Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums oder zum Transport von Strom, mit einem zumindest abschnittsweise koaxialen Aufbau, welcher aus mindestens drei Elementen besteht, wobei das zweite Element das erste Element koaxial umgibt und wobei das dritte Element das zweite Element koaxial umgibt. Die Vorrichtung ist beispielsweise ein kapazitives oder konduktives Füllstandsmessgerät, insbesondere mit einem frontbündigen Sensor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit koaxialer Symmetrie.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedenartige Vorrichtungen bekannt, welche einen koaxialen Aufbau aufweisen. Neben Koaxialkabeln sind dies beispielsweise Vorrichtungen zur Bestimmung von Prozessgrößen eines Mediums in Behältern oder Rohrleitungen. Insbesondere kommen in der Füllstandsmessung häufig kapazitive oder konduktive Sonden mit koaxial angeordneten Elektroden zum Einsatz. Bei einer konduktiven Sonde wird ausgenutzt, dass bei einem elektrisch leitfähigen Medium zwischen einer Masseelektrode und einer mit einer Wechselspannung

beaufschlagten Sensorelektrode eine elektrische Verbindung entsteht, sobald beide Elektroden das Medium berühren, woraus auf das Erreichen eines vorbestimmten Füllstands geschlossen wird. Bei einer kapazitiven Sonde bilden die Sensorelektrode und die Behälterwand oder eine zweite Elektrode einen Kondensator, dessen

Kapazität von dem Füllstand des dazwischen befindlichen Mediums abhängt. Um derartige Sonden auch in Ansatzbildenden Medien verwenden zu können ist es bekannt, die Sensorelektrode mit einer Guardelektrode zu umgeben, welche auf demselben elektrischen Potential wie die Sensorelektrode liegt und von dieser durch eine Isolationsschicht getrennt ist. Ist außerdem eine Masseelektrode für die Sonde vorgesehen, umschließt die Masseelektrode in der Regel den Aufbau aus

Sensorelektrode und Guardelektrode konzentrisch, sodass ein koaxialer Aufbau aus drei Elektroden und mindestens zwei Isolationsschichten entsteht. Ein derartiger Sensoraufbau ist beispielsweise in der DE 3212434 C3 oder der DE 102007049526 A1 beschrieben. Ein Problem, welches bei konzentrisch angeordneten Schichten aus

unterschiedlichen Materialien auftritt ist, dass sich über einen großen

Temperaturbereich undichte Stellen und Spalte in den Grenzbereichen ausbilden, insbesondere an Grenzflächen zwischen Metallen und Kunststoffen. Bei einer Änderung der Temperatur dehnen sich die verschiedenen Materialien unterschiedlich stark aus, bzw. ziehen sie sich unterschiedlich stark zusammen, sodass in den Grenzbereichen Spalte entstehen können. In diese Spalte kann Flüssigkeit eindringen, was bei Sonden zur fehlerhaften Funktion oder gar zum Ausfall des Messgerätes führen kann. Des Weiteren können sich in den Spalten Bakterien und Pilze ansetzen. Insbesondere in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie, wo strenge hygienische Richtlinien einzuhalten sind, ist dies problematisch.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung mit koaxialem Aufbau sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen bereitzustellen, deren Komponenten in einem großen Temperaturbereich eine radial dichte Verbindung aufweisen.

Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung dadurch gelöst, dass das erste Element aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt ist, dass das zweite Element aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt ist, und dass das dritte Element aus einem dritten Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt ist,

wobei die Materialien derart gewählt sind, dass der dritte thermische

Ausdehnungskoeffizient größer ist als der erste und der zweite thermische

Ausdehnungskoeffizient größer ist als der dritte. Es gilt also , wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des i-ten Elements ist.

Koaxiale Aufbauten sind in der Regel so gefertigt, dass sie bei Raumtemperatur radial dicht sind. Bei der erfindungsgemäßen Lösung behält der Aufbau seine anfängliche Dichtheit bei. Hierdurch ist die Vorrichtung über einen großen

Temperaturbereich einsetzbar. In einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind die radialen Abmessungen des ersten Elements, des zweiten Elements und des dritten Elements derart gewählt, dass eine orthogonal zur Achse des koaxialen Aufbaus liegende Fläche, welche zwischen dem ersten Element und dem dritten Element

eingeschlossen ist, und die Fläche des zweiten Elements in der selben Ebene bei einer Änderung der Umgebungstemperatur die gleiche effektive thermische

Ausdehnung aufweisen. Dies gilt bevorzugt für alle Flächen, welche sich entlang der Achse des koaxialen Aufbaus erstrecken.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfüllt das Verhältnis des Innenradius (R2) des dritten Elements zu dem Außenradius (R1) des ersten Elements die folgende Gleichung: Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen das dritte Element an dem zweiten Element, und das zweite Element an dem ersten Element in radialer

Richtung dicht an. Mit anderen Worten handelt es sich um einen radial dichten Aufbau ohne Spalte oder Ritzen zwischen den einzelnen Elementen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese weiterhin ein viertes Element mit einem vierten thermischen

Ausdehnungskoeffizienten und ein fünftes Element mit einem fünften thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei das fünfte Element das vierte Element koaxial umschließt und wobei das vierte Element das dritte Element koaxial umschließt. Die Materialien des vierten Elements und des fünften Elements sind hierbei derart gewählt, dass die Gleichung erfüllt ist, wobei der thermische

Ausdehnungskoeffizient des i-ten Elements ist.

Es versteht sich von selbst, dass die für die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der inneren drei Elemente aufgestellte Relation gleichermaßen erfüllt ist, damit eine radial dichte Verbindung zwischen allen fünf Elementen vorliegt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Material und/oder das vierte Material ein Kunststoff. Beispielsweise handelt es sich hierbei um PEEK

(Polyetherketon), PEI (Polyetherimid), PI (Polyimid), PTFE (Polytetrafluorethylen) oder um ein Epoxydharz.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das erste Material und/oder das dritte Material und/oder das fünfte Material eine Stahlsorte oder eine Metalllegierung. Beispielsweise handelt es sich bei den Materialien um eine Kombination von

Materialien ausgewählt aus der Gruppe gebildet aus Invar (Eisen-Nickel-Legierung mit 36% Ni), Kovar, Titan, Tantal, Aluminiumlegierungen, Monel, rostfreiem Stahl (Edelstahl) und rostendem Stahl. Bevorzugt ist das äußere Element aus Edelstahl gefertigt. Invar und Kovar weisen relativ geringe thermische

Ausdehnungskoeffizienten zwischen circa 0 und 5 ppm/K auf. In einer alternativen Ausgestaltung ist das erste Material eine Nickel-Chrom- Molybdän-Legierung oder eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung und dass das dritte Material Edelstahl.

In einer weiteren Ausgestaltung ist das dritte Material eine Nickel-Chrom-Molybdän- Legierung oder eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung und dass das fünfte Material Edelstahl.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das erste Material und/oder das dritte Material und/oder das fünfte Material ein Glas, eine Keramik, Metallkeramik oder eine Glaskeramik.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das erste Element und das dritte Element Elektroden und das zweite Element stellt eine Isolierung dar.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Vorrichtung um eine kapazitive oder konduktive Sonde oder um eine Mikrowellensonde.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Vorrichtung um ein Koaxialkabel zum Transport von Strom. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erstes Element aus einem ersten Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt wird, dass ein zweites Element aus einem zweiten Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt wird, welches das erste Element koaxial umgibt, dass ein drittes Element aus einem dritten Material mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt wird, welches das zweite Element koaxial umgibt, und dass die Materialien derart gewählt werden, dass der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient größer ist als der erste, und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient größer ist als der dritte. Bevorzugt sind die Elemente radialsymmetrisch ausgestaltet. Es versteht sich von selbst, dass das Verfahren auch für Aufbauten, welche aus mehr als drei Elementen bestehen, anwendbar ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die radialen Abmessungen des ersten Elements, des zweiten Elements und des dritten Elements derart gewählt, dass sich eine orthogonal zur Achse des koaxialen Aufbaus verlaufende Fläche, welche zwischen dem ersten Element und dem dritten Element eingeschlossen wird, und die Fläche des zweiten Elements in der selben Ebene bei einer Änderung der Umgebungstemperatur mit gleicher effektiver thermischen Ausdehnung ausdehnen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen koaxialen Aufbau aus drei Elementen. In Fig. 1 ist ein koaxialer Aufbau gebildet aus drei radialsymmetrischen Elementen dargestellt, welcher beispielsweise in einer kapazitiven Sonde eines

Füllstandsmessgerätes zu finden ist. Bevorzugt handelt es sich um den axialen Aufbau eines frontbündigen Sensors. Das erste Element 1 besteht aus einem ersten Material M1 mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten und hat die Gestalt eines Vollzylinders mit dem Radius Ri . Das zweite Element 2 ist ein Hohlzylinder mit Außenradius R2 und Innenradius R1, umschließt das erste Element 1 koaxial und besteht aus einem zweiten Material M2 mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten welcher von verschieden ist. Die Grenzflächen zwischen dem ersten Element 1 und dem zweiten Element 2 liegen hierbei dicht aneinander an. Gleichermaßen umschließt das dritte Element 3 aus einem dritten Material M3 mit einem dritten Ausdehnungskoeffizienten c(3 das zweite Element 2 radial und erstreckt sich von dem Radius R2 bis zu einem Radius R3. Das dritte Element 3 schließt ebenfalls bündig an das zweite Element 2 an. Die drei Elemente sind sozusagen formschlüssig ausgestaltet.

Der Ausdehnungskoeffizient α eines Werkstoffes gibt an, wie stark sich ein aus dem entsprechenden Werkstoff bestehender Körper bei einer Temperaturänderung ausdehnt. Beispielsweise gilt für Edelstahl 1 .4435: α = 17 · 10 ^-6 1/°C bzw. 17 ppm/K. Die Länge L eines Elements nach einer Erwärmung um ΔΤ = T- T ₀ ist gegeben durch

wobei L ₀ die anfängliche Länge des Elementes bei einer Initialtemperatur T ₀ bezeichnet. Die Materialien der Elemente sind nun derart aufeinander abgestimmt, dass deren Ausdehnungskoeffizienten folgende Ungleichung erfüllen: Beispielsweise sind M1 und M3 Metalle und M2 ist ein Kunststoff, beispielsweise PEEK, PEI oder Epoxydharz. Besonders bevorzugt besteht das dritte Element 3 aus Edelstahl. Das Material M1 des ersten Elements 1 kann ein Glas oder eine

Glaskeramik sein, oder ein Metall oder eine Metalllegierung mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten, wie beispielsweise Invar oder Kovar.

Unabhängig von den radialen Abmessungen der drei Elemente 1 , 2, 3 weist ein Aufbau aus derartigen Materialien gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten eine verbesserte radiale Dichtheit auch bei Temperaturen ungleich der Initialtemperatur T ₀ auf. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfüllen die radialen Abmessungen des ersten Elements 1 , zweiten Elements 2 und dritten Elements darüber hinaus die Gleichung

wobei Ri der Außenradius des ersten Elements 1 und gleichzeitig der Innenradius des zweiten Elements 2 ist, und wobei R2 der Außenradius des zweiten Elements 2 und der Innenradius des dritten Elements 3 ist.

Sind die beiden Radien R1 und R2 so gewählt, dass sie dieser Formel genügen, ist gewährleistet, dass die Fläche, welche durch das erste Element 1 und das dritte Element 3 in einer Ebene begrenzt wird, die gleiche effektive thermische

Ausdehnung aufweist wie das zweite Element 2 in dieser Ebene. Hierdurch füllt das zweite Element 2 die zwischen dem ersten Element 1 und dem dritten Element 3 liegende Fläche nicht nur bei einer Initialtemperatur T ₀ aus, sondern auch bei beliebigen von T ₀ verschiedenen Temperaturen. Somit findet bei einer

Temperaturänderung keine Spaltbildung mehr statt und die Sonde bleibt radial dicht.

Mathematisch folgen die oben genannten Bedingungen aus folgenden Überlegungen: Angenommen, das Material M2 verhält sich deutlich elastischer als die Materialien M1 und M3, so gilt für die Radien R1 und R ₂ :

Die Fläche S, welche dem zweiten Element 2 zwischen dem ersten Element 1 und dem dritten Element 3 zur Verfügung steht, beträgt

Der thermische Ausdehnungskoeffizient ß der Fläche S zwischen dem ersten

Element 1 und dem dritten Element 3 berechnet sich zu

Da a «1 , gilt näherungsweise und

Andererseits kann die Fläche S des zweiten Elements 2 mit a ₂ folgendermaßen berechnet werden:

Der Ausdehnungskoeffizient ß' der Fläche S des zweiten Elements 2 ergibt sich zu

Damit bei einer Temperaturänderung ΔΤ keine Lücke zwischen Material 1 und Material 2 bzw. Material 2 und Material 3 entsteht, müssen sich die zwischen dem ersten Element 1 und dem dritten Element 3 eingeschlossene Fläche und die Fläche des zweiten Elements 2 gleichermaßen ausdehnen, d.h. es muss gelten:

Hieraus folgt die Gleichung

Neben der Relation des Radius Ri des ersten Elements 1 zum Außenradius des zweiten Elements 2 bzw. zum Innenradius des dritten Elements 3, R ₂ , folgen hieraus Bedingungen für die Ausdehnungskoeffizienten der drei Elemente.

Da davon auszugehen ist, dass der Ausdehnungskoeffizient 0 ₂ des zweiten Materials M2 am größten ist, gilt in der Regel

Da Ri < R2 folgt weiterhin a ₂ -a _l > a ₂ - a ₃ oder a ₃ > a _x . Mit anderen Worten sind die

Materialien so zu wählen, dass der Ausdehnungskoeffizient as des Mantelmaterials M3 größer ist als der Ausdehnungskoeffizient ai des Kernmaterials M1 .

Ist also für einen koaxialen Aufbau aus drei Materialien die Relation a ₂ > 03 > ai erfüllt, weist er gegenüber einem Aufbau aus herkömmlich gewählten Materialien eine dichtere Verbindung zwischen den drei Materialien auf.

Für komplexere Strukturen aus vier und fünf Elementen können analoge

Überlegungen angestellt werden. Beispielsweise ergibt sich für einen koaxialen Aufbau aus fünf Elementen, wobei das vierte Element das dritte und das fünfte Element das vierte radial umschließen, die Relation α ₄ > a ₅ > 03.

Derartige radial dichte Aufbauten sind besonders vorteilhaft bei frontbündigen Sensoren zur Füllstandsmessung in Rohrleitungen, d.h. bei Sensoren, welche zur Vermeidung der Ausbildung von turbulenten Strömungen nur mit einer geringen Länge in die Rohrleitung hineinragen.

Ein Beispiel für eine radial dichte Sonde aus drei konzentrisch angeordneten Elementen ist durch folgende Merkmale gegeben:

M1 : Hastelloy C4 mit Oi = 11 10 ⁶ 1/°C

M2: Kunststoff mit a ₂ = 45 - 10 ⁶ 1/°C

M3: Edelstahl 1 .4435 mit a ₃ = 17 - KT ⁶ 1/°C

Radius des zylindrischen Hastelloykerns: R1 = 5,0 mm

Innenradius des Edelstahlmantels: R2 = 5,51 mm

Dicke des Isolationsmaterials: 0,51 mm. Bezugszeichenliste

1 Erstes Element

2 Zweites Element

3 Drittes Element

4 Viertes Element

5 Fünftes Element

M1 erstes Material

M2 zweites Material

M3 drittes Material

M4 viertes Material

M5 fünftes Material

αι erster thermischer Ausdehnungskoeffizient α ₂ zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizient α ₃ dritter thermischer Ausdehnungskoeffizient α ₄ vierter thermischer Ausdehnungskoeffizient α ₅ fünfter thermischer Ausdehnungskoeffizient