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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Anbauteiles
an dem Messrohr einer Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung an
wenigstens zwei Verbindungsstellen, gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung
mit einem Messrohr und einem mit diesem an wenigstens zwei Verbindungsstellen
verbundenen Anbauteil, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 8.
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Coriolis-Massendurchflussmesser
mit einem geraden Messrohr umfassen oft parallel zu dem Mesrohr verlaufende
Strukturen, wie beispielsweise Anbauteile, Rahmen, Gehäuse
etc., die an gegenüberliegenden Enden miteinander und/oder
mit dem Messrohr verbunden sind. Da bei Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtungen
Auslenkungen des Messrohres während der Messung bzw. während
eines von Null verschiedenen Durchflusses erzeugt werden, ist an
die Befestigungstechnik des Messrohres und der Anbauteile an dem Messrohr
eine besonders hohe Anforderung hinsichtlich Stabilität,
aber auch hinsichtlich einer energiedissipationsarmen Einbindung
des Messrohres zu stellen.
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Es
sind verschiedene Befestigungs- und Verbindungstechniken zum Befestigen
von Anbauteilen an dem Messrohr eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes
bekannt.
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Eine
relativ einfache Verbindungstechnologie ist die Hartlötverbindung.
Allerdings können durch eine Hartlötverbindung,
die entlang einer Berührungslinie vorgenommen wird, auch
lokal oder in werter ausgedehnten Bereichen mechanische Spannungen
erzeugt und durch den Prozess bzw. nach Abkühlen der Verbindungsstellen
somit eingefroren werden. Dies wirkt sich nachteilig auf das letztendliche
Messgerät aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
dem ein Anbauteil an dem Messrohr einer Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung
an wenigstens zwei Verbindungsstellen im wesentlichen spannungsfrei
befestigt werden kann.
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Die
gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen
Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß also
werden das Messrohr und das Anbauteil in einem einzigen Hartlötprozess gleichzeitig
an den wenigstens zwei Verbindungsstellen miteinander verlötet.
Dadurch können qualitativ hochwertige und spannungsfreie
Lötverbindungen gleichzeitig an allen Verbindungsstellen
hergestellt werden. Es werden keine Spannungen zwischen den verschiedenen
Verbindungsstellen während des Hartlotprozesses aufgebaut.
Denn alle Verbindungsstellen werden gleichförmig erwärmt
und durchfahren denselben Temperaturverlauf, der die verschiedenen
Phasenbildungen in den zu erstellenden Hartlotverbindungen an den
verschiedenen Verbindungsstellen bewirkt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und
weitere Vorteile sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen drei Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher
erläutert und beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
exemplarischen Temperaturverlauf, wie er bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren Anwendung findet,
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2 eine
schematische Anordnung von Messrohr und Anbauteil eines Coriolis-Massendurchflussmessers,
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3 eine
schematische Anordnung einer weiteren Ausführungsform eines
Coriolis-Massendurchflussmessers, welches nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gefertigt ist, sowie
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4 eine
schematische Anordnung einer dritten Ausführungsform eines
Coriolis-Massendurchflussmessers, welches nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren gefertigt ist.
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Es
werde zunächst die 2 betrachtet. 2 zeigt
schematisch ein Messrohr 2, an welchem ein U-förmiges
Anbauteil 4 an zwei Befestigungsstellen 6, 7 nahe
den beiden Endpunkten 9, 11 des Messrohres mit
demselben verbunden ist.
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Bei
den Verbindungen an den Befestigungsstellen 6, 7 handelt
es sich um Flächenverbindungen. Das Anbauteil 4 erstreckt
sich parallel zu dem Messrohr 2. Es muss daher darauf geachtet
werden, dass der Befestigungsprozess keine unerwünschten
axialen Spannungen in das System umfassend das Messrohr 2 und das
Anbauteil 4 einbringt.
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Bei
dem Anbauteil 4 kann es sich auch um ein U-förmiges
Gestell handeln, wobei das Messrohr 2 an beiden Endpunkten
mit demselben zu verbinden ist. Dieses Gestell kann dabei auch das
Gehäuse der Messeinrichtung sein. Hierbei muß das
Verfahren zur Herstellung der Verbindung dafür sorgen,
dass die Einspannung des Messrohres innerhalb des Anbauteils oder
des Gehäuseteiles spannungsfrei erfolgt, was letztendlich in
ein hoch qualitatives und den Anforderungen entsprechendes Messrohr
für eine Coriolis-Durchflussmassenmesseinrichtung resultiert.
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Um
die geforderte qualitativ hochwertige Verbindung unter Vermeidung
axialer Spannung zu erreichen, werden die Verbindungen an allen
Befestigungsstellen in einem einzigen Hartlötprozess gemeinsam
und gleichzeitig hergestellt.
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Dazu
wird die gesamte Anordnung von Teilen, die zu verlöten
sind, in einem entsprechend diese umgebenden Ofen gleichmäßig
erwärmt, und bei der Erwärmung wird eine Temperaturkurve
in nur einem einzigen zusammenhängenden temperaturgeregelten
Prozess durchfahren. Hierbei wird der Temperaturkurvenverlauf, das
heißt die schrittweise Erwärmung und ggf. Verharrung
auf bestimmten Temperaturplateaus, fortlaufend, in einem einzigen,
also ununterbrochenen temperaturgeregelten Prozess durchfahren.
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Dies
hat den Vorteil, dass keine Spannungen während des Hartlötprozesses
aufgebaut werden. Alle Teile, die miteinander verbunden werden sollen,
werden gleichförmig erwärmt und durchfahren einen
Temperaturverlauf, der die verschiedenen Phasenbildungen in der
zu erstellenden Hartlotverbindung bewirkt. Die Hartlotsubstanzen
werden zuvor an den Verbindungsstellen eingebracht.
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Zur
Herstellung einer guten Hartlotverbindung ist es dabei wichtig,
die Teile so aneinander zu bringen, und ggf. zu halten bzw. zu fixieren,
dass ein sehr kleiner und konstant breiter Lötspalt entsteht,
dessen Breite sehr klein, beispielsweise < 0,1 mm ist. Das Lotmaterial kann beispielsweise
als Ring in den Lötspalt eingebracht werden, gegebenenfalls
zusammen mit einer die Benetzung der zu verbindenen Flächen
fördernden Folie. Dies induziert natürlich die
Anforderung exakter Fabrikationsparameter bei der Herstellung der
Teile.
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Die
zu verbindenden Teile werden über eine entsprechende Vorrichtung
in ihrer Sollposition zueinander gehalten, noch bevor die gesamte
Anordnung der zu verbindenden Teile in den Ofen eingebracht wird,
und auch noch während des Lötprozesses selbst.
Die Haltevorrichtung ist vorteilhafterweise aus demselben Material
wie das Messrohr, damit eine Angleichung im thermischen Ausdehnungskoeffizienten
besteht. Nach Abschluss des Lötprozesses wird die Haltevorrichtung
wieder entfernt, da sie dann nicht mehr benötigt wird.
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Eine
alternative Befestigungsmöglichkeit ist das Fixieren durch
einzelne Schweißpunkte, wobei sehr vorsichtig vorgegangen
und die Schweißpunkte symmetrisch zum Meßrohr
gesetzt werden müssen, um mechanische Spannungen aufgrund
des Schweißens zu vermeiden.
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Auch
das Anklemmen des Anbauteils mittels einer entsprechenden Formgebung
ist denkbar, etwa indem das Anbauteil mit Bohrungen im Bereich der
Befestigungsstellen versehen ist und das Anbauteil mit diesen Bohrungen über
das Messrohr geschoben wird, so dass es dort durch Presspassung
gehalten ist.
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Das
Temperatur-Zeit-Profil des Lötprozesses muß sehr
gut geregelt werden. Die zu verbindenden Teile, das Messrohr 2 und
das parallel zum Messrohr 2 verlaufende Anbauteil 4,
haben ein unterschiedliches Verhältnis von Oberfläche
zu Volumen, wodurch unterschiedliche Wärmeausdehnungen
und Ausdehnungsgeschwindigkeiten bezogen auf die Wärmestrahlung
innerhalb des Ofens resultieren. Dies zu verhindern ist wichtig,
da ansonsten axiale Spannungen erzeugt werden, die in eine plastische
Deformation münden können. Außerdem beeinflussen
axiale Spannungen das Schwingungsverhalten des messrohres negativ,
wie bereits erwähnt wurde.
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Aus
diesem Grund müssen die Temperaturrampen langsam angefahren
werden, um diese unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zu berücksichtigen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform bestehen dabei das
Messrohr und das Anbauteil aus demselben Materiel, beispielsweise
aus Titan oder aus Edelstahl. Das hat den Vorteil, dass keine materialspezifischen Unterschiede
im thermischen Ausdehnungsverhalten vorliegen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden für
das Messrohr und das Anbauteil Materialien gewählt, deren
thermische Ausdehnungskoeffizienten zumindest bis zum Erreichen
der Löttemperatur ähnlich sind, so dass dadurch
materialspezifische Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten
minimiert sind.
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In
der 2 ist schematisch ein typisches Temperatur-Zeit-Profil
gezeigt, wie es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
angewendet werden kann.
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In
einem ersten Abschnitt 14 erfolgt eine langsame Erwärmung,
gefolgt von einer Zone 16 mit stärkerer Steigung
bis zu einem ersten Plateau 18 der Temperatur. Nach einer
kurzen Verweilzeit auf dem ersten Plateau 18 wird ein etwas
darüberliegendes zweites Plateau 20 erreicht,
welches ebenfalls für kurze Zeit gehalten wird. Daran anschließend
erfolgt eine geregelte, relativ schnelle Abkühlrampe 22,
gefolgt von einer Zone 24 langsamerer Abkühlung
auf Raumtemperatur. Die Steigungen in den einzelnen Zonen, die Verharrungspunkte,
und auch die Punkte unterschiedlicher Temperaturgradienten sind
für jede Materialkombination durch Standardversuche zu
ermitteln. Die Durchführung und Auswertung solcher Versuche
ist dem Fachmann bekannt. Im Wesentlichen ist hier aber der schlüssige
Prozess von Erwärmung bis zur Abkühlung zu realisieren.
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Die
Hartlötung an allen Befestigungsstellen kann dabei in diesem
einzigen Verfahrensprozess realisiert werden. Das heißt,
hierbei sind keine verschiedenen Hartlötschritte mehr vorzunehmen,
sondern die Hartlötverbindungen können in einem
einzigen Temperaturprozess erstellt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform kann auch das Anbauteil
selbst aus mehreren Teil-Anbauteilen zusammengesetzt sein. Diese
werden dann ebenfalls durch hartlötverbindungen miteinander
Verbunden, und zwar in demselben Lötprozess, in dem das
Anbauteil an dem Messrohr verlötet wird. Es wird somit
gewissermaßen das Anbauteil erst während des Lötprozesses,
der das Anbauteil mit dem Messrohr verbindet, zu einem einstückigen
Anbauteil zusam mengesetzt. Die einzelnen Teil-Anbauteile selbst
werden dabei vor Beginn des Lötprozesses in der erforderlichen
gegenseitigen Lage zueinander fixiert, wobei dieselben Mittel und
Methoden angewendet werden können, wie sie bereits zur
gegenseitigen Fixierung mehrerer Anbauteile an dem Messrohr oben
beschrieben worden sind.
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Damit
ist sowohl das Herstellverfahren eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes,
welches mehrere Befestigungsstellen, an denen ein Anbauteil oder
auch mehrere Anbauteile an dem Messrohr mittels insgesamt mehrerer
Hartlotverbindungen befestigt sind, umfasst, vereinfacht, als auch
der geforderten Spannungsfreiheit der Hartlotverbindungen und der
Vermeidung von axialen Spannungen zwischen dem Messrohr 2 und
dem parallel zum Messrohr sich erstreckenden Anbautei 4 ist
Genüge getan.
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Die
auf diese Weise hergestellten Hartlötverbindungen sind
weitgehend defektfrei und frei von Einschlüssen oder Hohlräumen
im Bereich der Befestigungsstellen. Sie sind weiterhin auch unter
belastung durch die bei Betrieb der Massendurchflussmesseinrichtung
auftretenden Vibrationen langzeitstabil, d. h., ihre Eigenschaften ändern
sich nicht mit der Zeit. Die auf diese Weise hergestellten Hartlötverbindungen
degradieren auch nicht bei höheren betriebstemperaturen,
welche bis zu 150°C oder sogar noch höher betragen
können.
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Die
erfindungsgemäß hergestellten Hartlötverbindungen übertragen
Transversalkräfte, die das Anbauteil auf das Messrohr ausüben
kann, und ebenso Drehmomente, die aufgrund von Torsionsbewegungen des
Anbauteils entstehen, und axiale Kräfte aufgrund von thermischen
Ausdehnungen.
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Es
werde nun die
3 betrachtet. Dort ist eine
weitere Ausführungsform einer Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung
30 schematisch
dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht bezüglich
des grundsätzlichen Aufbaus und der Funktionsweise dem
Coriolis-Massendurchflussmessgerät gemäß der
DE 10 2005 042 677
A1 , auf die hier insofern ausdrücklich Bezug genommen
wird.
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Nahe
den beiden Endbereichen 39, 41 des Messrohres 32 sind
an dem Messrohr 32 metallische, steife Endplatten 34, 36 angebracht.
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An
dem Messrohr 32 sind im Bereich zwischen den beiden Endpunkten 39, 41 Sensoren 38, 40 zur Aufnahme
der Schwingungen des Messrohres 32 angebracht.
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Mit
den Endplatten sind zwei, im Wesentlichen parallel zum Messrohr
verlaufende, längserstreckte Verbindungsteile 44, 46 verbunden.
Zwischen den Endplatten 34, 36 verlaufen sie frei,
so dass sie im Bereich zwischen den Befestigungsstellen beziehungsweise
Verbindungsstellen 48, 50, 52, 54 frei
schwingen können.
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An
dem Messrohr 32 sind weiterhin zwei Auslegermassen 64, 66 an
Verbindungsstellen 68,70 fixiert. Sie weisen jeweils
eine Mittelbohrung 72,74 auf, durch die das Verbindungsteil 46 hindurchgeführt
ist, wobei der lichte Innendurchmesser der Mittelbohrungen 72, 74 größer
ist als der Außendurchmesser des Verbindungsteils 46.
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Zur
Erklärung der Funktion und Wirkungsweise der einzelnen
Elemente des Coriolis-Massendurchflussmessgerätes
30 gemäß
1,
auch in ihrem Zusammenwirken, sei auf die bereits erwähnte
DE 10 2005 042 677
A1 verwiesen.
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Bei
der Montage werden alle mit dem Messrohr 32 zu verbindenden
Anbauteile, nämlich die Endplatten 34, 36,
die Verbindungsteile 44, 46, die Sensoren 38, 40,
die Auslegermassen 64, 66 in einem einzigen Hartlötprozess
in einem Vakuumofen miteinander verbunden.
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Dabei
werden vor Beginn des Hartlötprozesses die genannten Anbauteile
an ihren jeweiligen Verbindungsstellen mit dem Messrohr, bezeichnet
durch die Bezugsziffern 48, 50, 52, 54, 56, 58, 68, 70 in
ihrer Verbindungssollposition fixiert. Dies kann unter Zuhilfenahme
von entsprechenden Hilfs- beziehungsweise Haltevorrichtungen oder
durch Punktschweissen, Schrauben, kleben etc. geschehen.
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Die
Baueinheit, welche aus in solcher Art präzise gegeneinander
ausgerichteten Baueinheiten zusammengesetzt ist, wird als Ganzes
in einen Vakuum-Lötofen eingeschoben, und alle Verbindungsstellen
werden gleichzeitig verlötet.
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Die 4 zeigt
das Coriolis-Massendurchflussmessgerät 30 nach 3,
bei dem noch ein Gehäuse 76 in Form einer das
Gerät umhüllenden Röhre mit den Endplatten 36, 37 an
zusätzlichen, ringförmigen Verbindungsstellen 78 verbunden
ist. Das Gehäuse 76 ist in demselben Hartlöt-Vorgang
zusammen mit allen anderen Anbauteilen, wie in der 3 gezeigt,
mit dem Messrohr und mit den Endplatten 34, 36 verbunden.
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Auf
diese Weise ist eine sehr effiziente Fertigung eines Coriolis-Massendurchflussmessgerätes
möglich. Die Vielzahl von Anbauteilen an das Messrohr werden
bei dem erfindungsgemäßem Verfahren in einem einzigen
Arbeitsgang fest verbunden, und die Verbindung geschieht auf eine
Art, dass thermische Spannungen vermieden sind. Bei allen bisher
im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung von Coriolis-Massendurchflussmessgeräten
müssen die einzelnen Anbauteile jeweils separat befestigt
werden, was erstens länger dauert und auch die präzise
geometrische Ausrichtung der Anbauteile, welche für eine
präzise und zuverlässige Funktion des Gerätes
unerlässlich ist, erschwert. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren hingegen erfolgt die präzise geometrische Ausrichtung
aller Anbauteile nur einmal, und im Anschluss werden alle miteinander
ausgerichteten Anbauteile in einem einzigen Hartlötprozess
fest mit dem Messrohr und miteinander verbunden.
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Das
beschriebene Verfahren ist selbstverständlich nicht in
seiner Anwendung beschränkt auf die in den Ausführungsbeispielen
gezeigten Ausführungsvarianten, sondern kann für
alle denkbaren Ausführungsvarianten von Coriolis-Massendurchflussmessgeräten
angewendet werden. Bezugszeichenliste
| 2 | Messrohr |
| 4 | U-förmiges
Anbauteil |
| 6 | Befestigungsstelle |
| 7 | Befestigungsstelle |
| 9 | Endpunkt
des Messrohres |
| 11 | Endpunkt
des Messrohres |
| 14 | Erster
Abschnitt des T-Zeit-Profils |
| 16 | Zone
mit stärkerer Steigung |
| 18 | Erstes
Plateau |
| 20 | Zweites
Plateau |
| 22 | Erste
Abkühlrampe |
| 24 | Zone
langsamerer Abkühlung |
| 30 | Coriolis-Massendurchflussmesseinrichtung |
| 32 | Messrohr |
| 34 | Endplatte |
| 36 | Endplatte |
| 38 | Sensor |
| 39 | Endpunkt
des Messrohres |
| 40 | Sensor |
| 41 | Endpunkt
des Messrohres |
| 44 | Längserstrecktes
Verbindungsteil |
| 46 | Längserstrecktes
Verbindungsteil |
| 48 | Befestigungsstelle |
| 50 | Befestigungsstelle |
| 52 | Befestigungsstelle |
| 54 | Befestigungsstelle |
| 56 | Verbindungsstelle |
| 58 | Verbindungsstelle |
| 64 | Auslegermasse |
| 66 | Auslegermasse |
| 68 | Verbindungsstelle |
| 70 | Verbindungsstelle |
| 72 | Mittelbohrung |
| 74 | Mittelbohrung |
| 76 | Gehäuse |
| 78 | Verbindungsstelle |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005042677
A1 [0036, 0041]