Gittersensor

Die Erfindung betrifft einen Gittersensor mit drahtförmigen Elektroden zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Strömungsmediums im Querschnitt einer Rohrleitung. Die Anwendung der Erfindung ist besonders dort gegeben, wo das Strömungsmedium unter hohem Druck und hohen Temperaturen fließt.

Erstmalig wird von Johnson [US 4,644,263] ein Gittersensor beschrieben, der aus elektrisch leitenden Metalldrähten besteht, die im Rohrquerschnitt gegen die Rohrwandung elektrisch isoliert aufgespannt sind. Zwei Ebenen von derartigen Elektrodengittem sind dicht hintereinander in die Rohrleitung derart eingebaut, dass sich die einzelnen Drähte im Winkel von 90 Grad kreuzen, ohne sich zu berühren. Die Drähte werden mit einer elektronischen Schaltung verbunden, die über einen Multiplexer die Elektroden der ersten Ebene nacheinander mit einer Spannungsquelle verbindet und dann über einen zweiten Multiplexer die Elektroden der zweiten Ebene auf ein spannungsempfindlichen Detektor schaltet. Die an den Elektroden der zweiten Ebene auftretenden Spannungen werden mit einem Schwellwert verglichen. Wird dieser überschritten, wird davon ausgegangen, dass am entsprechenden Kreuzungspunkt der Elektroden beider Ebenen momentan leitfähiges Medium, d.h. Flüssigkeit, befindet. Mit Hilfe der Multiplexer werden alle verfügbaren Kreuzungspunkte abgefragt und die Anzahl derjenigen ermittelt, an denen die leitfähige Phase festgestellt wird. Bezogen auf die Gesamtanzahl der Kreuzungspunkte wird ein Maß für den mittleren volumetrischen Anteil der leitfähigen Phase im Strömungsquerschnitt erhalten. über die Befestigung und die Durchführung der Elektroden durch etwaige Rohrwandungen wird keine Aussage getroffen.

In DD 282 376 A7 wird eine Leitfähigkeitsmesszelle mit zwei Elektrodenebenen beschrieben, bei dereine Ebene durch lamellenartig, in Strömungsrichtung angeordnete Platten besteht, die über die Länge gleichmäßig verteilte, schlitzförmige öffnungen aufweisen. Dazu ist um 90° gedreht eine Drahtebene angeordnet. Die Strömung wird aufgrund der in Strömungsrichtung eingebrachten Lamellen laminarisiert und somit stark beeinflusst. Eine detaillierte konstruktive Gestaltung und Einsatzgrenzen werden in diesem Patent nicht dargestellt.

Im Patent DE 196 49 011 A1 werden Gittersensoren beschrieben, die aus einer Leiterplatte bestehen und auf deren Seiten jeweils eine Gitterebene aufgelötet wird. Des Weiteren wird in diesem Patent ein Gittersensor beschrieben, der anstatt Elektrodendrähten Stäbchen mit linsenförmigem Querschnitt besitzt. Diese Form der Elektroden soll eine größere Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchungen bieten und damit für den industriellen Einsatz geeignet sein, gleichzeitig jedoch eine möglichst geringe Beeinflussung der Strömung bzw. einen möglichst niedrigen Druckverlust gewährleisten. Nachteilig ist jedoch, dass die Beeinflussung der Strömung bei Verwendung der Stäbchen wesentlich höher ist, als bei Sensoren mit drahtförmigen Elektroden. Detailliertere Aussagen zur mechanischen Gestaltung des Sensors werden nicht gemacht.

Nachteil der bekannten Anordnungen von Sensoren mit drahtförmigen Elektroden ist es, dass sie nicht für einen Einsatz bei hohem Druck und hoher Temperatur geeignet sind. Außerdem ist bei den meisten bekannten Anordnungen ein Austausch der Elektroden nur schwierig oder teilweise gar nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gittersensor vorzuschlagen, welcher auch für den Einsatz Sensors bei hohen und wechselnden Temperaturen und Drücken geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Hauptanspruch dargelegten Merkmalen gelöst. Weiterbildungen und spezielle Anordnungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Durch die druckfeste Gestaltung des Sensorgrundkörpers in Verbindung mit neuen Fertigungstechnologien und der Verwendung von Drähten als Messelektroden, der speziellen Anordnung von Spann-, Isolations- und Halterungselementen wird die Lösung der Aufgabe ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend zuerst allgemein und anschließend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1 eine Elektrode im Messquerschnitt,

Fig. 2 die Abdichtung der Kanäle für die Elektrode,

Fig. 3 die Elektrode innerhalb eines Isolierröhrchens,

Fig. 4 den Gittersensor mit Zugfeder in einer konkreten Halterung,

Fig. 5 ein Detail der Federeinhängung mit Zugfeder,

Fig. 6 die Verwendung einer Druckfeder und

Fig. 7 den Gittersensor mit Druckfeder in seiner Halterung.

Figur 1 zeigt eine Elektrode im Messquerschnitt der Flüssigkeits-Gas-Strömung. Jede einzelne Elektrode, ausgeführt als Draht (3), wird dabei mittels Feder (2) gespannt. Die Feder (2) wird, wie in Figur 1 erkennbar, innerhalb eines in Spannrichtung des Drahtes verlaufenden Kanals im Sensorkörper (1) innerhalb des druckführenden Bereichs des Sensorkörpers (1) fixiert. Des Weiteren wird jeder einzelne Draht (3) gegenüber seiner Feder (2) durch eine Isolierperle (4) elektrisch isoliert. Die derart befestigten Drähte verlaufen durch den Messquerschnitt und werden durch eigens dafür vorgesehene Kanäle (5) aus dem Sensor bis an die Anschlussstelle der Signalkabel geführt, die den Sensor mit der Datenerfassungseinheit verbinden. Da die Drähte in den Kanälen (5) ebenfalls gegenüber dem Sensorkörper (1) isoliert werden müssen, werden sie in Isolierröhrchen (6) geführt.

Die Abdichtung der Kanäle (5) erfolgt innerhalb von Kavernen (7) mittels temperaturbeständigen Klebstoff wie in Figur 2 dargestellt. Die Isolierröhrchen (6) enden hierzu innerhalb der Kaverne (7), damit ihre Enden vom Klebstoff dicht umschlossen werden können. über den Abstand der Kavernen (7) von der Innenwand des Sensorkörpers (8) baut sich ein Temperaturunterschied auf, der so zu bemessen ist, dass auch bei einer Temperatur des Messmediums, die über der Maximaltemperatur des Klebstoffs liegt, die Temperatur an der Klebestelle die Maximaltemperatur des Klebstoffs nicht überschreitet. Gegebenfalls ist eine Kühlung des Sensorkörpers in der Umgebung der Kavernen (7) vorzusehen. Die Isolierperle (4) sowie das Isolierröhrchen (6) müssen aus einem Werkstoff gefertigt werden, der bei der Temperatur des Messmediums beständig ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieser Anordnung der Messdrähte wird in Figur 3 gezeigt und besteht darin, den Elektrodendraht (3) innerhalb des Isolierröhrchens (6) in einer Metallkanüle (9) zu führen, die sich im Kanal (5) befindet. Sie wird durch die Kaverne (7) hindurch bis nach außen geführt, während das Isolierröhrchen wiederum in der Kaverne (7) endet. Am Ende der Metallkanüle (9) wird der Elektrodendraht (3) dicht eingelötet, eingeschweißt oder anderweitig druckdicht (10) mit der Kanüle verbunden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der Elektrodendraht (3) bei Beschädigung ausgetauscht werden kann. Um eventuelles Verrutschen der Metallkanüle (9) innerhalb der mit Kleber ausgefüllten Kaverne (7) zu verhindern, kann zusätzlich eine Arretiermöglichkeit, z.B. in Form eines Lötpunktes (11 ), auf die Kanüle (9) gebracht werden.

Vorteilhaft ist es weiterhin, die Feder (2) mit einer lösbaren Verbindung mit dem Sensorkörper (1) zu verbinden, um auch dort eine Austauschbarkeit zu gewährleisten.

Die konstruktive Ausgestaltung der Erfindung wird nachfolgend an zwei Beispielen genauer erläutert.

Beispiel 1 , welches in Figur 4 gezeigt wird, ist ein Gittersensor wie er für Leitfähigkeitsmessungen in einer Flüssigkeits-Gas-Strömung zum Einsatz kommt. Der Sensor besitzt 2 zueinander um 90° gedrehte Elektrodenebenen, die aus jeweils 64 Elektroden bestehen. Der Messquerschnitt besitzt einen Durchmesser von ca. 200 mm, der dem Innendurchmesser der angeschlossenen Rohrleitung entspricht. Im Messquerschnitt befinden sich so 3260 Messpunkte. Der Sensorkörper (1 ) und die Elektrodendrähte (3) bestehen aus Edelstahl, da der Sensor für Messungen in einem Dampf-Wasser-Gemisch bei bis zu 7 MPa und 286 °C eingesetzt wird. Die in diesem Beispiel verwendete Federeinhängung ist in Figur 5 dargestellt. Die Einhängung, bestehend aus der Zugfeder (13) und der keramische Isolierperle (14), wird in ein Sackloch (15) geführt und im hinteren Bereich durch einen Arretierstift (16) fixiert. Das Sackloch (15) liegt genau in Verlängerungsrichtung des zu spannenden Drahtes (12), die Bohrung für den Stift (17) verläuft lotrecht zu diesem Sackloch (15). Der Stift wird gegen selbstständiges Entfernen im Betrieb mittels Deckel (18) gesichert.

Die verwendete Isolierperle (14) besitzt in axialer Richtung 6 Löcher, durch welche zum einen eine Halterung für die Zugfeder angebracht und zum anderen der Messdraht eingefädelt wird.

Die Dichtheit des Sensorkörpers wird durch die Anordnung der Zugfeder nicht beeinträchtigt, da sich die Einhängung vollständig innerhalb des druckführenden Bereiches des Sensors und der Rohrleitung befindet und kein Kontakt zur Umgebung besteht, der abgedichtet werden müsste.

Auf der der Feder gegenüberliegenden Seite wird der Elektrodendraht in einer Edelstahlkanüle geführt, die von einem Keramikröhrchen zur Isolation umgeben ist, welches in einem Kanal innerhalb des Sensorkörpers liegt. Das Keramikröhrchen endet in einer Kaverne, in der die druckfeste Abdichtung durch Verguss mit einem bis 180 °C beständigen Epoxidharz erfolgt. Die Kanüle und der Elektrodendraht ragen aus dem Sensorkörper heraus und werden am Ende durch Hartlöten dicht verbunden. Dadurch kann kein Messmedium über den Spalt zwischen Kanüle und Elektrodendraht nach außen gelangen. Im Ende der Elektrodendrähte werden diese mit den Signalleitungen zur Verbindung mit der Signalerfassungselektronik verbunden.

Das zweite Ausführungsbeispiel ist in Figur 7 dargestellt. Der Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Verwendung einer Druck- statt einer Zugfeder.

In Figur 6 wird gezeigt, wie die Einhängung umgestaltet werden muss, um eine Druckfeder zu verwenden. Die Aufhängung wird von Außen in einen Kanal (20) in den Sensorkörper (1 ) eingebracht, der Elektrodendraht (3) wird durch die Messebene geführt. Die Einhängung wird durch eine Querschnittsverengung (21) im Kanal (20) zurückgehalten. Jede einzelne Messelektrode (3) wird in eine Isolierkeramik (22) eingehangen und anschließend durch eine Druckfeder (19) gezogen und gespannt. Dabei ist darauf zu achten, dass der Draht (3) die Druckfeder (19) nicht berühren kann. Deshalb ist eine weitere Isolierkeramik (23) eingebracht, die dazu dient, bei Querbewegung der Feder (19) zu verhindern, dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Draht (3) und der Feder zustande kommen kann. Im Gegensatz zur Ausführung der Sensoren mit Zugfedern muss bei diesem Typ der Einhängung die Einhängungsseite abgedichtet werden. Dies geschieht mit einer Dichtplatte (24) an der Außenkontur des Sensors. Der derart konstruierte Drahtgittersensor verfügt über je 16 Elektrodendrähte pro Drahtgitterebene und ist ebenso wie der Sensor des ersten Ausführungsbeispiels für

Messungen in Wasser-Dampf-Strömungen bis 70 bar und 286 °C geeignet.