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Die
Erfindung betrifft einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser
mit einem Messrohr aus Metall, das 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 eine im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung
des zu messenden leitfähigen
Strömungsmediums
ausgerichtetes Magnetfeld erzeugt und wobei das Messrohr innen mit
einer elektrischen Isolierschicht versehen ist.
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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.
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Die
physikalische Grundlage des Messverfahrens eines magnetisch-induktiven
Durchflussmesser ist das Faraday'sche
Induktionsgesetz. 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
zusätzlich
auch dessen Massenstrom ermitteln.
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Aus
der WO 93/09403 geht ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät der gattungsgemäßen Art
hervor. Dessen aus zwei einander gegenüberliegend in ein Messrohr
aus Metall isoliert eingelassenen Messelektroden wirken mit einer
Magnetspulenanordnung zusammen, welche das erforderlich Magnetfeld
senkrecht zur Strömungsrichtung in
dem Messrohr erzeugt. Innerhalb dieses Magnetfeldes liefert jedes
sich durch das Magnetfeld hindurchbewegende 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, welche
nachfolgend die Signalverarbeitung des Messwerts ausführt.
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Das
aus Metall bestehende Messrohr des magnetisch-induktiven Durchflussmessers
ist elektrisch leitfähig
und daher mit einer aus einem nicht-leitfähigen Material innen ausgekleidet,
damit das Messprinzip funktioniert. Denn damit wird sichergestellt,
dass das Strömungsmedium
nicht in Kontakt kommt mit dem elektrisch leitfähigen Messrohr, welches gewöhnlich Erdpotential
besitzt, sondern in Kontakt kommt mit der Isolierschicht, aus welcher
die messstoffberührenden
Messelektroden hervortreten, so dass diese in Kontakt mit dem Strömungsmedium kommen
können.
Die Isolierschicht ist bei diesem Stand der Technik nach Art eines
sogenannten Liners, also eines im Grundzustand rohrförmigen Körpers ausgebildet,
welcher in das Messrohr eingezogen wird und anschließend im
Flanschbereich zur Bildung eines Randes nach außen gebogen wird, worüber die
Befestigung des Liners am metallischen Messrohr erfolgt. Der Liner
ist weiterhin über
die Messelektroden im Mittebereich des Messrohres hieran befestigt.
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Neben
der elektrisch nicht-leitenden Eigenschaft der Isolierschicht unterliegt
die Materialauswahl auch anderen Randbedingungen. So ist auch darauf
zu achten, dass die Isolierschicht gegenüber dem Strömungsmedium chemisch und mechanisch beständig ist.
In allgemein bekannter Weise werden Isolierschichten aus Fluorkunststoffen
oder Gummierungen eingesetzt, welche chemische Beständigkeit im
Hinblick auf viele chemisch aggressive Strömungsmedien besitzen. Weist
das Strömungsmedium
jedoch Anteile an Feststoffen in Form von festen körnigen Bestandteilen
auf, wie beispielsweise beim Stoffauflauf in der Papierverarbeitung,
so ist die Standzeit üblicher
Materialien für
die Isolierschicht aufgrund der abrasiven Eigenschaften der Feststoffanteile
im Strömungsmedium
ungenügend.
Für diese Einsatzfälle haben
sich Messrohre aus Keramik bewährt.
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Aus
der
DE 32 44 473 A1 geht
ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr aus
Stahl hervor, dessen Isolierschicht aus einem eingeschobenen Keramikrohr
besteht. Das Keramikrohr ist hier mit Haltestücken verdrehsicher im umgebenden
Messrohr aus Stahl verkeilt. Die Zuleitungen der Messelektroden
werden nicht wie bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik
durch die Isolierschicht hindurchgeführt, sondern innen im Keramikrohr
verlegt und endseitig des Messrohres lediglich durch die Wandung
desselben hindurchgeführt.
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Ein
Nachteil dieser technischen Lösung
ist, dass sich die Gestaltung des Durchflussmessers im Aufbau erheblich
von den in Serienproduktionen angebotenen Standards unterscheidet,
was eine entsprechend hohe Variantenvielfalt verursacht. Zusätzlich ist
die Zulassung eines Messrohres mit einem bisher bekannten abrasionsbeständigen Keramikmaterial
im Hinblick auf gesetzliche Richtlinien und Standards nicht eindeutig
definiert, so dass ein erhöhter Aufwand
für eine
technische Zulassung derartiger Durchflussmesser besteht.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen magnetisch-induktiven
Durchflussmesser mit einem Messrohr aus Metall zu schaffen, der
sich durch eine fertigungstechnisch einfach umzusetzende abrasionsbeständige elektrische
Isolierschicht auszeichnet.
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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.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die elektrische Isolierschicht eines
Messrohrs aus Metall aus einem abrasionsbeständigen Verbundstoff hergestellt
ist, der aus einem mit einem Polymerbinder kombinierten, elektrisch
nicht-leitfähigen
harten Pulverwerkstoff besteht.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäße Lösung liegt
insbesondere darin, dass sich die erfindungsgemäße Isolierschicht in einfacher
Weise auf die Innenoberfläche
des Messrohres auftragen lässt,
so dass die fertigungstechnische Umsetzung des Erfindungsgegenstandes
recht einfach ist. Denn die elektrische Isolierschicht kann durch
Aufsprühen
oder Aufspritzen auf die Innenwandung des Messrohres dort appliziert
werden. Durch anschließende
Kaltaushärtung
werden Materialspannungen sowie Werkstückverzug verhindert. Die erfindungsgemäße Lösung verbindet
die Vorteile einer Keramikrohr-Auskleidung als Isolierschicht mit
den Vorteilen einer Kunststoff-Isolierschicht. Insoweit sorgt der
Pulverwerkstoff für
eine extrem harte Oberfläche,
die dank des Polymerbinders nicht derart mechanisch spröde ist,
wie ein Keramikrohr. Der Verbundwerkstoff zeichnet sich durch eine
besonders hohe Zähigkeit
aus, da dieser hochelastisch aber trotzdem abrasionsfest ist. Somit
ermöglicht
die erfindungsgemäße Lösung, dass
die Vorteile eines Keramikrohres zur Auskleidung des Messrohres
erhalten bleiben, jedoch dessen Sprödigkeit durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
beseitigt wird.
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Als
Polymerbinder für
den Pulverwerkstoff eignet sich insbesondere ein Harzbinder, welcher
die gewünschten
Materialeigenschaften für
eine Kaltaushärtung
mit sich bringt. Durch diesen speziellen Polymerbinder wird ein
besonders enges Packen des die Abrasionsfestigkeit herbeiführenden
harten Pulverwerkstoffs erzielt. Dies führt zu einem glatten aber dennoch
extrem beständigen
Verbundwerkstoff, der sogar in relativ dünnen Schichten aufgebracht
werden kann. Diese Eigenschaft macht den Verbundwerkstoff besonders
geeignet zum Einsatz als elektrische Isolierschicht für Messrohre
von magnetisch-induktiven Durchflussmessern. Denn es kann auf gewöhnliche
Messrohre zurückgegriffen
werden, welche anstelle der ansonsten üblichen elektrischen Isolierschichten
aus Kunststoff mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff beschichtet
werden.
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Als
Pulverwerkstoff innerhalb des Verbundwerkstoffs eignet sich vornehmlich
ein pulverisierter bis feinst granulatförmiger Stoff, ausgewählt aus
einer Gruppe, enthaltend Keramik, Glas oder Stein. All diese hier
als bevorzugte geltenden Stoffe besitzen zum Einen die gewünschte Härte, um
dem Verbundwerkstoff die gewünschte
Abrasionsbeständigkeit
zu verleihen, zum Anderen lassen sich diese Stoffe auch auf einfache
Weise in die gewünschte
Korngröße bringen
und sind – da
Massenware – in
einfacher Weise am Markt beziehbar.
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Als
metallisches Messrohr eignet sich für den Erfindungsgegenstand
insbesondere ein Rohr aus eine nicht-rostenden Stahl, ausgewählt aus
der Gruppe der Edelstähle.
Versuche haben ergeben, dass die erfindungsgemäße abrasionsbeständige Isolierschicht überdurchschnittlicher
Hafteigenschaften an einem Messrohr aus Stahl besitzt, so dass diese
Werkstoffpaarung eine unter normalen Betriebsbedingungen auf Dauer
unlösbare
Verbindung eingeht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform schließt die erfindungsgemäße Isolierschicht
bündig mit
den beiden Enden des Messrohres ab. Nach dem Aufspritzen des Verbundwerkstoffs
und vor dem Kaltaushärten
lässt sich
der überstehende
Werkstoff auf dem Niveau der beidseitigen Flanschscheiben an den
Messrohrenden in einfacher Weise abziehen, was den Fertigungsaufwand
minimal hält.
Ist das Messrohr über
endseitige Flanschabschnitte ausgestattet, über welche das Messrohr in
das Rohrleitungssystem mittels Verschraubungen eingesetzt ist, so
ist es alternativ hierzu jedoch auch denkbar, die Isolierschicht
zumindest teilweise über
den Dichtbereich der Flanschabschnitte verlaufen zu lassen. Hierdurch
kann eine noch festere Verbindung relativ zum Messrohr erzielt werden.
Weiterhin kann der Verbundwerkstoff, je nach Art und Menge des eingesetzten
Pulverwerkstoffs mit Polymerbinder gleichzeitig auch Dichtungseigenschaften
mit übernehmen, so
dass unter Umständen
ein separater, flanschseitiger Dichtring entfallen kann.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass über die Isolierschicht
die messstoffberührenden
Messelektroden mit in das Messrohr eingedichtet werden, um eine
elektrische Isolation gegenüber
dem Messrohr mit gleichzeitig fester Verbindung am Messrohr zu realisieren.
Somit können
zusätzliche
Isoliermaßnahmen
oder Befestigungsmaßnahmen
für die
Messelektroden am Messrohr entfallen, was den fertigungstechnischen
Aufwand entsprechend senkt.
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Um
durch das erfindungsgemäße Messrohr keinerlei
Strömungsverluste
durch Querschnittsverengungen zu erzeugen, wird vorgeschlagen, dass der
Innendurchmesser des Messrohres inklusive Isolierschicht, dem Innendurchmesser
des Rohrleitungssystem entspricht. Wie bereits vorstehend ausgeführt, reicht
eine relativ dünnwandige
Isolierschicht mit dem abrasionsbeständigen Verbundwerkstoff aus,
um dem Messrohr die gewünschten
Eigenschaften zu verleihen. Somit lässt sich die erfindungsgemäß Isolierschicht
in einfacher Weise an Stelle von anderen, gebräuchlichen Isolierschichten
in Messrohren gleicher geometrischer Abmessungen applizieren, was
insbesondere einer effizienten Serienfertigung zu Gute kommt.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zweier bevorzugter
Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
dargestellt. Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einer elektrisch
isolierenden, abrasionsbeständigen
Isolierschicht nach einer ersten Ausführungsform, und
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2 einen
Längsschnitt
durch einen magnetisch-induktiven Durchflussmesser mit einer elektrisch
isolierenden, abrasionsbeständigen
Isolierschicht nach einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß 1 ist
das Messrohr 1 eines magnetisch-induktiven Durchflussmessers
in ein Rohrleitungssystem 2 eingesetzt, welches im weiteren
Verlauf nicht weiter dargestellt ist. Das Messrohr 1 ist
mit dem Rohrleitungssystem 2 über endseitige Flanschabschnitte 3a, 3b mittels
hier durch Strichlinien angedeutete Verschraubungen in das Rohrleitungssystem 2 eingesetzt.
Außen
am Messrohr 1 ist eine Magneteinheit 4 angeordnet,
welche senkrecht zur Fließrichtung
eines das Messrohr 1 durchfließenden Messmediums 5 ein
Magnetfeld erzeugt. Weiterhin sind zwei einander gegenüberliegend
in die Wandung des Messrohres 1 elektrisch isoliert eingesetzte Messelektroden 6 vorgesehen,
von welchen hier nur eine ersichtlich ist. Das Paar an Messelektroden 6 dient
der Erfassung der in das Strömungsmedium 5 aufgrund
des Magnetfeldes induzierten Messspannung, welche anschließend signaltechnisch
weiterverarbeitet wird, um hieraus den Volumenstrom oder Massestrom
zu bestimmen.
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Das
Messrohr 1 ist innen mit einer elektrischen Isolierschicht 7 versehen,
welche erfindungsgemäß aus einem
abrasionsbeständigen
Verbundwerkstoff besteht, bei der aus einem mit einem Polymerbinder
kombinierten, elektrisch nicht-leitfähigen harten Pulverwerkstoff
hergestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kommt als Pulverwerkstoff pulverisiertes Keramik zum Einsatz, welches
mit einem Harzbinder vermischt ist. Dieses Gemisch wird auf die
Innenwandung des aus Edelstahl bestehenden Messrohres 1 aufgespritzt.
Die Verfestigung der so applizierten elektrischen Isolierschicht 7 erfolgt
durch Kaltaushärtung.
Die Dicke der Isolierschicht 7 ist derart bemessen, dass
der Innendurchmesser des Messrohres 1 inklusive der Isolierschicht 7 dem
Innendurchmesser das sich anschließenden Rohrleitungssystems 2 entspricht.
Mit dem Aufbringen der Isolierschicht 7 in das Messrohr 1 werden
die Messelektroden 6 mit eingedichtet, so dass eine zusätzliche
Befestigungs- und Isoliermaßnahme
nicht erforderlich ist. Die Isolierschicht 7 schließt weiterhin
bündig
mit den beiden Enden des Messrohres 1 ab, was durch Abziehen überstehenden
noch pasteusen Verbundwerkstoffs während der Herstellung erzielt
wird.
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Bei
der 2 verläuft
die Isolierschicht 7' im Gegensatz
zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel auch über den
Dichtbereich der Flanschabschnitte 3a und 3b,
so dass die Isolierschicht 7' in
diesem Bereich auch Dichtungsfunktionen wahrnimmt. Auch hier ist
das Messrohr 1 über die
Flanschabschnitte 3a und 3b mittels Verschraubung
in das Rohrleitungssystem 2 eingesetzt. Ansonsten entspricht
Aufbau und Funktion dieses Ausführungsbeispiels
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf die vorstehend beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele.
So ist es beispielsweise auch denkbar, dass das Messrohr 1 ohne
beidseitige Flanschabschnitte 3a und 3b auszubilden
und dieses beispielsweise über
einen Rohrverbinder in ein Rohrleitungssystem 2 einzusetzen.
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- 1
- Messrohr
- 2
- Rohrleitungssystem
- 3
- Flanschabschnitt
- 4
- Magneteinheit
- 5
- Strömungsmedium
- 6
- Messelektroden
- 7
- Isolierschicht