DE102005030713A1

DE102005030713A1 - Messstoffberührende Elektrode sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102005030713A1
Application number: DE102005030713A
Authority: DE
Inventors: Dieter Keese; Wilfried Conrady
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2006-01-26
Also published as: WO2006002914A2; US20070189354A1; WO2006002914A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine messstoffberührende Elektrode, insbesondere zur Messwerterfassung bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (IDM), die mit einem abrasiven oder chemisch aggressiven Messstoff (9) in Berührung kommt, wobei ein formbestimmender Grundkörper (8) aus einem gegenüber dem Messstoff (9) nicht-widerstandsfähigen Metall vorgesehen ist, dessen Oberfläche zumindest teilweise mit einer Edelmetallbeschichtung (11) zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit versehen ist, welche den elektrischen Kontakt zu einer den Grundkörper (8) umgebenden und gegenüber dem Messstoff (9) widerstandsfähigen Mantelkörper (10) herstellt, welcher den Kontakt zum Messstoff (9) herstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine messstoffberührende Elektrode, insbesondere zur Messwerterfassung bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (IDM), die mit einem abrasiven oder chemisch-aggressiven Messstoff in Berührung kommt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einer solchen Messelektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Zum Zwecke volumetrischer Durchflussmessungen kommen vornehmlich die hier interessierenden magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräte zum Einsatz. Diese werden für eine kontinuierliche oder pulsierende Durchflussmessung von leitfähigen, homogenen oder Mehrphasen-Messstoffen sowie auch für Abfüll- und Dosierprozesse verwendet. Für den Einsatz magnetisch-induktiver Durchflussmessgeräte sprechen das große Nennweitenspektrum, eine Messbereichsspanne von 1:100, hohe Genauigkeiten, sowie auch die Möglichkeit einer einfachen, problemlosen Reinigung des regelmäßig glatten, freien Messrohres. Zu den Schwerpunktanwendungen von IDM's gehören viele Applikationen in der Papier- und Zellstoffindustrie von der Wasser- und Stoffaufbereitung über die Dosierung von Zusatzstoffen und dergleichen.
Das Messprinzip bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten beruht auf dem Induktionsgesetz. Dieser physikalische Effekt wird zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Messstoffes durch das Messrohr ausgenutzt. Denn wird ein elektrisch leitfähiger Messstoff durch ein Magnetfeld B geleitet, so entsteht im Messstoff ein elektrisches Feld E, das senkrecht zur Strömungsgeschwindigkeit v und zur Magnetfeldrichtung ausgerichtet ist. Es gilt: E = B × v
Das Potential des die Strömungsgeschwindigkeit repräsentierenden elektrischen Feldes E wird gewöhnlich über messstoffberührende Elektroden gemessen.

Aus der DE 101 14 103 A1 geht ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät hervor, das in eine Rohrleitung eingeflanscht ist. Durch die Rohrleitung sowie das Messrohr des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts fließt der Messstoff hindurch. Um das Messrohr herum ist eine Messanordnung vorgesehen, hier eine Magnetanordnung, die über durch die Wandung des mit einer nicht elektrisch leitfähigen Auskleidung versehenen Messrohres hindurchtretende Elektroden mit dem strömenden Messstoff in galvanisch leitender Verbindung steht.

Aus der DE 101 28 607 A1 gehen derartige, gattungsgemäße messstoffberührende Elektroden hervor, welche durch die Wandung eines Messrohres durchgeführt sind und an der in das Messrohr hineinragenden Seite mit dem vorbeiströmenden Messstoff in Berührung kommen. Über diese galvanische Verbindung kann dann auf induktiv-magnetischem Wege der vorstehend erläuterte durchflussabhängige Effekt gemessen werden, der sodann in einen Durchflusswert umwandelbar ist. Derartige messstoffberührende Elektroden bestehen aufgrund der notwendigen hohen Leitfähigkeit zumeist aus Materialien, die andererseits chemisch abrasiven Einflüssen des Messstoffes nicht dauerhaft standhalten können. Infolge Zerstörung der Elektroden durch mechanische oder chemische Abnutzung besteht die Gefahr eines Ausfalls des Durchflussmessgeräts, so dass der Messstoff weitere Schäden in Anlagen und Umwelt anrichten kann. Darüber hinaus besteht natürlich bei explosiven Stoffen akute Explosionsgefahr, falls diese durch marode Elektroden oder Elektronenöffnungen durch die Wandung des Messrohres austreten können. Um diese Probleme zu beheben wird bei diesem Stand der Technik vorgeschlagen, die messstoffberührende Elektrode aus einer äußeren Mantelelektrode mit einer darin isoliert angeordneten zweiten Sicherungselektrode auszubilden. Die messstoffberührende Elektrode ist konkret als dickwandiger Hohlkörper ausgebildet und im Inneren ist eine zweite, von der messstoffberührenden Elektrode isolierte Sicherungselektrode platziert. Führt nun der abrasive Angriff auf die Messelektrode mit der Zeit zu einem tatsächlichen Abtragen von Elektrodenmaterial, so wird in dem Augenblick, in dem die genannte hohlkörperförmige äußere Mantelelektrode durcherodiert ist, der Messstoff die innere Sicherungselektrode aktivieren, was unmittelbar über eine entsprechende Auswerteelektronik ermittelbar ist.

Diese technische Lösung stellt somit eine Sicherheitsfunktion bereit. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Elektrode selbst aus einem möglichst widerstandsfähigen Material gefertigt werden muss, um eine möglichst lange Standzeit bei Einsatz in Verbindung mit abrasiven oder chemisch-aggressiven Messstoffen zu erzielen. So wird gewöhnlich der gesamte Elektrodenkopf aus Platin oder einem anderen geeigneten Edelmetall gefertigt.

Nachteile hierbei sind die recht hohen Materialkosten sowie die geringe mechanische Festigkeit des Materials.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine messstoffberührende Elektrode, insbesondere zur Messwerterfassung bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät zu schaffen, die eines geringeren Materialaufwandes bedarf und eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasive oder chemisch-aggressive Messstoffe gewährleistet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer messstoffberührenden Elektrode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine messstoffberührende Elektrode aus einem formbestimmenden Grundkörper aus einem gegenüber dem Messstoff nicht-widerstandsfähigen Metall vorgesehen ist, dessen Oberfläche zumindest teilweise mit einer Edelmetallbeschichtung zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit versehen ist, welche den elektrischen Kontakt zu einem den Grundkörper umgebenden und gegenüber dem Messstoff widerstandsfähigen Mantelkörper herstellt, welcher im galvanischen Kontakt zum Messstoff steht.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gilt insbesondere darin, dass durch das einfache Material des Grundkörpers die Materialkosten insgesamt signifikant gesenkt werden können. Denn der formbestimmende Grundkörper besteht aus einem gewöhnlichen Metall und dient lediglich der Bestimmung der Grundform der Elektrode sowie der elektrischen Durchleitung des Messsignals. Nur für den direkt dem abrasiven oder chemisch-aggressiven Messstoff ausgesetzten dünnen Mantelkörper kommt dagegen das teuere, widerstandsfähige Material zum Einsatz. Die mechanische Festigkeit der Elektrode kann so bei gleichzeitiger Reduzierung der Materialkosten über lange Zeit gewährleistet werden.

Der Mantelkörper der messstoffberührenden Elektrode kann aus einem Blech oder einer Metallfolie aus Edelmetall bestehen, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Nebengruppenmetalle: Platin, Gold, Tantal oder Legierungen hiervon. Es ist auch denkbar – je nach Grad der gewünschten Widerstandsfähigkeit oder Art des Messstoffes – andere Nebengruppenmetalle zu verwenden, wie: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn oder Legierungen hiervon.

Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, den Mantelkörper aus einer elektrisch leitfähigen Kunststofffolie herzustellen. Gegenüber den vorstehend genannten Edelmetallen sind derartige Kunststofffolien recht preiswert und weisen darüber hinaus auch eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasiven oder chemisch-aggressiven Messstoffen auf.

Vorzugsweise ist der Mantelkörper durch Umformen auf den Grundkörper aufgebracht, so dass die beiden Verbindungspartner eine im Wesentlichen formschlüssige Verbindung eingehen. Durch diese Maßnahme lässt sich die messstoffberührende Elektrode auf besonders einfache Weise zusammenfügen.

Gegenüber dem Mantelkörper kann der Grundkörper aus einem herkömmlichen elektrisch leitfähigen Metall bestehen, wie Kupfer, Zink, Eisen oder Legierungen hiervon, wie beispielsweise Messing und dergleichen.

Die hierauf aufgebrachte Edelmetallbeschichtung dient einer Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen Grundkörper und Mantelkörper. Die Edelmetallbeschichtung sollte vorzugsweise aus demselben Material bestehen wie der Mantelkörper, beispielsweise ebenfalls aus Platin, Gold, Tantal oder Legierungen hiervon.

Die Edelmetallbeschichtung kann in einfacher Weise galvanisch oder durch Aufdampfen aufgebracht werden. Hierdurch lässt sich eine materialsparend geringe Schichtdicke bei zuverlässiger Haftung am Grundkörper erzielen.

Eine weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahme besteht darin, dass zur Betriebsüberwachung der Messelektrode die durch eine Beschädigung des Mantelkörpers entstehenden Galvanospannung zwischen dem Mantelkörper und dem Grundkörper erfasst und von einer nachgeschalteten Auswertelektronik signalisiert wird. Denn durch die Einwirkung des abrasiven oder chemisch-aggressiven Messstoffes auf die Oberfläche des Mantelkörpers wird dieser im Laufe der Zeit beschädigt. Ist der Mantelkörper durchbrochen, entsteht an der Elektrode selbst ein galvanisches Element, dessen Spannung entsprechend ausgewertet werden kann.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts mit zwei messstoffberührenden Elektroden und
2 einen Längsschnitt durch das Messrohr des Durchflussmessgeräts nach 1 im Bereich einer der Elektroden.
Das in 1 dargestellte, magnetisch-induktive Durchflussmessgerät (IDM) besitzt ein Messrohr 1, durch das ein elektrisch-leitender Messstoff, dessen volumetrischer Druchfluss bestimmt werden soll, mit der Geschwindigkeit v strömt. Zwei zur Magnetanordnung gehörende Erregerspulen 2 und 3, welche einander gegenüberliegend an der Außenseite des Messrohrs 1 angeordnet sind, werden mit einem Wechselstrom oder einem pulsierenden Gleichstrom I beaufschlagt, so dass im Inneren des Messrohres 1 ein Magnetfeld E entsteht. Ein Abgriff der hierdurch im Messstoff induzierten Spannung erfolgt an zwei ebenfalls gegenüberliegend und isoliert im Messrohr 1 angeordneten Elektroden 4 und 5.
Die dem Inneren des Messrohres 1 zugewandte Seite beider Elektroden 4 und 5 stehen je mit einem abrasiven und/oder chemisch-aggressiven Messstoff in Berührung, wogegen die jeweils gegenüberliegende Seite der messstoffberührenden Elektroden 4 und 5 über eine elektrische Leitung mit einer – hier nicht weiter dargestellten – Auswerteelektronik in Verbindung stehen. Das Messrohr 1 weist ein Innenteil 6 aus Kunststoff auf, welches von einem metallischen Außenteil 7 umgeben ist. Das Innenteil 6 hat die Funktion, das metallische Außenteil 7 vom elektrisch leitfähigen Messstoff zu isolieren.
Gemäß 2 ist die hier exemplarisch dargestellte Messelektrode 4 über deren formbestimmenden Grundkörper 8 am Innenteil 6 des Messrohres 1 elektrisch isoliert befestigt. Im Bereich des Messstoffes 9 weist die Elektrode 4 einen Mantelkörper 10 auf, welcher den Kontakt zum Messstoff 9 herstellt. Der Mantelkörper 10 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Platin, einem Material also, welches recht widerstandsfähig gegen chemisch-aggressive Messstoffe ist. Zur Herstellung eines hochwertigen elektrischen Kontakts zwischen dem Mantelkörper 10 und dem Grundkörper 8 ist die Oberfläche des Grundkörpers 8 im messstoffnahen Bereich mit einer Edelmetallbeschichtung 11 versehen. Der Mantelkörper 10 ist durch Umformen auf den Grundkörper 8 aufgebracht, so dass sich eine im Wesentlichen formschlüssige Verbindung zwischen beiden Teilen ergibt. Die Edelmetallbeschichtung 11 ist hier in Übereinstimmung mit dem Material des Mantelkörpers 10 ebenfalls aus Platin ausgeführt, wogegen der Grundkörper 8 selbst in diesem Ausführungsbeispiel aus Messing besteht. Die Edelmetallbeschichtung 11 ist galvanisch auf die Oberfläche des Grundkörpers 8 aufgebracht.
Ferner steht die Messelektrode 4 mit einer Auswerteelektronik 12 in Verbindung, welche einer Betriebsüberwachung der Messelektrode 4 dient. Eine Beschädigung des Mantelkörpers 10 entsteht an der Messelektrode 4 ein galvanisches Element, dessen Galvanospannung erfasst und von der nachgeschalteten Auswerteelektronik 12 signalisiert wird. Das Signal gibt einen Hinweis darauf, dass die Elektrode beschädigt ist und ausgetauscht werden muss.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, die unter den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen. So ist es durchaus denkbar, dass der Mantelkörper sowie die Edelmetallbeschichtung des Grundkörpers aus einem anderen Edelmetall hergestellt ist, welches widerstandsfähig gegen den jeweiligen abrasiven und chemisch-aggressiven Messstoff ist. Des Weiteren ist es auch denkbar, dass – zumindest der Mantelkörper – aus einer elektrisch leitfähigen Kunststofffolie hergestellt wird.

1: Messrohr
2: Erregerspule
3: Erregerspule
4: Elektrode
5: Elektrode
6: Innenteil
7: Außenteil
8: Grundkörper
9: Messstoff
10: Mantelkörper
11: Edelmetallbeschichtung
12: Auswerteelektronik
v: Geschwindigkeit
I: elektrischer Strom
B: Magnetfeld

Claims

Messstoffberührende Elektrode, insbesondere zur Messwerterfassung bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät (IDM), die mit einem abrasiven oder chemisch aggressiven Messstoff in Berührung kommt, dadurch gekennzeichnet, dass ein formbestimmender Grundkörper (8) aus einem gegenüber dem Messstoff (9) nicht-widerstandsfähigen Metall vorgesehen ist, dessen Oberfläche zumindest teilweise mit einer Edelmetallbeschichtung (11) zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit versehen ist, welche den elektrischen Kontakt zu einer den Grundkörper (8) umgebenden und gegenüber dem Messstoff (9) widerstandsfähigen Mantelkörper (10) herstellt, welcher in Kontakt zum Messstoff (9) steht.
Messstoffberührende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper (10) aus einem Blech oder einer Metallfolie aus Edelmetall besteht, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend die Nebengruppenmetalle: Platin, Gold, Tantal oder Legierungen hiervon.
Messstoffberührende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper (10) aus einer elektrisch leitfähigen Kunststofffolie besteht.
Messstoffberührende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper (10) durch Umformen auf den Grundkörper (8) aufgebracht ist und mit diesem eine formschlüssige Verbindung eingeht.
Messstoffberührende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (8) aus einem Metall besteht, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, umfassend die elektrisch leitfähigen Elemente: Kupfer, Zink, Eisen oder Legierungen hiervon.
Messstoffberührende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallbeschichtung (11) aus einem Edelmetall besteht, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, umfassend die Nebengruppenmetalle: Platin, Gold, Tantal oder Legierungen hiervon.
Messstoffberührende Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallbeschichtung (11) zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit galvanisch oder durch Aufdampfen hergestellt ist, um eine materialsparend geringe Schichtdicke bei zuverlässiger Haftung am Grundkörper (8) zu erzielen.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Messrohr (1), das vom Messstoff (1) durchflossen ist, und einem das Messrohr (1) umgebenden Magnetsystem (2, 3), sowie mindestens ein Paar von messstoffberührenden Elektroden (4, 5) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Betriebsüberwachung der Messelektrode (4; 5) die durch eine Beschädigung des Mantelkörpers (10) entstehende Galvanospannung zwischen dem Mantelkörper (10) und dem Grundkörper (8) erfasst und von einer nachgeschalteten Auswerteelektronik (12) signalisiert wird.
Verfahren zur Herstellung einer messstoffberührenden Elektrode nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Herstellungsschritte: – ein formbestimmender Grundkörper (8) aus einem gegenüber dem Messstoff (9) nicht-widerstandsfähigen Metall wird zumindest teilweise mit einer Edelmetallbeschichtung (11) versehen, – anschließend wird ein gegenüber dem Messstoff (9) widerstandsfähiger Mantelkörper (10) durch Umformen auf den Grundkörper (8) aufgebracht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Die Edelmetallbeschichtung (11) so bemessen ist, dass wenn diese im Betrieb vom Messmedium beschädigt oder erodiert wird, zusammen mit dem Material der übrigen Elektrode ein galvanisches Element entsteht, und über eine Erfassung dieser entstehenden EMK (elektromotorische Kraft) die Beschädigung von aussen erfasst wird.