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Dokumentenidentifikation DE102004010912B4 28.09.2006
Titel Messsonde zur Bestimmung von physikalischen Parametern an oder in einem Kessel
Anmelder IGEMA GmbH, 48155 Münster, DE
Erfinder Queck, Herrmann Josef, 52146 Würselen, DE;
Barth, Peter, 52078 Aachen, DE
Vertreter Weber & Heim Patentanwälte, 81479 München
DE-Anmeldedatum 05.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004010912
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.09.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.09.2006
IPC-Hauptklasse G01L 19/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01K 1/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01F 23/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Messsonde zur Bestimmung von physikalischen Parametern, insbesondere Druck, Temperatur und/oder Füllstand einer Flüssigkeit, an oder in einem Kessel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Messsonde weist folgende Komponenten auf: Eine Messeinrichtung zur Aufnahme von Messsignalen, die an oder in dem Kessel positionierbar ist, eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung der Messsonde an dem Kessel, eine Elektronik zum Verarbeiten der Messsignale der Messeinrichtung und ein Gehäuserohr, welches außerhalb des Kessels positionierbar ist und welches zur Temperaturisolierung mit einer sich über den inneren Querschnitt des Gehäuserohrs erstreckenden Sperrscheibe aus einem temperaturbeständigen Kunststoff versehen ist.

Solche Vorrichtungen sind bekannt und werden bei Kesseln für Überwachungs-, Regelungs- und/oder Sicherungsaufgaben eingesetzt. Prinzipiell kann es sich bei den Kesseln zwar auch um einen Vakuumrezipienten handeln. Primär bezieht sich die vorliegende Erfindung aber auf solche Kessel, in denen Fluide, also Flüssigkeiten und/oder Gase, unter erhöhtem Druck und häufig auch hoher Temperatur auftreten.

Grundlegendes Problem ist dabei, dass die Elektronik, um einwandfrei zu arbeiten, von den hohen Temperaturen des Kessels ferngehalten werden muss.

Dies kann einerseits dadurch bewerkstelligt werden, dass die elektronische Schaltung hinreichend weit vom Kessel positioniert wird. Andererseits möchte man aber den Aufbau möglichst kompakt halten und ist außerdem aus messtechnischen Gründen bestrebt, die Verbindungskabel kurz zu halten.

In diesem Zusammenhang ist aus DE 195 40 034 A1 und DE 195 40 035 A1 eine Anordnung bekannt, bei der, um die Wärmeleitung über das Gehäuse zu reduzieren und um die Konvektionsströmung zu verbessern, die Elektronik außerhalb des Kessels versetzt zur Zylinderachse positioniert ist. Solche nicht-symmetrischen Aufbauten sind aber im Hinblick auf ihre Einsatzmöglichkeiten wenig flexibel und vergleichsweise aufwändig in der Herstellung.

Um eine verbesserte Temperaturisolierung zu erzielen, ist in DE 195 40 035 A1 außerdem vorgesehen, das Gehäuse jeweils mindestens zweiteilig auszubilden. Ein erster, am Kessel zu befestigender Längenabschnitt des Gehäuses ist dabei aus Metall gefertigt und deshalb auch bei sehr hohen Temperaturen formstabil. Ein zweiter Längenabschnitt des Gehäuses ist aus Kunststoff gefertigt. Diese Lösungen sind, da eine Vielzahl von Teilen benötigt wird, vergleichsweise aufwändig.

In EP 0 943 902 A1 ist eine gattungsgemäße Messsonde beschrieben, bei der zur thermischen Abschirmung zwischen zwei Teilen eines Distanzrohres eine Teflon-Trennwand vorgesehen ist. Um ein Messgerät für die Bestimmung des Füllstands von Füllgütern in Behältern auch unter extremen Messbedingungen, wie beispielsweise hohen Temperaturen oder hohen Drücken, zu schaffen, wird in EP 0 943 902 A1 außerdem eine berührungslose Mikrowellenmesstechnik vorgeschlagen.

Eine Messsonde mit einem rohrförmigen Gehäuse ist außerdem in DE 195 07 616 A1 offenbart.

Bei sämtlichen vorgenannten Dokumenten ist die Elektronik in einem separaten Gehäuse untergebracht, was jeweils einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand nach sich zieht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messsonde der oben genannten Art anzugeben, bei der ein besonders kompakter Aufbau erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Messsonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Messsonde der oben angegebenen Art dadurch weitergebildet, dass die Elektronik in dem Gehäuserohr aufgenommen ist und dass das Gehäuserohr zur Temperaturisolierung zwischen Kessel und Elektronik mit einem Verguss versehen ist, der sich über den gesamten inneren Querschnitt des Gehäuses erstreckt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Messsonde sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Rahmen umfangreicher Voruntersuchungen, die zur Erfindung führten, wurde erkannt, dass mit Hilfe einer über den Querschnittsbereich des Gehäuses vorgesehenen Sperrscheibe und einem dort angebrachten Verguss eine überraschend gute Wärmeisolierung erzielt werden kann.

Als Kerngedanke der Erfindung ist daher anzusehen, in einem Gehäuse der Messsonde zwischen Elektronik und Kessel eine Sperrscheibe und einen Verguss vorzusehen.

Als erster wesentlicher Vorteil der Erfindung kann die überraschend gute Wärmeisolierung angesehen werden, die durch die Sperrscheibe und den Verguss erzielt wird. Weiterhin zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch einen einfachen und kompakten Aufbau aus, der darüber hinaus kostengünstig herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Messsonde ist außerdem Platz sparend und kann deshalb besonders vielseitig eingesetzt werden.

Die Wärmeleitung kann nochmals deutlich reduziert werden, wenn die Sperrscheibe und der Verguss so in dem Gehäuserohr angebracht sind, dass zwischen der Befestigungseinrichtung und der Sperrscheibe ein Isolationsbereich gebildet ist. Hierbei kann es sich bevorzugt um einen Hohlraum in dem Gehäuserohr handeln.

Im Hinblick auf eine möglichst einfache Herstellung der Komponenten für die erfindungsgemäße Messsonde ist das Gehäuse als Gehäuserohr ausgebildet oder zumindest aus einem Rohr gefertigt. Ein zylindrischer Aufbau ist herstellungstechnisch einfach zu realisieren und außerdem vielseitig einsetzbar.

Die Wärmeleitung über das Gehäuse selbst kann reduziert werden, wenn das Gehäuse aus einem vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Material gefertigt ist. Zweckmäßig wird das Gehäuse aus Edelstahl, beispielsweise aus einem dünnwandigen Edelstahlrohr oder aus Edelstahlblech, insbesondere mit einer Wandstärke von kleiner als 0,5mm, gefertigt.

Eine gute Wärmeisolierung bei gleichwohl kompaktem Aufbau wird erreicht, wenn der Isolationsbereich eine axiale Länge von 1,0 bis 1,8, bevorzugt von 1,3 bis 1,5, mal dem Durchmesser des Gehäuses aufweist.

Umfangreiche Tests haben besonders gute Ergebnisse in diesem Zusammenhang außerdem geliefert, wenn der Verguss eine axiale Länge von 0,3 bis 0,9, bevorzugt von 0,5 bis 0,7, mal dem Durchmesser des Gehäuses aufweist.

Bei der Messeinrichtung kann es sich prinzipiell um einen Messsensor für eine beliebige physikalische Größe handeln. Im Hinblick auf die oben dargestellten Einsatzgebiete der hier beschriebenen Messsonde bei Kesseln wird als Messeinrichtung bevorzugt ein Füllstands-, Druck- und/oder Temperatursensor verwendet. Für Anwendungen, bei denen Gase nachgewiesen werden müssen, kann als Messeinrichtung auch ein Gassensor, z. B. als Zirkoniumoxid-Sensor, zum Einsatz kommen.

Die erfindungsgemäße Messsonde kann prinzipiell auch als Multistabelektrode ausgebildet sein. Auch ein Einsatz im Hochdruckbereich, insbesondere als Hochdruckbegrenzersonde, ist möglich.

Der Nachweis eines Füllstands einer Flüssigkeit kann auf eine Messung einer Kapazität, einer Induktivität, einer elektrischen Spannung und/oder einer thermischen Leitfähigkeit zurückgeführt werden. Bevorzugt wird zum Nachweis des Fluids aber eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt. Zweckmäßig kann die Messeinrichtung also als Regel- und/oder Begrenzerelektrode, insbesondere auch als selbstüberwachende Begrenzerelektrode, ausgebildet sein. Als Elektroden können dabei insbesondere Manganelektroden Verwendung finden.

Schließlich können auch nach dem Schwimmerprinzip arbeitende Verdrängersensoren eingesetzt werden.

Eine besonders kompakte Anordnung am Kessel kann erreicht werden, wenn die Messeinrichtung stabförmig ausgebildet ist und in einem Einbauzustand am Kessel in einem Winkelbereich von +/– 45° relativ zur Horizontalen, bevorzugt in einem Winkelbereich von +/– 10° zur Horizontalen und insbesondere im Wesentlichen waagerecht, angeordnet ist.

Bei besonders hohen Temperaturen am Kessel kann es zweckmäßig sein, dass eine Mehrzahl von Sperrscheiben, Vergussschichten und/oder Isolationsbereichen vorgesehen ist. Dadurch wird die Wärmeisolierung nochmals verbessert.

Die Sperrscheibe ist bevorzugt ganz oder teilweise aus Teflon, Viton und/oder Silikon gefertigt. Hierbei handelt es sich um allgemein erhältliche und gut verarbeitbare Materialien.

Die Sperrscheibe kann außerdem ganz oder teilweise aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere einer Aluminiumoxid(Frialit) oder Zirkoniumoxid-Keramik, hergestellt sein. Beispielsweise kann die Sperrscheibe als Keramikscheibe ausgebildet sein. Keramische Werkstoffe weisen eine sehr gute Temperaturbeständigkeit und gute thermische Isolationseigenschaften auf.

Schließlich kann die Sperrscheibe auch ganz oder teilweise aus einem keramischen Kunststoff, beispielsweise aus PEEK, gefertigt sein. Hierbei handelt es sich um einen extrem harten, form- und temperaturbeständigen Werkstoff, der außerdem gute elektronische und thermische Isolationseigenschaften aufweist Der Verguss, der auch als Vergussschicht bezeichnet werden kann, lässt sich herstellungstechnisch besonders einfach realisieren, wenn er sich unmittelbar an die dem Kessel abgewandte Seite der Sperrscheibe anschließt.

Prinzipiell kommt für den Verguss jedes Material in Frage, das eine hinreichende Temperaturbeständigkeit aufweist. Beispielsweise kann der Verguss ganz oder teilweise aus einem Silikonkautschuk-Vergussmaterial gebildet sein. Bei einer kostengünstigen Variante kann ein Polyurethanharz verwendet werden.

Der Aufbau kann weiter verbessert werden, wenn die Sperrscheibe neben der Wärmeisolierung außerdem mechanische Aufgaben übernimmt. Zweckmäßig kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Sperrscheibe kesselseitig eine Buchse zur, insbesondere zentrierenden, Aufnahme der Messeinrichtung aufweist.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Messsonde werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben.

Hierin zeigt:

1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messsonde; und

2: eine Schnittansicht entlang der Linien B-B der in 1 gezeigten Messsonde.

Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messsonde beschrieben. In den Figuren werden für dieselben Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.

Der grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen Messsonde wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Dort ist eine Messsonde 10 gezeigt, die allgemein einen zylindrischen Aufbau mit einer stabförmigen Messeinrichtung 20 aufweist. Bei der Messeinrichtung 20 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine selbstüberwachende Begrenzerelektrode 22, die nachstehend noch genauer beschrieben wird.

Die Begrenzerelektrode 22 ist in ein Einschraubstück 32, das als Befestigungseinrichtung 30 zur Befestigung der Messsonde 10 an einem Kessel dient, aufgenommen. Mit Hilfe des Einschraubstücks 32 kann die Messsonde 10 direkt in ein am Kessel vorgesehenes Gewinde eingeschraubt werden. Alternativ kann selbstverständlich auch ein Flansch an der Messsonde 10 als Befestigungseinrichtung 30 vorgesehen sein. Auf das Einschraubstück 32 ist seinerseits ein Adapterstück 34 aufgeschraubt, das als Halterung für ein als Gehäuserohr 37 ausgebildetes Gehäuse 36 dient. In dem Gehäuse 36 ist, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird, eine Elektronik 16 zur Auswertung der von der Messeinrichtung 20 gelieferten Messsignale aufgenommen. An einem dem Kessel angewandten Ende der Messsonde 10 ist das Gehäuserohr 37 mit Hilfe eines Deckels 38 abgeschlossen, in dem zur Verbindung mit externen Geräten eine Anschlussbuchse 40 vorgesehen ist.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Messsonde 10 ist aus der in 2 gezeigten Schnittansicht ersichtlich. Von dem kesselseitigen Ende des Gehäuserohrs 37 aus gesehen etwa nach einem Drittel der Länge, ist in einem Querschnittsbereich des Gehäuserohrs 37 eine Sperrscheibe 12 und unmittelbar daran anschließend ein Verguss 14 vorgesehen. Die Sperrscheibe 12 und der Verguss 14, die sich jeweils im Wesentlichen über den gesamten inneren Querschnitt des Gehäuserohrs 37 erstrecken, sind so angeordnet, dass zwischen der Sperrscheibe 12 und dem Einschraubstück 32 bzw. dem Adapterstück 34 ein Isolationsbereich 15 gebildet ist. Aufwändige Tests führten zu dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel, das sich durch einen sehr kompakten Aufbau und hervorragende Werte bei der Wärmeisolierung auszeichnet.

Die Sperrscheibe 12 aus einem temperaturfesten Kunststoff wird dabei in dem dünnwandigen Gehäuserohr 37 mit einer speziellen Vergussmasse fixiert. Hierbei wird die Menge der Vergussmasse so dimensioniert, dass nach der Aushärtung – in Wärmeflussrichtung über der Sperrscheibe 12 – eine dicke Schicht dieser Vergussmasse zusammen mit der darunter fixierten Sperrscheibe 12 eine Temperatursperre bildet.

Es gelingt mit dieser Erfindung, die am Einschraubstück 32 auftretende Temperatur von beispielsweise von 222°C auf 44°C oberhalb der Temperatursperre, d.h. im Bereich der Elektronik 16, zu reduzieren.

Die axiale Ausdehnung 65 des Isolationsbereichs 15 beträgt im gezeigten Beispiel etwa das 1,4-fache des Innendurchmessers des Gehäuserohrs 37. Die axiale Dicke 64 der Vergussschicht 14 beläuft sich auf etwa das 0,6-fache des Innendurchmessers des Gehäuserohrs 37. Die Vergussschicht 14 ist außerdem etwa sechsmal so dick wie die Sperrscheibe 12.

In der Vergussschicht 14 ist eine Leiterplatte 18 als Träger für die Elektronik 16 aufgenommen, die sich im Wesentlichen bis zu dem Deckel 38 an dem dem Kessel abgewandten Teil des Gehäuserohrs 37 erstreckt. Im Bereich des Deckels 38 sind in dem Gehäuserohr 37 außerdem Öffnungen 44 vorgesehen, durch die ein Gasaustausch mit der Umgebung ermöglicht und die Bildung von Kondensflüssigkeit im Bereich der Elektronik 16 verhindert wird. Entsprechende Öffnungen können in dem Gehäuserohr 37 auch im Bereich des Isolationsbereichs 15 vorgesehen sein.

Mit Hilfe der stabförmigen Begrenzerelektrode 22, die mit einer Isolierung 24 versehen ist, kann über eine Leitfähigkeitsmessung ein Füllstand einer Flüssigkeit in dem Kessel abgefragt werden. Eine konzentrisch zur Begrenzerelektrode 22 angeordnete Überwachungselektrode 26 ist ebenfalls mit einer Isolierung 28 versehen. Für den Fall, dass aus Ablagerungen auf der Begrenzerelektrode 22 und deren Isolierung 24 eine leitfähige Schicht bildet wird, kann dies mit Hilfe der Überwachungselektrode 26 nachgewiesen werden, bevor sich eine leitende Verbindung zwischen Begrenzerelektrode 22 und Einschraubstück 32 ergibt.

Zur Halterung der Begrenzerelektrode 22 sind ein Zentrierring 48, eine Isolierbuchse 46 und eine Druckfeder 52 vorgesehen. Die Sperrscheibe 12 ist in diesem Zusammenhang zur zentrierenden Aufnahme der Isolationsbuchse 46 als Teil der Messeinrichtung 20 mit einem geeignet geformten Ansatz 13, der auch als Buchse bezeichnet werden kann, versehen.

Mit der in den Figuren gezeigten Messsonde werden im Hinblick auf die Wärmeisolierung hervorragende Eigenschaften bei gleichzeitig sehr kompaktem Aufbau erzielt. Die aus Sperrscheibe und Vergussschicht bestehende Temperatursperre unterbricht den Wärmefluss und reduziert die Temperatur auf ein für den Einsatz von elektronischen Komponenten erträgliches Maß und erlaubt damit eine kesselnahe Unterbringung von elektronischen Schaltungen.


Anspruch[de]
  1. Messsonde zur Bestimmung von physikalischen Parametern, insbesondere Druck, Temperatur und/oder Füllstand einer Flüssigkeit, an oder in einem Kessel,

    mit einer Messeinrichtung (20) zur Aufnahme von Messsignalen, die an oder in dem Kessel positionierbar ist,

    mit einer Befestigungseinrichtung (30) zum Befestigen der Messsonde an dem Kessel,

    mit einer Elektronik (16) zum Verarbeiten der Messsignale der Messeinrichtung (20) und

    mit einem Gehäuserohr (37), welches außerhalb des Kessels positionierbar ist und welches zur Temperaturisolierung mit einer sich über den inneren Querschnitt des Gehäuserohrs (37) erstreckenden Sperrscheibe (12) aus einem temperaturbeständigen Kunststoff versehen ist,

    dadurch gekennzeichnet,

    – dass die Elektronik (16) in dem Gehäuserohr (37) aufgenommen ist und

    – dass das Gehäuserohr (37) zur Temperaturisolierung zwischen Kessel und Elektronik (16) mit einem Verguss (14) versehen ist, der sich über den gesamten inneren Querschnitt des Gehäuserohrs (37) erstreckt.
  2. Messsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrscheibe (12) und der Verguss (14) so in dem Gehäuserohr (37) angebracht sind, dass zwischen der Befestigungseinrichtung (30) und der Sperrscheibe (12) ein Isolationsbereich (15) gebildet ist.
  3. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (37) aus Edelstahlblech, insbesondere mit einer Wandstärke von kleiner als 0,5 mm, gefertigt ist.
  4. Messsonde nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsbereich eine axiale Länge von 1,0 bis 1,8, bevorzugt von 1,3 bis 1,5, mal dem Durchmesser des Gehäuserohrs (37) aufweist.
  5. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss eine axiale Länge von 0,3 bis 0,9, bevorzugt von 0,5 bis 0,7, mal dem Durchmesser des Gehäuserohrs (37) aufweist.
  6. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) als Füllstands-, Druckund/oder Temperatursensor ausgebildet ist.
  7. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sperrscheiben (12), Vergussschichten (14) und/oder Isolationsbereichen (15) vorgesehen ist.
  8. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrscheibe (12) ganz oder teilweise aus Teflon, Viton und/oder Silikon gefertigt ist.
  9. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verguss (14) ganz oder teilweise aus einem Silikonkautschuk-Vergussmaterial und/oder aus einem Polyurethanharz gebildet ist.
  10. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrscheibe (12) kesselseitig eine Buchse zur, insbesondere zentrierenden, Aufnahme der Messeinrichtung (20) aufweist.
  11. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung als Regel- und/oder Begrenzerelektrode, insbesondere als selbstüberwachende Begrenzerelektrode, ausgebildet ist.
  12. Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung stabförmig ausgebildet ist und in einem Einbauzustand am Kessel in einem Winkelbereich von +/– 45° relativ zur Horizontalen, bevorzugt in einem Winkelbereich von +/– 10° zur Horizontalen und insbesondere im Wesentlichen waagerecht, angeordnet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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