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Die
Erfindung betrifft eine Durchflussmesseinrichtung zur Messung des
Durchflusses eines in einer Rohrleitung strömenden Fluides nach der magnetisch-induktiven
Methode gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Im
Stand der Technik heute bekannte magnetisch-induktive Durchflussmesseinrichtungen
umfassen spezielle magnetisch-induktive Messgeräte, die bei ihrem Einsatz in
die Rohrleitung, in der sie den Durchfluss eines strömenden fluiden
Stoffes messen sollen, eingebaut werden. Der Einbau der magnetisch-induktiven Messgeräte erfolgt
dabei über
Flanschverbindungen, oder auch über
flanschlosen Einbau (sogenannter Wafer-Einbau).
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Der
prinzipielle Aufbau und das Wirkprinzip magnetisch-induktiver Messgeräte sind
beispielsweise beschrieben im Lexikon der Mess- und Automatisierungstechnik,
herausgegeben von Elmar Schrüfer,
VDI-Verlag, Düsseldorf
1992, S. 262- 263. Aufgrund des Wirkprinzips können magnetisch-induktive Messgeräte nur zur
Messung des Durchflusses von elektrisch leitfähigen fluiden Stoffen eingesetzt
werden. Unter fluiden Stoffen ist hier in erster Linie eine Flüssigkeit
zu verstehen, es könnte
aber auch ein Gas sein. Heute sind auch Geräte bekannt, bei denen zusätzlich zur
Durchflussmessung noch eine Erkennung stattfindet, ob das Messrohr
ganz, teilweise oder nicht befüllt
ist.
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Magnetisch-induktive
Messgeräte
finden insbesondere Verwendung in einer Reihe von industriellen Prozessanlagen,
beispielsweise im Bereich der Wasserwirtschaft (Durchflussmessung
in der Trinkwasserbereitung und Abwasseraufbereitung), im Bereich
der chemischen und petrochemischen Industrie (Durchflussmessung
von Wasser, Säuren, Laugen,
etc.), im Bereich der pharmazeutischen Industrie und im Bereich
der Lebensmittelindustrie (Durchflussmessung von Wasser, Säften, Bier,
Milchprodukten etc.).
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Die
bei bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung benötigten Flansche
stellen eine erheblichen Kostenfaktor dar. Ein weiterer Kostenfaktor
besteht in der Notwendigkeit des Einbaus bekannter magnetisch-induktiver
Durchflussmessgeräte
an bestimmten Einbaustellen in der Prozessrohrleitung, in der gemessen
werden soll. Die Prozessrohrleitung muss dazu aufgetrennt werden,
ein Rohrstück
das in seiner Länge
der Länge
des magnetisch-induktiven Messgerätes entspricht, wird der Prozessrohrleitung
entnommen, und an dessen Stelle wird das magnetisch-Induktive Messgerät in die
Prozessrohrleitung eingefügt
und mit dieser wieder fluiddicht verbunden. Insgesamt ist diese
Vorgehensweise zur Installation einer magnetisch-induktiven Durchflussmesseinrichtung
sehr aufwendig.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine magnetisch-induktive
Durchflussmesseinrichtung zu schaffen, deren Installation und Aufbau
einfacher und kostengünstiger
zu realisieren ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine gattungsgemäße Durchflussmesseinrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß umfasst
also die Durchflussmesseinrichtung die Rohrleitung selbst sowie
eine in die Rohrleitung integrierte Elektrodenanordnung und ein
in die Rohrleitung integriertes Magnetsystem zur Erzeugung des Messmagnetfeldes.
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Der
Vorteil einer erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung
liegt darin, dass nicht mehr ein separates magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
nachträglich
in die Rohrleitung eingebaut werden muss, sondern dass die Prozessrohrleitung
selbst quasi als Messgerät
verwendet wird. Die Prozessrohrleitung ist dabei an bestimmten Stellen
durch Integration einer Elektrodenanordnung und eines Magnetsystems
in die Rohrleitung mit einer Durchfluss- Messfunktionalität versehen.
Bei einer erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung
entfällt
die Notwendigkeit, die Rohrleitung zwecks Schaffung der Messstelle
aufzutrennen. Denn die Messstelle ist bereits in dem Rohrleitungsstück durch
Integration der Elektrodenanordnung und des Magnetsystems in die
Rohrleitung selbst geschaffen. Mit der Installation des Rohrleitungssystems
in der Prozessanlage wird somit automatisch auch die Durchflussmesseinrichtung
mit errichtet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Durchflussmesseinrichtung
zusätzlich noch
eine in die Rohrwand integrierte elektronische Signalwandler- oder
Signalübertragungsbaugruppe.
Die Signalwandler- oder Signalübertragungsbaugruppe
kann beispielsweise einen Impedanzwandler und einen Signalvorverstärker bzw.
eine Filterbaugruppe umfassen, ebenso wie Baugruppen zur Übertragung
der gemessenen Signale an eine Prozessleitzentrale. Die Signalübertragung
kann dabei beispielsweise mit Zwei- oder Vierleitertechnik erfolgen,
aber auch über
ein Feldbussystem. Die durch eine erfindungsgemäße Durchflussmesseinrichtung
in dem Prozessrohrleitungssystem geschaffenen Durchflussmessstellen
sind somit auf im Prinzip bekannte Art und Weise mit der Prozessleitwarte
oder der Prozessregelungsebene verknüpf – und vernetzbar. Es können selbstverständlich auch
in die Rohrwand Signalübertragungsbaugruppen
zur drahtlosen Signalübertragung
integriert werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Durchflussmesseinrichtung
eine Rohrleitung aus Kunststoff. Diese kann insbesondere auch aus
einem Faserverbundwerkstoff gebildet und in Wickeltechnik hergestellt
sein.
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Die
Vorteile einer erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung
kommen weiterhin besonders in einer Ausführungsform zum Tragen, in der
die Elektrodenanordnung leitfähige
Bereiche der stoffseitigen Rohrleitungsbegrenzungsfläche umfasst.
Diese stoffseitige Rohrleitungsbegrenzungsfläche wird in der Regel die Rohrleitungsinnenwand
sein. In manchen Fällen
kann es auch sein, dass die Rohrleitung innen mit einer sogenannten
Liner-Schicht ausgekleidet ist, wobei der Liner zur Erreichung einer
hohen Korrosionsbeständigkeit verwendet
wird. Für
höchste
Ansprüche
an Korrosionsbeständigkeit
sind solche Liner beispielsweise aus PTFE-Kunststoff oder einem ähnlich geeigneten
Material gefertigt. Es sind dem Fachmann Methoden bekannt, um solche
Kunststoffrohre, insbesondere auch Faserverbundwerkstoffrohre, zonenweise
elektrisch leitfähig
zu machen. Die Kontaktierung dieser solcherart in die Rohrleitung
integrierten Elektrodenanordnungen mit der Signalwandler- oder Signalübertragungsbaugruppe
geschieht beispielsweise über – ebenfalls
in die Rohrleitung eingebettete – elektrische Verbindungsleitungen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Magnetsystem und/oder die Elektrodenanordnung
bereits bei der Herstellung der Rohrleitung in die Rohrwand mit
eingewickelt oder auf andere Weise integriert ist. Dann entsteht
sozusagen eine „intelligente" Rohrleitung mit
einer integrierten Durchflussmessstelle.
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Eine
erfindungsgemäße Durchflussmesseinrichtung
kann allerdings auch nachträglich
auf eine vorhandene Rohrleitung aufgebracht werden. Wenn diese Rohrleitung
aus einem Faserverbundwerkstoff in Wickeltechnik gebildet ist, so
kann – ohne
die Rohrleitung aufzutrennen- an jeder dafür ausgewählten Stelle auf der Rohrleitung
nachträglich
das Magnetsystem und die Elektrodenanordnung aufgebracht bzw. eingebracht und
anschließend
mit Schichten aus Faserverbundwerkstoff umwickelt werden. An der
aus diese Weise geschaffenen Messstelle ist die Rohrleitungswand
dann lediglich um einen geringen Betrag verdickt. Die Anschlussleitungen
der elektronischen Signalwandler und/oder Signalübertragungsbaugruppe können dann
aus der Rohrleitungswand herausragen, so dass sie von außen zugänglich sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weiterer Vorteile
sind den beschriebenen Ausführungsbeispielen
zu entnehmen.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung näher
erläutert
und beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 Eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen, magnetischinduktiven
Durchflussmesssystems mit konduktivem Signalabgriff und mit in eine
Rohrleitung aus Faserverbundwerkstoff bei deren Herstellung mit
eingewickeltem Magnetssystem, schematisch im Längsschnitt;
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen, magnetischinduktiven
Durchflussmesssystems mit kapazitivem Signalabgriff und mit einem
in eine Rohrleitung aus Faserverbundwerkstoff bei deren Herstellung
mit eingewickelten Magnetsystem, schematisch im Querschnitt, sowie
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3 eine
schematische, exemplarische Darstellung einer verfahrenstechnischen
Anlage mit einem Rohrleitungssystem, bei dem an vier Teil-Rohrleitungsstücken in
die Rohrwand Elektrodensysteme integriert und Magnetsysteme angebracht
sind.
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1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Prozessrohrleitung 1, deren
Rohrwand aus einem Faserverbundwerkstoff in Wickeltechnik hergestellt
ist. Einzelne Lagen aus Faserhalbzeug 10 bilden mit einem
Kunststoffharz 12 einen Werkstoffverbund. 1 zeigt
einen Längsschnitt
durch das Rohrleitungsstück,
die Schichtung ist durch parallele Linien angedeutet. Zur Herstellung
der Rohrleitung aus Faserverbundwerkstoff kann jede in der Komposit-Technik
bekannte Methode in angepasster Form angewendet werden. Typische
Dicken von einzelnen Faserverbundwerkstoffschichten liegen in der
Größenordnung
von 0,12 mm bis 3mm.
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In
der als Messstelle ausgewählten
Zone 2 des Rohrleitungsstückes 1 ist in die
Rohrwand ein Magnetsystem 14 integriert, indem es bei der
Herstellung der Rohrleitung mit in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff
eingewickelt worden ist. Das Magnetsystem 14 besteht aus
zwei kreisförmigen
Erregerspulen 16, 18 und einem ferromagnetischen
Kern 20 zur magnetischen Rückführung. Die Wicklungsebenen
der kreisringförmigen
Erregerspulen 16, 18 verlaufen parallel zueinander
und zur Rohrmittelachse 4. Wegen der Längsschnittdarstellung sind
von den kreisringförmigen
Spulen 16, 18 nur die Schnittflächen zu
sehen.
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Der
ferromagnetische Kern 20 besteht aus einem biegsamen ferromagnetischen
Blech, das zwischen den beiden Spulen 16, 18 einer
inneren Zylindermantelfläche
des Rohrleitungsstückes 1 folgt
und somit den magnetischen Rückfluss
gewährleistet,
und ist in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff eingebettet.
Die Erregerspulen sind hier konventionell gewickelte Spulen in Flachbauweise.
Sie sind zusammen mit ihren (hier nicht dargestellten) Zuleitungen
in den Faserverbundwerkstoff der Rahrleitungswand fest eingebettet.
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In
der Nähe
der Spulen 16, 18 ist eine elektronische Signalvorverarbeitungs-
und Signalübertragungsbaugruppe 22 in
die Schichten mit eingebettet. Ebenso sind (hier nicht dargestellte)
Messsignalzuleitungen von der Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 zu
dem Elektrodensystem vorhanden. Von der Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 sind Signalleitungen 24 nach
außen
geführt.
An diesen ist eine Transmitterbaugruppe 26 angeschlossen, über die
die die Anbindung der Messstelle 2 über ein Feldbussystem 30 an
eine zentrale Prozesssteuer und Leiteinheit 28 hergestellt
ist. Die Prozesssteuereinheit 28 umfasst dabei wenigstens
einen Prozessrechner.
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Das
Durchflussmesssystem nach 1 umfasst
einen konduktiven Signalabgriff. Dazu ist ein Elektrodenpaar, von
dem in der 1 nur eine Elektrode 32 dargestellt
ist, in die Rohrleitungsinnenwand integriert. Wie bei magnetisch-induktiven
Messsystemen bekannt, sind die Messelektroden 32 so angeordnet,
dass ihre Verbindungslinie senkrecht zur Richtung des durch die
Erregerspulen 16, 18 erzeugten Magnetfeldes B
steht. Auch alle weiteren Zusatzvorrichtungen, die bei magnetisch-induktiven
Messgeräten
bekannt und üblicherweise
vorhanden sind, beispielsweise Erdungselektroden zur Kontaktierung
des Fluides oder Abschirmelektroden, sind in der Durchflussmesseinrichtung
nach 1 vorhanden, allerdings hier nicht dargestellt.
Das trifft auch für
die Signalleitungen von den Messelektroden 32 hin zu der
Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 zu.
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Zur
Herstellung einer erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtung
nach 1 werden Verfahren aus der an sich bekannten Herstellungstechnik
von Bauteilen aus faserverstärkten
Kunststoffen entlehnt, hier insbesondere das Wickelverfahren. Typischerweise
werden im folgenden beschriebenen Prozessschritten dabei durchlaufen.
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Als
erstes wird auf einen zylindrischen Kern, beispielsweise aus Aluminium,
eine erste, innere Schicht aufgewickelt. Diese kann entweder aus
harzgetränkten
Fasern in Form eines sogenannten Rovings oder aus Faserhalbzeug,
beispielsweise in Form eines zugeschnittenen Geleges mit geeigneten
einzelnen Faserschichten bestehen. Es könnte auch zunächst eine
Liner- Schicht aus beispielsweise Teflon aufgebracht werden, und auf
diese dann die erste Schicht aus harzgetränkten Fasern aufgebracht werden.
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Auch
werden die Messelektroden in diesem Stadium bereits angebracht.
Auf dieser ersten Schicht werden unter Überdeckung der Messelektroden
einige weitere Schichten aufgewickelt, wobei die Zuleitungen zu
den Messelektroden fixiert werden. Nach dem Einwickeln von Schirmelektroden
wird die Wandung durch einige weitere Schichten aufgedeckt.
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Als
nächstes
werden nun die Teile des Magnetsystems, nämlich der ferromagnetische
Kern und die Erregerspulen, fixiert und anschließend eingewickelt und endgültig befestigt.
Die Erregerspulen 16, 18 werden so angebracht,
dass das Magnetfeld im Rohrinnenraum senkrecht zur Rohrmittelachse 4 und
senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen den Messelektroden 32 verläuft, wie
in 1 durch die Pfeile B angedeutet.
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Bei
dem Magnetsystem kommt es auf eine sehr hohe Positioniergenauigkeit
an, insbesondere auf eine geringe Verdrehung, wenn eine hohe Messgenauigkeit
erreicht werden soll. Bei entsprechend vorsichtigem Wickeln ist
die erreichbare geometrische Präzision
sehr hoch. So kann man eine Verdrehung der Spulen und des Kerns
von weniger als ein Grad begrenzen.
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Nach
einigen weiteren Schichten wird die Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 fixiert
und durch weitere Schichten umwickelt. Das Umwickeln des Magnetsystems 14 und
der Signalvorverarbeitungsbaugruppe 22 geschieht dabei
lokal begrenzt auf den die Messstelle zwei bildenden Abschnitt des
Rohrleitungsstückes 1. In
diesem Abschnitt ist die Rohrleitungswand etwas dicker als im restlichen
Teil des Rohrleitungsstückes.
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Nach
außen
hin kann noch eine Abschirmschicht 34 aus leitfähigem Material,
beispielsweise aus einem Faserhalbzeug aus elektrisch leitfähigem Material
wie z. B. aus leitfähigem
Kohlenstofffasern, aufgewickelt, und diese wieder mit einigen letzten äußeren Schutzschichten
umwickelt werden. Ebenso hätten
zu Anfang des Herstellungsprozesses die Messelektroden 32 auch
aus Stücken
von elektrisch leitfähigen
Kohlestofffasern aufgebaut sein können.
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Die
Transmitterbaugruppe 26 kann bereits vielfältige funktionelle
Untergruppen zur Signalverarbeitung, zur weiteren Filterung, Zwischenspeicherung
und Übertragung – entweder über Buskabel,
dann umfasst sie entsprechende Baugruppen zur Realisierung des jeweils
geforderten Busübertragungsprotokolls,
oder auch zur drahtlosen Übertragung
mittels Radiosender- enthalten.
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Schließlich wird
als letzter Schritt der Kern wieder entfernt, indem er aus dem fertig
ausgehärteten Rohrleitungsstück herausgezogen
wird. Bekannte Techniken wie z. B. das Erwärmen des Kerns können dabei unterstützend angewendet
werden.
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Eine
Variante des Herstellverfahrens besteht darin, dass als Kern ein
zylindrischer Schlauch aus Liner-Material, beispielsweise aus Teflon
oder Thermoplast, verwendet wird. Der Schlauch kann beispielsweise durch
Beaufschlagung von Druckgas in die erforderlich zylindrische Form
gebracht werden. Nach dem Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes
mit allen eingebetteten Komponenten und Teilsystemen auf den Liner
wird der Linerkern dann durch herausziehen wieder entfernt.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
hier nicht dargestellt, bleibt der Liner nach Aufbringen der Faserverbundwerkstoffschichten
im Inneren des Rohrleitungsstückes 1.
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In
der 2 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen magnetischinduktiven
Durchflussmesssystem gezeigt, wobei gleiche oder gleich wirkende
Teile oder Baugruppen die gleichen Bezugsziffern tragen wie in der 1,
jeweils ergänzt
um den Buchstaben A.
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In
der Darstellung der 2 ist das erfindungsgemäße Durchflussmesssystem
im Querschnitt gezeigt. Der Unterschied zu den in der 1 gezeigten
Ausführungsbeispielen
besteht darin, dass in der Ausführungsform
gemäß 2 der
Signalabgriff auf kapazitivem Wege erfolgt. Dazu werden bei der
Herstellung des Rohrleitungsstückes 1a in
einem geringen Abstand von der Rohrinnenfläche kapazitive Elektroden 36 und
nach außen
hin entsprechende Schirmelektroden 38 eingewickelt. Die
Verwendung von Schirmelektroden sowie der grundsätzliche Aufbau eines kapazitiven
Signalaufnahmesystems im Zusammenhang mit einem magnetisch-induktiven
Durchflussmesssystem sind im übrigen
grundsätzlich
bekannt.
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Die 3 zeigt
eine schematische, exemplarische Darstellung einer verfahrenstechnischen
Anlage mit einem Rohrleitungssystem 40, bei dem an vier
Rohrleitungsstücken 42, 44, 46, 48 durch
erfindungsgemäße Durchflussmesseinrichtungen
jeweils Durchflussmessstellen geschaffen wurden. Die Bezugsziffern 42, 44, 46, 48 werden
daher im folgenden auch zur Bezeichnung der Durchflussmessstellen
verwendet.
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Die
schematische, exemplarische Darstellung einer verfahrenstechnischen
Anlage umfasst einen Vorratsbehälter 50,
in dem eine flüssige
Substanz gelagert ist. Durch das Rohrleitungssystem 40 wird
die flüssige Substanz
aus dem Vorratsbehälter 50 in
zwei Reaktoren 52, 54 geleitet. In jedem der Reaktoren
wird die Substanz in unterschiedli che Endprodukte verarbeitet, und
anschließend
in Zwischenlagerbehältern 56, 58 gelagert
und aufbewahrt.
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Das
Rohrleitungssystem 40 umfasst neben den schon erwähnten, die
Messstellen tragenden Rohrleitungsstücken 42, 44, 46, 48 noch
Rohrbögen 60,
T-Stücke 62 sowie
gerade Rohrstücke 64.
Alle verwendeten Teile des Rohrleitungssystems 40 sind
aus Faserverbundwerkstoff gefertigt, da die in der Anlage zu verarbeitende
Substanz besonders korrosiv und chemisch aggressiv ist.
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Die
die Messstellen bildenden Rohrleitungsstücke 42, 44, 46, 48 sind
jeweils wie unter 1 und 2 beschrieben
aufgebaut. Alle das Rohrleitungssystem 40 bildenden Rohrleitungsstücke sind
untereinander an strichliiert angedeuteten Verbindungsstellen 66 durch
bekannte Faserverbundwerkstofftechniken miteinander verbunden.
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Die
Signalleitungen 24, 24', 24'', 24''' der Rohrstücke 42, 44, 46, 48 sind
mit einem Feldbussystem 30 verbunden, an das auch die Prozesssteuer
und Leiteinheit 28a mit darin integriertem Prozessrechner
angeschlossen ist. In der Prozesssteuereinheit 28a erfolgt
die Auswertung und Weiterverarbeitung der aus dem Prozessrohrsystem 40 mittels
der erfindungsgemäßen Durchflussmesseinrichtungen
gelieferten Durchflussdaten, beispielsweise zur Bilanzierung, Qualitätsüberwachung
oder Ähnlichem.
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Aus
der
3 wird deutlich, dass mit dem Aufbau des Prozessrohrleitungssystems
40 sofort
auch die Durchflussmesseinrichtungen aufgebaut und installiert sind,
ohne dass erneut mechanisch in das Rohrleitungssystem eingegriffen
zu werden braucht. Selbstverständlich
ist die in der
3 schematisch und exemplarisch
gezeigte verfahrenstechnische Anlage nur ein Beispiel für die ansonsten
in nahezu allen denkbaren verfahrenstechnischen Anlagen anwendbare
erfindungsgemäße Durchflussmesseinrichtung. Bezugszeichenliste
