DE102004057695A1

DE102004057695A1 - Magnetisch induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr aus Kunststoff

Info

Publication number: DE102004057695A1
Application number: DE102004057695A
Authority: DE
Inventors: Dieter Keese; Kathrin Dip.-Ing. Zajac; Bernd Dipl.-Ing. Schneider; Ralf Dipl.-Phys. Bäcker
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: US20060169054A1; DE102004057695B4; CN1782675A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem Messrohr, das über Verbindungsmittel in ein Rohrleitungssystem einsetzbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegend in die Wandung des Messrohres elektrisch isoliert eingesetzten Messelektroden zur Erfassung einer Messspannung, wobei eine ebenfalls außen am Messrohr angeordnete Magneteinheit ein im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des zu messenden leitfähigen Strömungsmediums ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt. Um hierbei einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser für Niederdruckanwendungen zu schaffen, welcher einfach herstellbar ist und sich auch einfach in ein Rohrleitungssystem einsetzen lässt, ist hierbei erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Messrohr (1) aus einem Halbzeug-Rohr aus Polyethylen hoher Dichhte (PE-HD) gefertigt ist, welches flanschfrei in das Rohrleitungssystem (2) einsetzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem Messrohr, das über Verbindungsmittel in ein Rohrleitungssystem einsetzbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegend in die Wandung des Messrohres elektrisch isoliert eingesetzten Messelektroden zur Erfassung einer Messspannung, wobei eine ebenfalls außen am Messrohr angeordnete Magneteinheit ein im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des zu messenden leitfähigen Strömungsmediums ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt.
Ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser wird vorzugsweise als Durchflussmessgerät für Flüssigkeiten, Breie und Pasten eingesetzt, die eine bestimmte elektrische Mindestleitfähigkeit aufweisen. Diese Art von Durchflussmessgerät zeichnet sich durch recht genaue Messergebnisse aus, wobei im Rohrleitungssystem durch die Messung kein Druckverlust verursacht wird. Außerdem haben magnetisch-induktive Durchflussmesser keine beweglichen oder in das Messrohr hineinragenden Bauteile, welche besonders verschleißbehaftet sind. Das Einsatzgebiet der hier interessierenden Durchflussmesser erstreckt sich vornehmlich auf Anwendungen in der chemischen Industrie, der Pharmazie sowie der Kosmetikindustrie und auch der kommunalen Wasser- und Abwasserwirtschaft sowie der Nahrungsmittelindustrie.
Das Faraday'sche Induktionsgesetz bildet die physikalische Grundlage des Messverfahrens eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers. Dieses Naturgesetz besagt, dass in einem sich in einem Magnetfeld bewegenden Leiter eine Spannung induziert wird. Bei der messtechnischen Ausnutzung dieses Naturgesetzes durchfließt das elektrisch leitfähige Medium ein Messrohr, in dem senkrecht zur Fließrichtung ein Magnetfeld erzeugt wird. Die im Medium induzierte Spannung wird von einer Elektrodenanordnung abgegriffen. Da die so gewonnene Messspannung proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit des strömenden Mediums ist, kann hieraus der Volumenstrom des Mediums bestimmt werden. Unter Beachtung der Dichte des strömenden Mediums lässt sich dessen Massestrom ermitteln.

Die EP 0 869 336 A2 offenbart ein gattungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät. Dessen Elektrodenanordnung wirkt mit zwei gegenüberliegenden elektrischen Magnetspulen zusammen, welche das erforderliche Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung in dem Messrohr erzeugen. Innerhalb dieses Magnetfeldes liefert jedes sich durch das Magnetfeld hindurch bewegende Volumenelement des strömenden Mediums mit der in diesem Volumenelement anstehenden Feldstärke einen Beitrag zu der über die Messelektroden abgegriffenen Messspannung. Die Messspannung wird einer nachgeschalteten Auswerteelektronik eingangsseitig zugeführt. Innerhalb der Auswerteelektronik erfolgt zunächst über einen elektronischen Differenzverstärker eine Signalverstärkung, wobei der Differenzverstärker hier gegenüber dem Bezugspotential arbeitet, welches üblicherweise dem Erdpotential entspricht. Die Auswerteelektronik liefert ausgehend von der Messspannung einen Wert für den Volumenstrom das das Messrohr durchströmenden Mediums. Dass Messrohr ist über beidseitige Flanschbereiche an korrespondierende Flanschenden des Rohrleitungssystems unter Zuhilfenahme von Dichtringen und mehreren auf den Umfang der Flanschverbindungen verteilter Schrauben befestigt.

Gewöhnlich besteht das Messrohr eines solchen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts aus einem Metall, um eine ausreichende Druckstabilität zu gewährleisten. Denn das Rohrleitungssystem, in welches ein Durchflussmessgerät eingesetzt ist, steht gewöhnlich unter Druck, um das Medium zum Strömen zu bringen. Gebräuchliche Metalle sind vor allem Stahl, Titan, Tantal, Platin-Iridium oder Legierungen hiervon sowie auch Leichtmetall, wie Aluminium oder Legierungen hiervon. All diese Metalle sind für die gängigen Anwendungen eines magnetischinduktiven Durchflussmessgeräts genügend korrosionsbeständig und vor allem druckstabil. Zur elektrischen Isolierung der sich durch die Wandung des Messrohres hindurch erstreckenden Messelektroden gegenüber dem metallischen und insoweit leitfähigen Messrohr ist dieses innen ausgekleidet. Die Auskleidung besteht dabei aus einem nicht-leitfähigen Material; hierfür kommen sogenannte Liner zur Anwendung, also dünnwandige Kunststoffrohre, die in das metallische Messrohr eingezogen werden.

Nachteilig hierbei ist, dass ein derart aufgebautes Messrohr einen recht hohen Materialaufwand erfordert, schon wegen der recht teueren Metallsorten. Darüber hinaus ist das Einziehen des Liners in das Messrohr fertigungstechnisch aufwendig. Enge Maßtoleranzen müssen eingehalten werden.

Dem steht die Erkenntnis gegenüber, dass für viele Anwendungen – insbesondere im Wasser- und Abwasserbereich – ein Messrohr mit vergleichsweise geringerer Druckstabilität ausreichen würde.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser für Niederdruckanwendungen zu schaffen, welcher einfach herstellbar ist und sich auch einfach in ein Rohrleitungssystem einsetzen lässt.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Messrohr aus einem Halbzeug-Rohr aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) gefertigt ist, welches flanschfrei in das Rohrleitungssystem einsetzbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass ein handelsübliches Halbzeug-Rohr aus einem speziellen Material für die spezielle hier interessierende Anwendung zum Einsatz kommt. Versuche haben ergeben, dass das Material PE-HD alle Anforderungen im Niederdruckbereich – insbesondere im Wasser- und Abwasserbereich – erfüllt. Das spezielle Material zeichnet sich durch eine niedrige Dichte bei gleichzeitig guter Zähigkeit aus. Es ist somit recht leicht und stabil. Darüber hinaus besitzt das Material PE-HD eine sehr gute Chemikalienfestigkeit, was insbesondere im Abwasserbereich eine notwendige Bedingung ist. Hingenommen werden kann im Niederdruckbereich auch die vergleichsweise recht geringe Gebrauchstemperatur des Materials PE-HD von ca. 80° C. Darüber hinaus besitzt ein Halbzeug-Rohr aus PE-HD eine glatte Rohrinnenfläche und bietet somit nahezu keine Angriffspunkte für Abrieb. Das Halbzeug-Rohr ist zum Einsatz als Messrohr bei einem magnetisch-induktiven Durchflussmesser auch deshalb geeignet, weil es aufgrund einer ausreichenden Flexibilität sich an versetzte Rohranschlüsse anpassen kann. Lebensdauer bedingte Schäden oder Sprötbruch sind nicht zu erwarten. Das erfindungsgemäße Messrohr ist in einfacher Weise durch Ablängen vom Halbzeug-Rohr gewinnbar. Dies bildet die Voraussetzung dafür, das so gewonnene Messrohr völlig flanschfrei in das Rohrleitungssystem einzusetzen.

Die flanschfreie Verbindung des Messrohres mit dem Leitungssystem kann vorzugsweise gemäß der drei nachfolgenden Vorschläge erfolgen:
Zum Einen kann das Messrohr über unlösbare Verbindungsmittel derart flanschfrei im Rohrleitungssystem eingesetzt werden, indem die Verbindung zwischen dem Messrohr und dem sich anschließenden Rohrleitungssystem als eine stoffschlüssige Schweißverbindung ausgeführt ist. Voraussetzung für eine Schweißverbindung ist, dass Materialgleichheit zwischen dem Material des Messrohres und dem Material des sich anschließenden Rohrleitungssystems besteht. Dies bedeutet, dass auch das Rohrleitungssystem aus PE-HD zu bestehen hat. Die Wahl einer Schweißverbindung als Verbindungsmittel gewährleitstet eine besonders hohe Festigkeit der Verbindungsstelle.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass das Messrohr über lösbare Verbindungsmittel flanschfrei im Rohrleitungssystem einsetzbar ist. Dies kann zum Einen über eine Muffenverbindung realisiert werden. Eine Muffenverbindung setzt voraus, dass das Messrohr sowie das sich anschließende Rohrleitungssystem den gleichen Außendurchmesser aufweisen, welcher von der Verbindungsmuffe dichtend umschließbar ist. Die Verbindungsmuffe wird üblicherweise über lösbare Befestigungsmittel – wie Schrauben – geschlossen. Des Weiteren ist es auch denkbar, lösbare Verbindungsmittel für eine Schellenverbindung zur Befestigung des Messrohres im Rohrleitungssystem einzusetzen. Voraussetzung hierfür ist, dass sich das Messrohr in das Ende des sich anschließenden Rohrleitungssystems beidseits einstecken lässt. Anschließend wird die Verbindungsstelle über den Einsteckbereich platziert und über lösbare Verbindungsmittel – wie Schrauben – geschlossen.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist das Messrohr insbesondere zu Diffusionsschutzzwecken gegen Schadstoffe mit einer integrierten oder an der Außenoberfläche angeordneten Metallabschirmung ausgestattet. Hierbei kann die Metallabschirmung in Form eines Metallblechs oder einer Metallfolie ausgebildet sein. Als besonders geeignetes Material für das Metallblech oder die Metallfolie haben sich Aluminium oder Legierungen hiervon erwiesen. Eine in das Messrohr direkt integrierte Metallabschirmung kann in einfacher Weise durch Umspritzen der hohlzylinderförmigen, vorgefertigten Metallabschirmung mit dem Material PE-HD erfolgen. Die Verwendung einer Metallfolie führt gegenüber der Verwendung eines Metallblechs hier zu erheblichen Materialeinsparungen, wobei gleichzeitig die gewünschte Funktion zuverlässig erfüllt wird. Bei einer Anordnung einer Metallabschirmung an der Außenoberfläche des Messrohres, ist einem Metallblech aus Stabilitätsgründen der Vorzug zu geben. Denn ein Metallblech ist gegenüber einer Metallfolie widerstandsfähiger gegen äußere mechanische Beanspruchungen.

Neben dem so geschaffenen Diffusionsschutz kann die Metallabschirmung des Messrohrs eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers auch zur elektrischen Abschirmung der Elektroden Anwendung finden. Hierfür ist es lediglich erforderlich, dass die Metallabschirmung mit den Erdungselektroden elektrisch verbunden ist, um die Nutzspannung im Messrohr gegenüber der von der Magneteinheit erzeugten Erregerspannung abzuschirmen.

Als bedeutsamer Vorteil ergibt sich hieraus, dass mit dem erfindungsgemäßen Messrohr elektrisch dieselben Funktionen wie bei einem metallischen Messrohr erfüllt werden können, während andererseits aber auch die Vorzüge einer einfachen Fertigung genutzt werden. Daneben zeichnet sich ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Messrohr auch durch ein vergleichsweise geringes Eigengewicht aus.

Weitere die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur näher dargestellt. Die Figur zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einem Messrohr aus Kunststoff.
Gemäß Figur besitzt der magnetisch-induktive Durchflussmesser ein Messrohr 1, welches in ein Rohrleitungssystem 2 eingesetzt ist. Das Messrohr 1 wird von einem fließfähigen Strömungsmedium 3 durchströmt und das Strömungsmedium 3 weist zur Realisierung des magnetisch-induktiven Durchflussmessprinzips eine zumindest geringfügige elektrische Leitfähigkeit auf. Außen am Messrohr 1 ist weiterhin eine Magneteinheit 4a, 4b vorgesehen, die aus einander gegenüberliegenden Magneten besteht und der Erzeugung eines senkrecht zur Messrohrachse verlaufenden Magnetfelds dient. Die Magneteinheit 4a, 4b korrespondiert mit zwei einander gegenüberliegend am Messrohr 1 angeordneten Messelektroden 5 (von welchen in dieser Schnittdarstellung nur eine Messelektrode erkennbar ist). Die Messelektroden 5 sind senkrecht zur Magnetfeldachse ausgerichtet und dienen der Messung einer in Folge des Flusses des Strömungsmediums 3 induzierten Messspannung. Das Messsignal wird einer nachgeschalteten Elektronikeinheit 6 zugeführt, welche als elektrische Schnittstelle zu weiteren signalverarbeitenden Einrichtungen dient.
Das Messrohr 1 ist erfindungsgemäß aus einem Halbzeug-Rohr aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) gefertigt und weist eine im Wesentlichen hohlzylindrische Grundform auf. Zur elektrischen Abschirmung sowie als Diffusionsschutz gegen Schadstoffe weist das Messrohr 1 eine integrierte Metallabschirmung 7 auf. Die Metallabschirmung 7 besteht je aus einer Metallfolie und ist durch Umspritzen derselben mit PE-HD in das Messrohr 1 integriert. Die Metallfolie besteht hier aus Aluminium. Die Metallabschirmung ist mit – nicht weiter dargestellten – Erdungselektroden elektrisch verbunden, damit die Nutzspannung im Messrohr 1 gegenüber der von der Magneteinheit 4a, 4b erzeugten Erregerspannung abgeschirmt ist.
Das Messrohr 1 ist flanschfrei in das umgebende Rohrleitungssystem 2 eingesetzt. Zur Verbindung zwischen dem Messrohr 1 und dem sich anschließenden Rohrleitungssystem 2 gleichen Durchmessers wird hier eine Muffenverbindung 8 verwendet, mit welcher das Messrohr 1 lösbar im Rohrleitungssystem 2 montiert ist.

1: Messrohr
2: Rohrleitungssystem
3: Strömungsmedium
4: Magneteinheit
5: Messelektrode
6: elektronische Einheit
7: Metallabschirmung
8: Muftenverbindung

Claims

Magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr (1), das über Verbindungsmittel in ein Rohrleitungssystem (2) einsetzbar ist, mit mindestens zwei einander gegenüberliegend in die Wandung des Messrohres (1) elektrisch isoliert eingesetzten Messelektroden (5) zur Erfassung einer Messspannung, wobei eine ebenfalls außen am Messrohr (1) angeordnete Magneteinheit (4a, 4b) ein im wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des zu messenden leitfähigen Strömungsmediums (3) ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) aus einem Halbzeug-Rohr aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) gefertigt ist, welches flanschfrei in das Rohrleitungssystem (2) einsetzbar ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) über unlösbare Verbindungsmittel flanschfrei im Rohrleitungssystem (2) eingesetzt ist, indem die Verbindung zwischen dem Messrohr (1) und dem sich anschließenden Rohrleitungssystem (2) als eine stoffschlüssige Schweißverbindung ausgebildet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) über lösbare Verbindungsmittel flanschfrei im Rohrleitungssystem (2) eingesetzt ist, indem die Verbindung zwischen dem Messrohr (1) und dem sich anschließenden Rohrleitungssystem (2) gleichen Außendurchmessers als Muftenverbindung (8) ausgebildet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) über lösbare Verbindungsmittel flanschfrei im Rohrleitungssystem (2) eingesetzt ist, indem die Verbindung zwischen dem Messrohr (1) und dem sich anschließenden Rohrleitungssystem (2) nach Ineinanderstecken als Schellenverbindung ausgebildet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr (1) als Diffusionsschutz gegen Schadstoffe von Außen mit einer integrierten oder an der Außenoberfläche angeordneten Metallabschirmung (7) ausgestattet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallabschirmung (7) in Form eines Metallblechs oder einer Metallfolie ausgebildet ist.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech oder die Metallfolie aus Aluminium oder Legierungen hiervon besteht.
Magnetisch-induktiver Durchflussmesser nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallabschirmung mit Erdungselektroden elektrisch verbunden ist, um die Nutzspannung im Messrohr (1) gegenüber der von der Magneteinheit (4a, 4b) erzeugten Erregerspannung abzuschirmen.