DE102010001273A1 - Device with coaxial construction - Google Patents

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Abstract

Die 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 (1, 2, 3) besteht, wobei das zweite Element (2) das erste Element (1) koaxial umgibt und wobei das dritte Element (3) das zweite Element (2) koaxial umgibt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Element (1) aus einem ersten Material (M1) mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1) gefertigt ist, dass das zweite Element (2) aus einem zweiten Material (M2) mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) gefertigt ist, und dass das dritte Element (3) aus einem dritten Material (M3) mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α3) gefertigt ist, wobei die Materialien (M1, M2, M3) derart gewählt sind, dass der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient (α3) größer ist als der erste (α1), und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient (α2) größer ist als der dritte (α3).The invention relates to a device for determining at least one process variable of a medium or for transporting electricity, with an at least partially coaxial structure, which consists of at least three elements (1, 2, 3), the second element (2) being the first element ( 1) surrounds coaxially and wherein the third element (3) surrounds the second element (2) coaxially. The invention is characterized in that the first element (1) is made of a first material (M1) with a first thermal expansion coefficient (α1), and that the second element (2) is made of a second material (M2) with a second thermal expansion coefficient Expansion coefficient (α2) is made, and that the third element (3) is made of a third material (M3) with a third thermal expansion coefficient (α3), the materials (M1, M2, M3) are selected such that the third thermal expansion coefficient (α3) is greater than the first (α1), and the second thermal expansion coefficient (α2) is greater than the third (α3).

Description

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.The present invention relates to a device for determining at least one process variable of a medium or for the transport of electricity, having an at least partially coaxial structure, which consists of at least three elements, wherein the second element coaxially surrounds the first element and wherein the third element, the second element Coaxially surrounds. The device is, for example, a capacitive or conductive fill level measuring device, in particular with a flush-mounted sensor. Furthermore, the invention relates to a method for producing a device with coaxial symmetry.

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.Various devices are known from the prior art, which have a coaxial construction. In addition to coaxial cables, these are, for example, devices for determining process variables of a medium in containers or pipelines. In particular, capacitive or conductive probes with coaxially arranged electrodes are frequently used in level measurement. In the case of a conductive probe, use is made of the fact that, in the case of an electrically conductive medium, an electrical connection is produced between a ground electrode and a sensor electrode subjected to an alternating voltage, as soon as both electrodes touch the medium, from which reference is made to reaching a predetermined fill level. In a capacitive probe, the sensor electrode and the container wall or a second electrode form a capacitor whose capacitance depends on the level of the intermediate medium.

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 10 2007 049 526 A1 beschrieben.In order to be able to use such probes also in batch-forming media, it is known to surround the sensor electrode with a guard electrode which lies at the same electrical potential as the sensor electrode and is separated therefrom by an insulating layer. In addition, if a ground electrode is provided for the probe, the ground electrode usually encloses the assembly of sensor electrode and guard electrode concentrically, so that a coaxial structure of three electrodes and at least two insulating layers is formed. Such a sensor structure is for example in the DE 3212434 C3 or the DE 10 2007 049 526 A1 described.

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.A problem which occurs with concentrically arranged layers of different materials is that over a wide temperature range leaks and gaps form in the boundary regions, in particular at interfaces between metals and plastics. When the temperature changes, the different materials expand to different degrees, or they contract to different degrees so that gaps can form in the boundary areas. In this column, liquid can penetrate, which can lead to probes to malfunction or even failure of the meter. Furthermore, bacteria and fungi can build up in the cracks. This is problematic, especially in the food or pharmaceutical industry, where stringent hygienic guidelines must be adhered to.

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.The invention is therefore based on the object to provide a device with a coaxial structure and a method for producing such, whose components have a radially sealed connection in a wide temperature range.

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 α2 > α3 > α1, wobei αi der thermische Ausdehnungskoeffizient des i-ten Elements ist.The object is achieved with respect to the device in that the first element is made of a first material having a first thermal expansion coefficient, that the second element is made of a second material having a second coefficient of thermal expansion, and that the third element of a third material is made with a third coefficient of thermal expansion, wherein the materials are selected such that the third thermal expansion coefficient is greater than the first and the second thermal expansion coefficient is greater than the third. Thus, α 2 > α 3 > α 1 , where α i is the thermal expansion coefficient of the ith element.

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.Coaxial abutments are typically made to be radially dense at room temperature. In the solution according to the invention, the structure retains its initial tightness. As a result, the device can be used over a wide temperature range.

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.In a first embodiment of the solution according to the invention, the radial dimensions of the first element, the second element and the third element are chosen such that an area orthogonal to the axis of the coaxial structure which is enclosed between the first element and the third element, and the Surface of the second element in the same plane with a change in ambient temperature have the same effective thermal expansion. This is preferably true for all surfaces which extend along the axis of the coaxial structure.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfüllt das Verhältnis des Innenradius (R2) des dritten Elements zu dem Außenradius (R1) des ersten Elements die folgende Gleichung:

Figure 00030001
According to a particularly advantageous embodiment, the ratio of the inner radius (R 2 ) of the third element to the outer radius (R 1 ) of the first element satisfies the following equation:
Figure 00030001

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.In a further embodiment of the invention, the third element on the second element, and the second element on the first element in the radial direction are tight. In other words, it is a radially dense structure without gaps or cracks between the individual elements.

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 α4 > α5 > α3 erfüllt ist, wobei αi 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 α2 > α3 > α1 gleichermaßen erfüllt ist, damit eine radial dichte Verbindung zwischen allen fünf Elementen vorliegt.According to a further embodiment of the device according to the invention, this further comprises a fourth element having a fourth coefficient of thermal expansion and a fifth element having a fifth coefficient of thermal expansion, wherein the fifth element coaxially surrounds the fourth element and wherein the fourth element coaxially surrounds the third element. The materials of the fourth element and the fifth element are in this case selected such that the equation α 4 > α 5 > α 3 is satisfied, where α i is the coefficient of thermal expansion of the ith element. It goes without saying that the relation α 2 > α 3 > α 1 set up for the thermal expansion coefficients of the inner three elements is equally fulfilled so that there is a radially tight connection between all five elements.

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.According to one embodiment, the second material and / or the fourth material is a plastic. For example, these are PEEK (polyether ketone), PEI (polyetherimide), PI (polyimide), PTFE (polytetrafluoroethylene) or an epoxy resin.

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 another embodiment, the first material and / or the third material and / or the fifth material is a steel grade or a metal alloy. For example, the materials are a combination of materials selected from the group consisting of Invar (36% Ni iron-nickel alloy), Kovar, titanium, tantalum, aluminum alloys, Monel, stainless steel (stainless steel), and stainless steel. Preferably, the outer element is made of stainless steel. Invar and Kovar have relatively low thermal expansion coefficients between about 0 and 5 ppm / K.

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 an alternative embodiment, the first material is a nickel-chromium-molybdenum alloy or an iron-nickel-cobalt alloy and that the third material is stainless steel.

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.In another embodiment, the third material is a nickel-chromium-molybdenum alloy or an iron-nickel-cobalt alloy, and the fifth material is stainless steel.

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.According to a further embodiment, the first material and / or the third material and / or the fifth material is a glass, a ceramic, a metal ceramic or a glass ceramic.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das erste Element und das dritte Element Elektroden und das zweite Element stellt eine Isolierung dar.According to an embodiment, the first element and the third element are electrodes and the second element represents an insulation.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Vorrichtung um eine kapazitive oder konduktive Sonde oder um eine Mikrowellensonde.According to one embodiment, the device is a capacitive or conductive probe or a microwave probe.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Vorrichtung um ein Koaxialkabel zum Transport von Strom.In an alternative embodiment, the device is a coaxial cable for carrying power.

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.With regard to the method, the object is achieved in that a first element is made of a first material having a first coefficient of thermal expansion, that a second element made of a second material having a second coefficient of thermal expansion, which surrounds the first element coaxially, that third element is made of a third material having a third coefficient of thermal expansion, which coaxially surrounds the second element, and that the materials are selected such that the third thermal expansion coefficient is greater than the first, and the second thermal expansion coefficient is greater than the third , Preferably, the elements are configured radially symmetrical. It goes without saying that the method is also applicable to structures which consist of more than three elements.

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. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the radial dimensions of the first element, the second element and the third element are chosen such that an orthogonal to the axis of the coaxial structure extending surface which is enclosed between the first element and the third element, and extend the area of the second element in the same plane with a change in ambient temperature with equal effective thermal expansion.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following figure.

1 zeigt einen koaxialen Aufbau aus drei Elementen. 1 shows a coaxial construction of three elements.

In 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 α1 und hat die Gestalt eines Vollzylinders mit dem Radius R1. 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 α2, welcher von α1 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 α3 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 ΔT = T – T0 ist gegeben durch L = L0(1 + α·ΔT) wobei L0 die anfängliche Länge des Elementes bei einer Initialtemperatur T0 bezeichnet.In 1 is a coaxial structure formed of three radially symmetrical elements shown, which can be found for example in a capacitive probe of a level gauge. Preferably, it is the axial structure of a flush-mounted sensor. The first element 1 consists of a first material M1 with a first expansion coefficient α 1 and has the shape of a solid cylinder with the radius R 1 . The second element 2 is a hollow cylinder with outer radius R 2 and inner radius R 1 , encloses the first element 1 coaxial and consists of a second material M2 with a second expansion coefficient α 2 , which is different from α 1 . The interfaces between the first element 1 and the second element 2 lie close to each other. Likewise, the third element encloses 3 from a third material M3 with a third expansion coefficient α 3, the second element 2 radially and extending from the radius R 2 to a radius R 3 . The third element 3 also closes flush with the second element 2 at. The three elements are designed so to speak form-fitting. The expansion coefficient α of a material indicates how much a body consisting of the corresponding material expands when the temperature changes. For example, for stainless steel 1.4435: α = 17 · 10 -6 1 / ° C or 17 ppm / K. The length L of an element after a heating by ΔT = T - T 0 is given by L = L 0 (1 + α · ΔT) wherein L 0 denotes the initial length of the element at an initial temperature T 0th

Die Materialien der Elemente sind nun derart aufeinander abgestimmt, dass deren Ausdehnungskoeffizienten folgende Ungleichung erfüllen: α2 > α3 > α1 The materials of the elements are now matched to one another such that their coefficients of expansion satisfy the following inequality: α 2 > α 3 > α 1

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 T0 auf.For example, M1 and M3 are metals and M2 is a plastic, for example PEEK, PEI or epoxy resin. Particularly preferred is the third element 3 made of stainless steel. The material M1 of the first element 1 may be a glass or a glass-ceramic, or a metal or a metal alloy with a low expansion coefficient, such as Invar or Kovar. Regardless of the radial dimensions of the three elements 1 . 2 . 3 has a structure of such materials over the known from the prior art constructions improved radial tightness even at temperatures not equal to the initial temperature to T 0 .

In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfüllen die radialen Abmessungen des ersten Elements 1, zweiten Elements 2 und dritten Elements darüber hinaus die Gleichung

Figure 00070001
wobei R1 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 T0 aus, sondern auch bei beliebigen von T0 verschiedenen Temperaturen. Somit findet bei einer Temperaturänderung keine Spaltbildung mehr statt und die Sonde bleibt radial dicht.In this preferred embodiment, the radial dimensions of the first element meet 1 , second element 2 and third element beyond the equation
Figure 00070001
where R 1 is the outer radius of the first element 1 and at the same time the inner radius of the second element 2 and R 2 is the outer radius of the second element 2 and the inner radius of the third element 3 is. If the two radii R 1 and R 2 are chosen so as to satisfy this formula, it is ensured that the surface which passes through the first element 1 and the third element 3 is limited in a plane having the same effective thermal expansion as the second element 2 in this level. This fills the second element 2 between the first element 1 and the third element 3 lying surface not only at an initial temperature T 0 , but also at any of T 0 different temperatures. Thus, no more gap formation occurs at a temperature change and the probe remains radially dense.

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 R2: R1 = R01(1 + α1·ΔT ) R2 = R02 (1 + α3·ΔT) Mathematically, the above conditions follow the following considerations: Assuming that the material M2 behaves much more elastic than the materials M1 and M3, then for the radii R 1 and R 2 : R 1 = R 01 (1 + α 1 · ΔT) R 2 = R 02 (1 + α 3 · ΔT)

Die Fläche S, welche dem zweiten Element 2 zwischen dem ersten Element 1 und dem dritten Element 3 zur Verfügung steht, beträgt S0 = π(R 2 / 02 –R 2 / 01) S = π[R 2 / 02(1 + α3·ΔT)2 – R 2 / 01(1 + α1·ΔT)2} The area S, which is the second element 2 between the first element 1 and the third element 3 is available S 0 = π (R 2/02 -R 2/01) S = π [R 2 / O 2 (1 + α 3 .ΔT) 2 - R 2/01 (1 + α 1 .ΔT) 2 }

Der thermische Ausdehnungskoeffizient β der Fläche S zwischen dem ersten Element 1 und dem dritten Element 3 berechnet sich zu

Figure 00080001
The thermal expansion coefficient β of the area S between the first element 1 and the third element 3 calculates too
Figure 00080001

Da α << 1, gilt näherungsweise ΔT(R 2 / 02 α 2 / 3 – R 2 / 01 α 2 / 1 ) = 0 und

Figure 00080002
Since α << 1, approximately ΔT (R 2/02 α 2/3 - R 2/01 α 2/1 ) = 0 and
Figure 00080002

Andererseits kann die Fläche S des zweiten Elements 2 mit α2 folgendermaßen berechnet werden: S = π(R 2 / 02 – R 2 / 01)(1 + α2·ΔT)2 ≈ ≈ π(R 2 / 02 – R 2 / 01) + 2π(R 2 / 02 – R 2 / 01)α2ΔT = = S0 + 2π(R 2 / 02 – 2 / 01)α2ΔT On the other hand, the area S of the second element 2 be calculated with α 2 as follows: S = π (R 2 / O 2 - R 2/01) (1 + α 2 · ΔT) 2 ≈ ≈ π (R 2 / O 2 - R 2/01) + 2π (R 2 / O 2 - R 2/01) α 2 ΔT = = S 0 + 2π (R 2/02 - 2/01) α 2 ΔT

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

Figure 00080003
The expansion coefficient β 'of the area S of the second element 2 arises too
Figure 00080003

Damit bei einer Temperaturänderung ΔT 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:

Figure 00090001
So that at a temperature change ΔT no gap between material 1 and material 2 or material 2 and material 3 arises, which must be between the first element 1 and the third element 3 enclosed area and the area of the second element 2 expand equally, ie it must apply:
Figure 00090001

Hieraus folgt die GleichungFrom this follows the equation

Figure 00090002
Figure 00090002

Neben der Relation des Radius R1 des ersten Elements 1 zum Außenradius des zweiten Elements 2 bzw. zum Innenradius des dritten Elements 3, R2, folgen hieraus Bedingungen für die Ausdehnungskoeffizienten der drei Elemente. Da davon auszugehen ist, dass der Ausdehnungskoeffizient α2 des zweiten Materials M2 am größten ist, gilt in der Regel α1 < α2 und α3 < α2 Da R1 < R2 folgt weiterhin α2 – α1 > α2 – α3 oder α3 > α1. Mit anderen Worten sind die Materialien so zu wählen, dass der Ausdehnungskoeffizient α3 des Mantelmaterials M3 größer ist als der Ausdehnungskoeffizient α1 des Kernmaterials M1. Ist also für einen koaxialen Aufbau aus drei Materialien die Relation α2 > α3 > α1 erfüllt, weist er gegenüber einem Aufbau aus herkömmlich gewählten Materialien eine dichtere Verbindung zwischen den drei Materialien auf.In addition to the relation of the radius R 1 of the first element 1 to the outer radius of the second element 2 or to the inner radius of the third element 3 , R 2 , follow conditions for the coefficients of expansion of the three elements. Since it can be assumed that the expansion coefficient α 2 of the second material M2 is greatest, as a rule α 1 <α 2 and α 3 <α 2 since R 1 <R 2 is still followed by α 2 - α 1 > α 2 - α 3 or α 3 > α 1 . In other words, the materials are to be selected so that the expansion coefficient α 3 of the cladding material M3 is greater than the expansion coefficient α 1 of the core material M1. So is for a coaxial Construction of three materials satisfies the relation α 2 > α 3 > α 1 , it has a denser connection between the three materials compared to a structure of conventionally selected materials.

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 α4 > α5 > α3.For more complex structures of four and five elements analogous considerations can be made. For example, for a coaxial construction of five elements, the fourth element enclosing the third and the fifth element the fourth radially, the relation α 4 > α 5 > α 3 .

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.Such radially sealed structures are particularly advantageous in front-flush sensors for level measurement in pipelines, d. H. in sensors, which protrude to avoid the formation of turbulent flows only with a small length in the pipeline.

Ein Beispiel für eine radial dichte Sonde aus drei konzentrisch angeordneten Elementen ist durch folgende Merkmale gegeben:
M1: Hastelloy C4 mit α1 = 11·10–6 1/°C
M2: Kunststoff mit α2 = 45·10–6 1/°C
M3: Edelstahl 1.4435 mit α3 = 17·10–6 1/°C
Radius des zylindrischen Hastelloykerns: R1 = 5,0 mm
Innenradius des Edelstahlmantels: R2 = 5,51 mm
Dicke des Isolationsmaterials: 0,51 mm.An example of a radially dense probe of three concentrically arranged elements is given by the following features:
M1: Hastelloy C4 with α 1 = 11 · 10 -6 1 / ° C
M2: Plastic with α 2 = 45 · 10 -6 1 / ° C
M3: Stainless steel 1.4435 with α 3 = 17 · 10 -6 1 / ° C
Radius of the cylindrical Hastelloy core: R 1 = 5.0 mm
Inner radius of the stainless steel sheath: R 2 = 5.51 mm
Thickness of insulation material: 0.51 mm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Erstes ElementFirst element
22
Zweites ElementSecond element
33
Drittes ElementThird element
44
Viertes ElementFourth element
55
Fünftes ElementFifth element
M1M1
erstes Materialfirst material
M2M2
zweites Materialsecond material
M3M3
drittes Materialthird material
M4M4
viertes Materialfourth material
M5M5
fünftes Materialfifth material
α1 α 1
erster thermischer Ausdehnungskoeffizientfirst thermal expansion coefficient
α2 α 2
zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizientsecond thermal expansion coefficient
α3 α 3
dritter thermischer Ausdehnungskoeffizientthird thermal expansion coefficient
α4 α 4
vierter thermischer Ausdehnungskoeffizientfourth thermal expansion coefficient
α5 α 5
fünfter thermischer Ausdehnungskoeffizientfifth thermal expansion coefficient

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3212434 C3 [0003] DE 3212434 C3 [0003]
  • DE 102007049526 A1 [0003] DE 102007049526 A1 [0003]

Claims (14)

Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums oder zum Transport von Strom, mit einem zumindest abschnittsweise koaxialen Aufbau, welcher aus mindestens drei Elementen (1, 2, 3) besteht, wobei das zweite Element (2) das erste Element (1) koaxial umgibt und wobei das dritte Element (3) das zweite Element (2) koaxial umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (1) aus einem ersten Material (M1) mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1) gefertigt ist, dass das zweite Element (2) aus einem zweiten Material (M2) mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) gefertigt ist, und dass das dritte Element (3) aus einem dritten Material (M3) mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α3) gefertigt ist, wobei die Materialien (M1, M2, M3) derart gewählt sind, dass der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient (α3) größer ist als der erste (α1), und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient (α2) größer ist als der dritte (α3).Device for determining at least one process variable of a medium or for the transport of electricity, having an at least partially coaxial structure, which consists of at least three elements ( 1 . 2 . 3 ), the second element ( 2 ) the first element ( 1 ) coaxially surrounds and wherein the third element ( 3 ) the second element ( 2 ) coaxially, characterized in that the first element ( 1 ) is made of a first material (M1) having a first thermal expansion coefficient (α 1 ), that the second element ( 2 ) is made of a second material (M2) having a second coefficient of thermal expansion (α 2 ), and in that the third element ( 3 ) is made of a third material (M3) with a third coefficient of thermal expansion (α 3 ), wherein the materials (M1, M2, M3) are selected such that the third thermal expansion coefficient (α 3 ) is greater than the first (α 1 ), and the second thermal expansion coefficient (α 2 ) is larger than the third (α 3 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Abmessungen des ersten Elements (1), des zweiten Elements (2) und des dritten Elements (3) derart gewählt sind, dass eine orthogonal zur Achse des koaxialen Aufbaus liegende Fläche, welche zwischen dem ersten Element (1) und dem dritten Element (3) eingeschlossen ist, und die Fläche des zweiten Elements (2) in der selben Ebene bei einer Änderung der Umgebungstemperatur die gleiche effektive thermische Ausdehnung aufweisen.Device according to claim 1, characterized in that the radial dimensions of the first element ( 1 ), the second element ( 2 ) and the third element ( 3 ) are selected such that an area lying orthogonal to the axis of the coaxial structure, which between the first element ( 1 ) and the third element ( 3 ) and the area of the second element ( 2 ) in the same plane have the same effective thermal expansion when the ambient temperature changes. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innenradius (R2) des dritten Elements (3) zu dem Außenradius (R1) des ersten Elements (1) die folgende Gleichung erfüllt:
Figure 00130001
Apparatus according to claim 2, characterized in that the ratio of the inner radius (R 2 ) of the third element ( 3 ) to the outer radius (R 1 ) of the first element ( 1 ) satisfies the following equation:
Figure 00130001
 Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Element (3) an dem zweiten Element (2) in radialer Richtung dicht anliegt, und dass das zweite Element (2) an dem ersten Element (1) in radialer Richtung dicht anliegt.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the third element ( 3 ) on the second element ( 2 ) in the radial direction is tight, and that the second element ( 2 ) on the first element ( 1 ) in the radial direction is tight. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein viertes Element (4) mit einem vierten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α4) und ein fünftes Element (5) mit einem fünften thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α5) umfasst, wobei das fünfte Element (5) das vierte Element (4) koaxial umschließt und wobei das vierte Element (4) das dritte Element (3) koaxial umschließt, und dass die Materialien (M4, M5) des vierten Elementes (4) und des fünften Elementes (5) derart gewählt sind, dass die Gleichung α4 > α5 > α3 erfüllt ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the device comprises a fourth element ( 4 ) having a fourth thermal expansion coefficient (α 4 ) and a fifth element ( 5 ) having a fifth thermal expansion coefficient (α 5 ), the fifth element ( 5 ) the fourth element ( 4 ) coaxially encloses and wherein the fourth element ( 4 ) the third element ( 3 ) coaxially encloses, and that the materials (M4, M5) of the fourth element ( 4 ) and the fifth element ( 5 ) are chosen such that the equation α 4 > α 5 > α 3 is satisfied. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (M2) und/oder das vierte Material (M4) ein Kunststoff ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the second material (M2) and / or the fourth material (M4) is a plastic. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (M1) und/oder das dritte Material (M3) und/oder das fünfte Material (M5) eine Stahlsorte oder einer Metalllegierung ist.Device according to at least one of claims 1-6, characterized in that the first material (M1) and / or the third material (M3) and / or the fifth material (M5) is a steel grade or a metal alloy. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (M1) eine Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung oder eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung ist und dass das dritte Material (M3) Edelstahl ist.Device according to at least one of claims 1-7, characterized in that the first material (M1) is a nickel-chromium-molybdenum alloy or an iron-nickel-cobalt alloy and that the third material (M3) is stainless steel. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material (M3) eine Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung oder eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung ist und dass das fünfte Material (M5) Edelstahl ist.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the third material (M3) is a nickel-chromium-molybdenum alloy or an iron-nickel-cobalt alloy and that the fifth material (M5) is stainless steel. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (M1) und/oder das dritte Material (M3) und/oder das fünfte Material (M5) ein Glas, eine Keramik oder eine Glaskeramik ist. Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first material (M1) and / or the third material (M3) and / or the fifth material (M5) is a glass, a ceramic or a glass ceramic. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (1) und das dritte Element (3) Elektroden sind und dass das zweite Element (2) eine Isolierung darstellt.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first element ( 1 ) and the third element ( 3 ) Electrodes and that the second element ( 2 ) represents an insulation. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung um eine kapazitive oder konduktive Sonde oder um eine Mikrowellensonde handelt.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that it is the device is a capacitive or conductive probe or a microwave probe. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit koaxialer Symmetrie, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Element (1) aus einem ersten Material (M1) mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1) gefertigt wird, dass ein zweites Element (2) aus einem zweiten Material (M2) mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) gefertigt wird, welches das erste Element (1) koaxial umgibt, dass ein drittes Element (3) aus einem dritten Material (M3) mit einem dritten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α3) gefertigt wird, welches das zweite Element (2) koaxial umgibt, und dass die Materialien (M1, M2, M3) derart gewählt werden, dass der dritte thermische Ausdehnungskoeffizient (α3) größer ist als der erste (α1), und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient (α2) größer ist als der dritte (α3).Method for producing a device with coaxial symmetry, characterized in that a first element ( 1 ) is made of a first material (M1) with a first coefficient of thermal expansion (α 1 ) that a second element ( 2 ) is made of a second material (M2) having a second coefficient of thermal expansion (α 2 ), which is the first element ( 1 ) coaxially surrounds a third element ( 3 ) is made of a third material (M3) having a third coefficient of thermal expansion (α 3 ), which is the second element ( 2 ) and that the materials (M1, M2, M3) are selected such that the third thermal expansion coefficient (α 3 ) is greater than the first (α 1 ), and the second thermal expansion coefficient (α 2 ) is greater than the third (α 3 ). Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Abmessungen des ersten Elements (1), des zweiten Elements (2) und des dritten Elements (3) derart gewählt werden, dass sich eine orthogonal zur Achse des koaxialen Aufbaus verlaufende Fläche, welche zwischen dem ersten Element (1) und dem dritten Element (3) eingeschlossen wird, und die Fläche des zweiten Elements (2) in der selben Ebene bei einer Änderung der Umgebungstemperatur mit gleicher effektiver thermischen Ausdehnung ausdehnen.A method according to claim 13, characterized in that the radial dimensions of the first element ( 1 ), the second element ( 2 ) and the third element ( 3 ) are selected such that an area running orthogonally to the axis of the coaxial structure, which extends between the first element ( 1 ) and the third element ( 3 ) and the area of the second element ( 2 ) in the same plane when the ambient temperature changes with the same effective thermal expansion.
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