektrisch leitenden Flüssig- keiten zum Zweck der Leitfähigkeitsmessung geschaffen, die im wesentlichen aus einer formgebenden, elektrisch isolierenden Elastomer-Hülle besteht, welche die mit dem Meßgut nicht in Berührung stehenden metallischen Leiter umschließt und mit diesen eine sogenannte Gummi-Metall-Verbindung bildet. Der mit dem Meßgut in Berührung kommende Teil der erfindungsgemäßen Meßsonde besteht somit aus chemisch- und temperaturbeständigem, nichtleitendem Elastomer, welches wegen der Gummi-Metall-Verbindung eine so innige Verbindung zwischen vernetztem Elastomer und den Metallteilen gewährleistet, daß das selbst geometrisch stabilisierte, leitende Gerüst chemisch beständig und elektrisch isolierend sicher umhüllt wird.
• Gemäß weiterer Erfindung enthält die Meßsonde ein elektrisch leitendes, metallenes Gerüst aus Edelstahl, welche die mit dem jeweil' en Meßgut in Berührung kommenden Teile, vorzugsweise Edelmetall-Teile, trägt. Die elektrisch leitenden, metallischen Teile des Gerüstes sind dabei mit den erforderlichen Anschlüssen zu einer elektrischen Versorgungsspannung bzw. Leitung versehen und schon vor dem Einbetten in den Elastomer-Ilüllen1törper vorzugsweise mit Hilfe eines Isolierstoffkörpers, insbesondere aus thermoplastischem bzw. duroplastischem Kunststoff, Hartgewebe, Keramik oder Glas, elektrisch getrennt aber mechanisch stabi 1 zusammengehalten.
• Bei einem Verfahren zum IIerstellen der erfindungsgemäßen elektrischen Meßsonde wird diese vorzugsweise in einer Werkzeugform zusammengefügt. In die Form wird das bereits fertig montierte Gerüst einzebracht, vorher aber vorzugsweise mi t einem Haftvermittler ayegenüber einer in dos verbleibende Volumen der Werkzeugform bei Abdeckung der elektrisch leitenden Elektroden einzuhüllenden Elastomer-Mischung versehen. Das Einlagegerüst kann außerdem ein Einlageteil mit Varistor sowie AnschluBdrähten und -kabel enthalten. Zweckmäßig wird die Elastomer-Mischung, insbesondere eine mit den erforderlichen Zusätzen versehene Rohkautschuk-Mischung, mittels eines Preß-, Spritz- oder Spritz-Preß-Verfahrens in die Werkzeugform eingefüllt. Bei dem weiteren Herstellungsverfahren wird die Elastomer-Mischung unter erhöhtem Druck und Wärmeeinwirkung in der Werkzeugform vernetzt und unterstützt durch den Haftvermittler nach Art einer Vulkanisierung innig mit dem Einlagegerüst verbunden. In jedem Fall sollen Werkzeugform und Gerüst (elektrische Zuleitungen) so gestaltet bzw. vorbereitet werden, daß die mit dem Meßgut bei Betrieb der fertigen Sonde in Berührung zu bringenden, elektrisch leitenden Edelmetall-Teile bzw. -flächen od-er -kontakte nicht von dem Elastomer abgedeckt werden. Die von dem Meßgut zu trennenden Teile der Meßsonde sollen dagegen mit einem chemisch-und temperaturbeständigen, nichtleitenden Elastomer abgedeckt werden, welches erfindungsgemäß eine Gummi-Metall-Verbindung mit den blanken Metallflächen eingeht.
• Infolge der Dehnbarkeit des Elastomers und des wie vulkanisiert festen Haftens des Mantels auf den Metallflächen des Gerüstes sind auch bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallgerüst und Elastomer-Hülle eine Rißbildung in der Hülle sowie ein Verschieben der Grenzflächen relativ zueinander und damit Undichtheiten bei der Meßsonde sicher vermieden.
• Die bei erfindungsgemäßem Aufbau und erfindungsgemäßer Zusammensetzung erreicl)te verstärkte Dichtwirklmg des elastomeren Hüllwerkstoffs gegenüber dem eingelegten Teil ergibt sich u. a. deshalb, weil das Elastomer beim Aufbringen und Vulkanisieren schwindet und deshalb die zu schützenden Metallteile fest umspannt. Bei passender konstruktiver Gestaltung kann außerdem erreicht werden, daß ein in stark strömendem Meßgut zunehmender Staudruck nicht zur Beschädigullg der Meßsonde sondern im Gegenteil zu kraftvollerem Umschließen des metallenen Gerüstes durch den Hüllwerkstoff führt. Im iibrigen wird die erforderliche mechanische Steifheit der Meßsonde gegen Formänderung bei hohen Staudrucken natürlich durch das den elastomeren Hüllwerkstoff stützende, elektrisch leitende Gerüst gewährleistet.
• Gemäß noch weiterer Erfindung kann das metallische Einlageteil der Sonde konstruktiv derart gestaltet werden, daß ein zum Temperaturko myensieren benötigter Varistor bzw. Thermistor sowie sämtliche elektrischen Versorgungsleitungen vor dem Einvulkanisieren zu montieren und anzuschließen sind. Es kann auch eine Zugentlastung für das Anschlußkabel der Gesamtsonde so gestaltet werden, daß Beanspruchungen nicht vom Kabel sondern über den ilüllenkörper auf das metallische Einlagegerüst von diesem aufgenommen werden.
• Anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.
• In der beigefügten einzigen Figur ist ein Längsschnitt durch eine Meßsonde dargestellt, die als Beispiel zum Einsatz in sogenannten Durchflußarmaturen konzipiert worden ist. In der Zeichnung ist angenommen die Sonde sei in einen von einem Eingang 1 in Pfeilrichtung 2 zu einem Ausgang 3 durchflossenen Raum 4 eingesetzt.
• Die insgesamt mit 5 bezeichnete Meßsonde besteht erfindungsgemiß im Prinzip aus einem im wesentlichen durch elektrische Zuleitungen bzw. Gerüstteile 6 und 7, einem Isolierstoffkörper 8 gebildeten Einlagegerüst sowie aus dem die Außen- und Innen-Form der Sonde 5 bestimmenden Elastomer-Hüllenkörper 9. Letzterer enthält im Ausführungsbeispiel eine Längsbohrung 10, durch die die zu untersuchende Flüssigkeit längs der kleinen Pfeile 11 bis zur Ausgangsbohrung 12 und dann zum Ausgang 3 der Armatur fließt. Der entsprechende Weg der Flüssigkeit wird mit Hilfe von an den Elastomer-Hüllenkörper 9 angeformten Dichtkanten 13 an der dem Eingang 1 zugewandten Seite der Sonde 5 und durch weitere Dichtkanten 14 sowie ein Anpreßteil 15 am gegenüberliegenden Längsende der Sonde 5 erzwungen.
• Die vom Eingang 1 zum Ausgang 3 der Durchflußarmatur bewegte Flüssigkeit wird in der durch die Elektroden 16, 17 und 18 definierten Meßstrecke 19 bestimmt, indem ein über die Zuleitungsdrähte 20 und die Gerüstteile 6 und 7, d. h. die elektrischen Zuleitungen zu den Elektroden 16 bis 18, zugeführter Strom innerhalb der Meßstrecke 19 durch die zu messende Flüssigkeit geleitet und der Widerstand der Flüssigkeit gemessen wird. Vorzugsweise fließt der Strom zwischen der mittleren Elektrode 17 einerseits und den beiden endständigen Elektroden 16 und 18 andererseits in der Meßstrecke 19.
• Ersichtlich sind alle metallischen Teile der elektrischen Zuleitungen bzw. Gerüstteile 6 und 7 sicher im Elastoiner-Hüllenkörper 9 geschützt. Die einzigen mit der Flüssigkeit in Berührung kommenden Teile, nämlich die Elektroden 16 bis 18, bestehen vorzugsweise aus Edelmetall, wie Gold, und werden daher erstens nicht von der Flüssigkeit chemisch angegriffen und sind andererseits leicht mechanisch zu reinigen. Wenn die Gerüstteile 6 und 7 aus Edelstahl bestehen, werden für die Elektroden 16 bis 18 vorzugsweise mit dem Edelstahlgerüst hart verlbtete Edelmetallringe benutzt.
• Vor dem Zusammenbau bzw. beim Einlegen in eine zum Verbinden der Gerüstteile 6 und 7 mit dem Elastomer-Hüllenkörper vorgesehenen Werkzeugform werden die Gerüsttei]e zweckmäßig mit Hilfe des Isolierstoffkörpers 8 in die gewünschte räumliche Zuordnung gebracht. Der Isolierstoffkörper 8 kann außerdem einen zum Temperaturkompensieren vorteilhaften Varistor 21 mit zugehörigem Gehäuse 22 festhalten. Letzteres kann so ausgebildet sein, daß es außer den Varistor-Zuleitungen 23 auch das nach außen führende Kabel 24 der Meßsonde 5 aufnimmt und über eine Klemmung 25 eine Zugentlastung des Kabels 24 derart bewirkt, daß auf das Kabel 24 ausgeübter Zug über das Material des Hüllenkörpers 9 unmittelbar und rlJt-tell,?r iibe-- raten 1 I^olie storJ ö-pel 8 zu den stabilen Gerüstteilen 6 und 7 weitergeleitet wird.
• Bezusbszeichenliste 1 = Eingang 2 = Pfeil 3 = Ausgang 4 = Flüssigkeits-Raum 5 = Meßsonde 6 7 = elektrische Gerüstteile 8 = Isolierstoffkörper 9 = Elastomer-Hüllenkörper 10 = Längsbohrung 11 = kleine Pfeile 12 = Ausgangsbohrung 13 = Dichtkanten 14 = Dichtkanten 15 = Anpreßteil 16 bis 18 = Elektroden 19 = Meßstrecke 20 = Zuleitungsdrähte 21 = Varistor 22 = Varistor-Gehäuse 23 = Varistor-Zuleitungen 24 = Kabel 25 = Klemmung

Claims (9)

1. "Elektrische Meßsonde und Verfahren zuni Herstellen der Sonde" P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Elektrische Meßsonde zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit mit einer von dieser zu durchströmenden und zwischen Elektroden mit einem elektrischen Strom zu beaufschlagenden Meßstrecke, wobei die Elektroden von der Flüssigkeit abzuschiremende elektrische Zuleitungen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Flüssigkeit abzuschirmenden Teile der Zuleitungen ein mechanisch stabilisierendes Einlagegerüst (6, 7) eines mit dem Material der Zuleitungen eine sogenannte Gummi-Metall-Verbindung eingehenden, elektrisch isolierenden und die Form der Sonde (5) bestimmenden Elastomer-Hüllenkörpers (9) bilden.
2. 2. Meßsonde nach Änsprucli 1, ddurch gekennzeichnet, daß die von der Flüssigkeit abzusci.iirmenden Zuleitungen (6, 7) aus Edelstahl bestehen.
3. 3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Flüssigkeit in Berührung 211 bringenden Elektroden (i6, 17, 18) nzit den Zuleitungen (6, 7) stoffschlüssig verbullde-lle, insbesondere hartverlötete, Edelmetallkörper sind.
4. 4. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, zu dadurch gekennzeichnet, daQ der Elas tomer-Hüllenkörper (9) durch Druck und erhöljte.Temperatur vernetzten Kautschuk enthält.
5. 5. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ihre elektrischen Anschlüsse aufnehmende Anschlußkabel (24) mit einer Zugentlastung zum Einlagegerüst (6, 7) versehen ist.
6. 6. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 5 zum Messen der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung gekennzeichnet durch die konstruktive Ausbildung der Außenform des elastomeren Hüllenkörper-Materials als Dichtelement gegenüber vorgegebenen Rohrleitungsteilen.
7. 7. Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen in den Elastomer-Hüllenkörper (9) und das Einlagegerüst (6, 7) integrierten und mit Anschlüssen (23) versehenen Varistor (21) zur Temperatur-Kompensation.
8. 8. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Meßsonde nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde in einer Verkzeugform zusammengefügt wird, d.r.t dEis fertig montierte und mit einem Haftvermittler gegeniiher einer in das verbleibende Volumen der Werkzeugform bei abdeckung der elektrisch leitenden Elektroden (1G, 17, 18) einzufüllenden Elastomer-Mischung (9) verse1aene - gegebenenfalls auch C in Einlageteil mit Varistor (21) sowie Anschlußdrähten (23) und Kabel enthaltende - Eirilagegerüst (6, 7) in die Werkzeugform eingebracht wird und daß die Elastomer-Mischung (9) dann dadurch erhöhten Druck und Wärmeeinwirkung in der Werkzeugfonn vernetzt und unterstützt durch den Haftvermittler nach Art einer Vulkanisierung innig mit dem Einlagegernüst (G, 7) verbunden wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomer-Nischung (9), insbesondere als Rohkautschuk-Mischung, durch Pressen, Spritzen oder Spritz-Pressen in die Werkzeugform eingefüllt wird.