DE102019214915A1

DE102019214915A1 - Stabförmige Messelektrode für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser

Info

Publication number: DE102019214915A1
Application number: DE102019214915.4A
Authority: DE
Inventors: Pascal Aitbraham; Christophe Bersweiler; Stefan Denneler; Wei Dong Kang; Frederic Lienhart; Friedrich Lupp; Baptiste Meyer; Carsten Schuh; Baljinder Singh; Marjorie Veit
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-04-01
Also published as: US20210096008A1; CN112577556A

Abstract

Stabförmige Messelektrode (6, 7) für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser, mit einer an einem Ende des Stabes zum Kontakt mit einem Messmedium vorgesehenen Stirnfläche (15) und mit einer Mehrzahl von sich in Längsrichtung des Stabes über seine Länge erstreckenden Lagen (17) aus abwechselnd einer Keramikschicht (18) und einer Metallschicht (19).

Description

Die Erfindung betrifft eine stabförmige Messelektrode für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser.
Die Erfindung betrifft ferner ein keramisches Messrohr mit einer solchen Messelektrode sowie einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem solchen Messrohr.
Magnetisch-induktive Durchflussmesser bestehen im Allgemeinen aus einem magnetisch nichtleitenden Messrohr mit einer elektrisch nichtleitenden Innenfläche, außen auf dem Messrohr diametral angeordneten Magnetspulen und mindestens zwei Messelektroden, die durch die Rohrwand hindurchgeführt sind und mit einem das Rohr durchströmenden Messmedium in Kontakt stehen. Mit Hilfe der Magnetspulen wird ein getaktetes Magnetfeld erzeugt, das das Messrohr und das darin fließende Messmedium senkrecht zur Strömungsrichtung durchsetzt. In dem Messmedium, das eine elektrische Leitfähigkeit oberhalb einer Mindestleitfähigkeit aufweisen muss, wird eine Signalspannung erzeugt, die mit Hilfe der Messelektroden abgegriffen und anschließend ausgewertet wird.
Für das Messrohr und die Messelektroden bestehen hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Messmedium, an die Druck- und Temperaturfestigkeit sowie an die Dichtigkeit der Messelektroden-Durchführungen. Die Messelektroden müssen außerdem einen guten elektrischen Übergang zu dem Messmedium gewährleisten.
Wegen der hohen Materialkosten für Platin oder andere geeignete Edelmetalle werden in der DE 10 2005 029 324 A1 zweiteilige Messelektroden mit einem das Messmedium kontaktierenden Kopfabschnitt aus einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung mit z. B. Platin, Gold oder Tantal als Hauptbestandteil sowie mit einem Schaftabschnitt aus einem unedlen Metall oder einer Metalllegierung mit z. B. Eisen, Zink oder Kupfer als Hauptbestandteil vorgeschlagen.
Wie z. B. aus der DE 43 35 697 A1 bekannt ist, erfüllen Messrohre aus Keramik in hohem Maße die oben genannten Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Druck- und Temperaturfestigkeit, jedoch ist die Herstellung hochdichter Durchführungen von Metallelektroden schwierig. Es wurden daher Messelektroden aus Cermet, einem Verbundwerkstoff aus Keramik und Metall (z. B. Platin) vorgeschlagen. So kann eine als Stab ausgebildete Cermet-Messelektrode in eine Bohrung der grünen Keramik des Messrohres gesteckt und zusammen mit dieser gesintert werden. Beim Sintern verbindet sich der keramische Anteil der Messelektrode mit der umgebenden Keramik, wobei eine keramische Fügezone ohne potenzielle Leckstelle zwischen dem Messrohr und der Messelektrode entsteht.
In der DE 36 27 993 A1 wird angesichts der hohen Kosten für Platin einerseits und der gegenüber Metallen geringeren elektrischen Leitfähigkeit von leitendem Keramikmaterial andererseits vorgeschlagen, die Messelektrode aus einem keramischen Kernstab zu bilden, der entlang seiner Längserstreckung und an der mit dem Messmedium in Kontakt stehenden Stirnfläche mit einen hochschmelzenden Metall wie Platin oder eine Platin-Iridium-Legierung beschichtet ist. Aufgrund der Beschichtung können die benötigte Metallmenge verringert und zusätzlich der Durchmesser der Messelektrode vergrößert werden, um so eine niedrige Impedanz der Messelektrode zu erreichen. Der gesinterte oder ggf. halbgesinterte metallbeschichtete Kernstab wird in ein Loch eines nicht gesinterten oder halb-gesinterten keramischen Messrohres eingesetzt und zusammen mit diesem gesintert.
Bei dieser Messelektroden-Durchführung können im Hinblick auf die Grenzfläche zwischen der Metallbeschichtung des Kernstabes und der Keramik des Messrohres ähnliche Probleme auftreten, wie sie in der oben erwähnten DE 43 35 697 A1 für das Einsintern von Platin-Messelektroden in Keramik-Messrohre beschrieben werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative Messelektrode mit reduziertem Edelmetallanteil anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebene stabförmige Messelektrode gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messelektrode sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine stabförmige Messelektrode für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser, mit einer an einem Ende des Stabes zum Kontakt mit einem Messmedium vorgesehenen Stirnfläche und mit einer Mehrzahl von sich in Längsrichtung des Stabes über seine Länge erstreckenden Lagen aus abwechselnd einer Keramikschicht und einer ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung umfassende Metallschicht.
Gegenstand der Erfindung sind ferner ein keramisches Messrohr für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit Löchern, in denen eine solche Messelektrode eingesetzt, insbesondere eingesintert ist, sowie ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einem solchen Messrohr.
Die Messelektrode kann nicht beliebig dünn sein und muss einen Mindestdurchmesser haben, um sie herstellen und in das Messrohr des magnetisch-induktiven Durchflussmessers einbringen zu können. Bei der erfindungsgemäßen Messelektrode sind die von der an der Stirnfläche freiliegenden Metallschicht gebildete effektive Elektrodenfläche für das Messmedium und der Volumenanteil des Metalls beide von der Dicke der Metallschicht, der Dicke der Keramikschicht und der Anzahl der Lagen abhängig. Es lassen sich daher bei einem gegebenen Durchmesser der Messelektrode unterschiedlich große effektive Elektrodenfläche bei einem reduzierten Edelmetallanteil realisieren lassen.
Die Lagen aus abwechselnd der Keramik- und Metallschicht können spiralförmig oder konzentrisch um die Längsachse der stabförmigen Messelektrode verlaufen. Sie können aber auch in parallelen Ebenen ausgebildet sein.
Die Keramikschicht kann durch unterschiedliche Gieß-, Sprüh- oder Druckverfahren hergestellt werden. In vorteilhafter Weise kann sie aus einer Keramikfolie bestehen, die z. B. nach Aufbringen der Metallschickt zu einem zylindrischen Wickel aufgewickelt werden kann.
Die Messelektrode kann beispielsweise auf Basis von grüner Keramik hergestellt und anschließend in das Loch des Messrohres eingesetzt und zusammen mit diesem gesintert werden. Zu diesem Zweck ist die Messelektrode vorzugsweise so aufgebaut, dass die äußerste Lage von der Keramikschicht gebildet wird.
Um den Material- und Kostenaufwand für die Metallschicht weiter zu verringern, kann der darin enthaltene Edelmetallanteil über die Länge der Messelektrode von zumindest annähernd 70% bis 100% an dem mit dem Messmedium kontaktierenden Ende auf zumindest annähernd 0% an dem anderen Ende abfallen. Ergänzend oder alternativ kann die Metallschicht nahe dem mit dem Messmedium kontaktierenden Ende der Messelektrode geschlossen und in Richtung zu dem anderen Ende unterbrochen ausgebildet sein.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen:

1 einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser,
2 und 3 Beispiele einer stabförmigen Messelektrode,
4 bis 9 eine zum Kontakt mit einem Messmedium bestimmte Stirnfläche der Messelektrode bei unterschiedlichen Elektrodenkonfigurationen,
10 ein Beispiel einer Lage aus einer Keramikschicht und einer Metallschicht und
11 ein Beispiel einer rund gewickelten Messelektrode mit über die Länge variierender Zusammensetzung der Metallschicht.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung das Blockschaltbild eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers 1 mit einem Messrohr 2 aus Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid oder teilstabilisiertes Zirkonoxid. Durch das Messrohr 2 strömt ein Messmedium 3, welches zumindest in einem geringfügigen Maße elektrisch leitfähig ist. In zwei diametral gegenüberliegenden Löchern 4, 5 des Messrohres 2 sind zwei Messelektroden 6, 7 eingesetzt, die mit dem durchströmenden Messmedium 3 in Kontakt stehen. Quer zur Verbindungsstrecke zwischen den Elektroden 6, 7 sind außen an dem Messrohr 2 zwei Magnetspulen 8, 9 diametral gegenüberliegend angeordnet. Die Magnetspulen 8, 9 werden aus einer Treiberschaltung 10 mit einem periodisch ein- und ausgeschalteten oder umgepolten Strom versorgt und erzeugen ein das Messrohr 6 und das darin fließende Messmedium 3 durchsetzendes getaktetes Magnetfeld bzw. Wechselmagnetfeld 11. Aufgrund der quer zu dem Magnetfeld 11 verlaufenden Strömung des Messmediums 3 wird eine Messspannung induziert, die über die beiden Messelektroden 6, 7 abgegriffen und anschließend in einer Auswerteeinrichtung 12 zu einem Messergebnis 13 für den Durchfluss des Messmediums 3 ausgewertet wird.
2 zeigt beispielhaft eine der beiden baugleichen Messelektroden 6, 7, hier die Messelektrode 6, in Form eines Stabes mit Kreisquerschnitt. Die an einem Ende 14 des Stabes vorhandene Stirnfläche 15 dient zur Kontaktierung mit dem Messmedium 3, während das andere Ende 16 der Messelektrode 6, 7 zur Kontaktierung mit einer Anschlussleitung zu der Auswerteeinrichtung 12 dient.
3 zeigt ein weiteres Beispiel der stabförmigen Messelektrode 6 mit Rechteckquerschnitt.
4 zeigt ein Beispiel der in 2 gezeigten stabförmigen Messelektrode 6 mit Kreisquerschnitt und mit Sicht auf die Stirnfläche 15. Die Messelektrode 6 besteht aus einer Mehrzahl von Lagen 17 aus abwechselnd einer Keramikschicht 18 und einer Metallschicht 19. Die Lagen 17 sind bei dem hier gezeigten Beispiel in parallelen Ebenen ausgebildet, wobei sie sich in Längsrichtung der stabförmigen Messelektrode 6 über deren Länge 1 (2) erstrecken.
5 zeigt ein Beispiel der in 3 gezeigten stabförmigen Messelektrode 6 mit Rechteckquerschnitt und mit Sicht auf die Stirnfläche 15. Auch hier besteht die Messelektrode 6 aus einer Mehrzahl von in parallelen Ebenen verlaufenden Lagen 17 aus abwechselnd einer Keramikschicht 18 und einer Metallschicht 19.
6 zeigt ein weiteres Beispiel der in 2 gezeigten Messelektrode 6 mit Kreisquerschnitt und mit Sicht auf die Stirnfläche 15. Hier sind die aus abwechselnd der Keramikschicht 18 und der Metallschicht 19 bestehenden Lagen 17 auf einem Kernstab 20 aufgebracht und verlaufen konzentrisch-zylindrisch um die Längsachse 21 (2) der stabförmigen Messelektrode 6.
Bei dem in 7 gezeigten Beispiel verlaufen die Lagen 17 aus abwechselnd der Keramikschicht 18 und der Metallschicht 19 spiralförmig um die Längsachse 21 der stabförmigen Messelektrode 6.
Bei dem in 8 gezeigten Beispiel sind die Lagen 17 aus abwechselnd der Keramikschicht 18 und der Metallschicht 19 spiralförmig auf dem Kernstab 20 aufgewickelt.
9 zeigt schließlich ein Beispiel der in 3 gezeigten Messelektrode 6 mit Rechteckquerschnitt und mit Sicht auf die Stirnfläche 15. Hier verlaufen die aus abwechselnd der Keramikschicht 18 und der Metallschicht 19 bestehenden Lagen 17 rechteckig-spiralförmig um die Längsachse 21 (3) der stabförmigen Messelektrode 6.
Die Metallschicht 19 besteht im Wesentlichen bzw. zu einem hohen Anteil aus Platin oder einer Platinlegierung, wobei auch andere Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen in Frage kommen. Die für das Messmedium 3 effektive Elektrodenfläche wird von der an der Stirnfläche 15 freiliegenden Metallschicht 19 gebildet und ist von der Dicke der Metallschicht 19, der Dicke der Keramikschicht 18 und der Anzahl der Lagen 17 abhängig. Im Falle des Beispiels nach 7 erreicht man beispielsweise bei einer 100 µm dicken Keramikschicht 18, einer 5 µm dicken Metallschicht 19 und 14 Windungen eine effektive Elektrodenfläche von 0,34 mm². Der Durchmesser der Messelektrode 6 beträgt dann 3 mm und der Volumenanteil des Metalls 5 %. Um den Kontakt zu dem Messmedium 3 zu erhöhen oder die Kontaktimpedanz anzupassen, kann ggf. die Stirnfläche 15 mit dem Metall der Metallschicht 19 überzogen sein.
10 zeigt einen Teil einer Lage 17 mit der Keramikschicht 18 und der Metallschicht 19 im Bereich des Endes 14 der Messelektrode 6, wo diese über ihre Stirnfläche 15 in Kontakt mit dem Messmedium 3 ist. Im Bereich des Endes 14, insbesondere an der Stirnfläche 15 ist die Metallschicht 19 geschlossen, während sie in Richtung zu dem anderen Ende 16 hin Unterbrechungen 22 enthält. Durch die Unterbrechungen 22 kann der Material- und Kostenaufwand für die Metallschicht 19 weiter reduziert werden. Je nach Ausbildung der Unterbrechungen 22 können unterschiedliche unterbrochene, z. B. netzförmige Metallstrukturen, realisiert werden.
11 zeigt beispielhaft die Messelektrode 6 gemäß 7 in perspektivischer Darstellung. Die Metallschicht 19 enthält zum einen ein Edelmetall (oder Edelmetalllegierung) wie z. B. Platin, um an der Stirnseite 15 der Messelektrode 6 einen guten elektrischen und korrosionsfreien Kontakt zu dem Messmedium 3 zu erhalten, und zum anderen ein kostengünstigeres, ebenfalls hochschmelzendes Metall (oder Metalllegierung) wie Nickel, Nickel-Molybdän-Legierung, Tantal, oder z. B. auch Graphit, um durch Löten, Schweißen, Bonden usw. eine Verbindung mit einer elektrischen Leitung zu der Auswerteeinrichtung 12 (1) zu ermöglichen. Wie gezeigt, nimmt der Anteil % des Edelmetalls, hier Pt, über die Länge 1 der Messelektrode 6 von einem hohen Wert (z. B. 70% bis 100%) an dem Ende 14 auf einen geringen Wert (z. B. 0%) an dem anderen Ende 16 ab. Der Anteil % des unedlen Metalls, z. B. NiMo, nimmt in derselben Richtung von dem einen Ende 14 der Messelektrode 6 zu dem anderen Ende 16 hin zu.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6 können die konzentrisch-zylindrischen Keramikschichten 18 und Metallschichten 19 nacheinander durch geeignete Beschichtungsverfahren auf dem keramischen Kernstab 20 aufgebracht werden, wobei auch hier am Ende ein Zuschnitt auf die Länge 1 der herzustellenden Messelektroden 6 erfolgt.
Im Übrigen kann die Keramikschicht 18 aus einer Keramikfolie (ceramic tape) hergestellt werden, die im Falle der in 7 bis 9 gezeigten Beispiele nach Aufbringen der Metallbeschichtung 19 zu einem zylindrischen Wickel aufgewickelt werden kann. Im Falle des Beispiels nach 8 erfolgt das Aufwickeln auf dem Kernstab 20, der ebenfalls aus Keramik besteht. Der Wickel, dessen Länge kann ein Vielfaches der Länge 1 der herzustellenden Messelektroden 6 betragen kann, wird schließlich auf die Länge der Messelektroden 6 zugeschnitten.
Bei den Ausführungsbeispielen nach 4 und 5 wird aus der metallbeschichteten Keramikfolie ein Folienstapel gebildet, der ebenfalls auf die Maße der herzustellenden Messelektroden 6 zugeschnitten wird.
Die Metallschicht 19 kann durch geeignete Verfahren, z. B. Sprüh- oder Druckverfahren, auf die Keramik 18 aufgebracht werden.
Die Messelektroden 6, 7 und das Messrohr 2 können in einem ersten Schritt auf Basis von grüner Keramik hergestellt werden. Anschließend werden die Messelektroden 6, 7 in die Löcher 4, 5 des Messrohres 2 eingesetzt und zuletzt zusammen mit diesem gesintert. Zu diesem Zweck ist die Messelektrode 6, 7 vorzugsweise so aufgebaut, dass die äußerste Lage 17 von der Keramikschicht 18 gebildet wird. Dazu kann z. B. die Keramikfolie mit nach innen weisender Metallbeschichtung aufgewickelt werden. Beim Sintern findet eine Schrumpfung der Keramik statt, so dass sich z. B. beim Aufwickeln der Lagen 17 entstandene Zwischenräume schließen. Um den Schrumpfungsgrad zu beeinflussen oder unterschiedliche Schrumpfungsgrade anzupassen können die Messelektroden 6, 7 vor dem Einsetzen in die Löcher 4, 5 des Messrohres 2 vorgesintert werden.
Es ist auch möglich, fertiggesinterte Messelektroden 6, 7 in den Löchern 4, 5 des Messrohres 2 ggf. unter Zuhilfenahme einer Glasfritte als Bondmaterial (glas frit bonding) zu befestigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005029324 A1 [0005]
DE 4335697 A1 [0006, 0008]
DE 3627993 A1 [0007]

Claims

Stabförmige Messelektrode (6, 7) für einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser (1), mit einer an einem Ende (14) des Stabes zum Kontakt mit einem Messmedium (3) vorgesehenen Stirnfläche (15) und mit einer Mehrzahl von sich in Längsrichtung des Stabes über seine Länge (1) erstreckenden Lagen (17) aus abwechselnd einer Keramikschicht (18) und einer ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung umfassende Metallschicht (19).
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (17) spiralförmig um die Längsachse (21) des Stabes verlaufen.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (17) konzentrisch um die Längsachse (21) des Stabes verlaufen.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (17) in parallelen Ebenen verlaufen.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (18) aus einer Keramikfolie besteht.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußerste Lage eine Keramikschicht (18) ist.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (19) das Edelmetall oder die Edelmetalllegierung, insbesondere Platin, mit einem sich über die Länge (1) des Stabes von zumindest annähernd 70% bis 100% an dem einen Ende (14) auf zumindest annähernd 0% an dem anderen Ende (16) verringernden Anteil (%) enthält.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht (19) nahe dem einen Ende (14) des Stabes geschlossen und in Richtung zu dem anderen Ende (16) unterbrochen ist.
Stabförmige Messelektrode (6, 7) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kontakt mit einem Messmedium (3) vorgesehene Stirnfläche (15) mit dem Metall der Metallschicht (19) überzogen ist.
Keramisches Messrohr (2) für einen magnetisch-induktivem Durchflussmesser (1) mit Löchern (4, 5), in denen eine Messelektrode (6, 7) nach einem der vorangehenden Ansprüche eingesetzt, insbesondere eingesintert ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser (1) mit dem keramischen Messrohr (2) nach Anspruch 10.