DE102010010581A1

DE102010010581A1 - Magnetisch induktiver Durchflussmesser und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102010010581A1
Application number: DE102010010581A
Authority: DE
Inventors: Morten Frost Lorenzen; Soeren Nielsen; Stephen Means
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen magnetisch induktiven Durchflussmesser und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ein Messrohr, mit welchem der Durchflussmesser in eine Rohrleitung einer prozesstechnischen Anlage eingebaut werden kann, weist zwei rohrförmige Endstücke (34, 36) und ein aus zwei Teilen (31, 32) zusammengefügtes Gehäuse zwischen den beiden Endstücken auf. Jedes Gehäuseteil trägt eines der beiden Endstücke. Das Gehäuse und ein elektrisch isolierender Einsatz (1) mit zwei Endabschnitten (2, 3) sind zur einfachen Montierbarkeit derart ausgebildet, dass der Einsatz mit vormontierter Spulen- und Elektrodenanordnung (7...11) zum Zusammenfügen der Gehäuseteile mit seinen beiden rohrförmigen Endabschnitten von der Gehäuseinnenseite her in jeweils ein Endstück des Messrohrs einsetzbar ist. Dadurch wird ein magnetisch induktiver Durchflussmesser geschaffen, der aufgrund seiner Konstruktion günstig herstellbar und insbesondere für Rohrleitungen mit geringem Durchmesser gut geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetisch induktiven Durchflussmesser mit einem Messrohr zum Einbau des Durchflussmessers in eine Rohrleitung, zum Beispiel einer prozesstechnischen Anlage, mit einem elektrisch isolierenden Einsatz als Innenauskleidung in dem Messrohr und mit einer Spulen- und Elektrodenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen magnetisch induktiven Durchflussmessers.
Magnetisch induktive Durchflussmesser nutzen das Faraday'sche Induktionsgesetz zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines durchströmenden Fluids. Ein magnetisches Feld wird senkrecht zu der Strömungsrichtung erzeugt. In diesem Magnetfeld erzeugen Ladungen, die mit dem Fluid transportiert werden, eine Spannung senkrecht zu dem Magnetfeld und zu der Durchflussrichtung, die mit Hilfe von Elektroden abgenommen werden kann. Die so ermittelte Messspannung ist proportional zu einer über den Strömungsquerschnitt bestimmten Strömungsgeschwindigkeit. Derartige Durchflussmesser müssen zur Gewährleistung der Messgenauigkeit unabhängig vom jeweils herrschenden Druck des durchströmenden Fluids weitgehend konstante geometrische Abmessungen beibehalten. Diese Druckfestigkeit wird häufig durch ein Messrohr aus Stahl erreicht, durch welches das Fluid strömt. Andererseits darf dieses Messrohr nicht die elektrischen und magnetischen Felder stören, welche das Fluid im Bereich eines Messabschnitts durchsetzen. Aus diesem Grund werden im Messrohr Auskleidungen oder Einsätze verwendet, die typischerweise aus Keramik oder Kunststoffmaterialien hergestellt werden. Diese erfüllen die Forderungen, elektrisch nichtleitend zu sein und das Magnetfeld kaum zu beeinflussen. Gleichzeitig schützen sie die Metallwand des Messrohrs gegen Korrosion. Dabei haben Einsätze aus einem Kunststoffmaterial den Vorteil, dass sie besonders leicht handhabbar sind.
Aus der WO 2006/097118 A1 und der WO 2006/050744 A1 sind rohrförmige Einsätze für einen magnetisch induktiven Durchflussmesser bekannt, die vollständig außerhalb des Messrohrs vorgefertigt werden können. Bei dem in der WO 2006/097118 A1 beschriebenen Einsatz ist ein Formteil aus einem formstabilen Kunststoff auf Polymerbasis zur mechanischen Verstärkung in ein elektrisch isolierendes, gummiartiges Material eingebettet. Der Einsatz zeichnet sich dabei durch eine dauerhafte Haltbarkeit und geometrische Stabilität aufgrund der mechanischen Verstärkung aus. Durch eine stabile Verbindung zwischen gummiartigem Material und Formteil wird die Formstabilität des rohrförmigen Einsatzes gewährleistet. In der WO 2006/050744 A1 ist als eine alternative mechanische Verstärkung des Einsatzes ein Metallgitter beschrieben, das aus einem oder mehreren Gitterteilen besteht. Diese sind durch Stanzen oder Biegen aus Gitterblech derart vorgefertigt und an im Wesentlichen parallel zur Rohrachse verlaufenden Stoßkanten zusammengeschweißt, so dass ein im Wesentlichen rohrförmiges Metallgitter gebildet ist. Für eine stabile Verbindung zwischen dem gummiartigen, elektrisch isolierenden Material und dem Metallgitter ist dieses in einem Press- oder Gießverfahren derart in das gummiartige Material eingebettet, dass die Öffnungen des Metallgitters durchdrungen und die Innenseite und die Außenseite des rohrförmigen Metallgitters im Wesentlichen von dem gummiartigen Material bedeckt sind. Vorteil der beiden Ausführungsformen des rohrförmigen Einsatzes für einen magnetisch induktiven Durchflussmesser ist sein geringer Herstellungsaufwand. Insbesondere bei magnetisch induktiven Durchflussmessern, die für einen Einbau in eine Rohrleitung mit geringem Innendurchmesser ausgelegt sind, ist jedoch von Nachteil, dass die Montage des Durchflussmessers mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden ist. Zur Montage wird nämlich zunächst ein rohrförmiger Einsatz mit zwei Spulen und den elektrischen Zuleitungen bestückt. Einer von zwei Endabschnitten des Einsatzes, der keine mechanische Verstärkung aufweist, wird zusammengefaltet, so dass er durch den Innenquerschnitt des Messrohrs eingeschoben werden kann. Sobald der bestückte Einsatz vollständig in das Messrohr eingefügt ist, springt der Endabschnitt in seine ursprüngliche Form zurück und der Einsatz wird durch die beiden Endabschnitte, die auf den Außenseiten von Flanschen des Messrohrs anliegen, in seiner Position im Messrohr gehalten. Durch Löcher hindurch, die sich im Messrohr befinden, müssen die Elektroden in dem rohrförmigen Einsatz nach dessen Einsetzen in das Messrohr befestigt werden. Die Hohlräume, die zwischen dem bestückten Einsatz und dem Messrohr verbleiben, werden anschließend durch eine aushärtbare Vergussmasse aufgefüllt, deren vollständige Aushärtung vor weiteren Montageschritten abgewartet werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetisch induktiven Durchflussmesser zu schaffen, der aufgrund seiner Konstruktion günstig herstellbar und insbesondere für Rohrleitungen mit geringem Durchmesser gut geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue magnetisch induktive Durchflussmesser der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen, in Anspruch 6 ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Montagezeit für einen Durchflussmesser gegenüber bekannten Durchflussmessern deutlich verringert wird. Die Spulen- und Elektrodenanordnung wird nämlich nun bereits vollständig auf den rohrförmigen, elektrisch isolierenden Einsatz montiert, bevor dieser in das Messrohr eingebaut wird. Zu diesem Zeitpunkt ist in vorteilhafter Weise der dazu vorgesehene Platz auf dem Einsatz sehr gut zugänglich und die Montage kann daher schneller und auch präziser durchgeführt werden. Auf diese Weise ist eine Montages eines Durchflussmessers in etwa 10 bis 15 Minuten möglich.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Messrohr aus vergleichsweise günstigem Stahl, der nicht zwingend ein Edelstahl sein muss, gefertigt werden kann. Die Herstellung des Messrohrs mit Endabschnitten und Gehäuseteilen sowie mit einem eventuellen Flansch kann in schweiß- oder gießtechnischen Verfahren erfolgen. Die Gehäuseteile können ohne Weiteres in einer Größe angefertigt werden, die an den Raumbedarf der Spulen- und Elektrodenanordnung sowie des elektrisch isolierenden Einsatzes angepasst ist. Dabei können die Endstücke des Messrohrs bezüglich ihres Innendurchmessers genauer auf den Außendurchmesser der Endabschnitte des elektrisch isolierenden Einsatzes abgestimmt werden, da der Einsatz nicht in das komplette Messrohr eingeschoben werden muss, sondern nun die beiden Hälften des Messrohrs von verschiedenen Seiten auf den Einsatz aufgeschoben werden. In vorteilhafter Weise ist es daher nicht mehr erforderlich, beim Einsetzen des elektrisch isolierenden Einsatzes in ein Messrohr auf dem Einsatz eventuell vormontierte Teile durch ein Endstück des Messrohrs hindurchzuschieben.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die erforderliche Druckfestigkeit des Durchflussmessers dadurch erreicht, dass der elektrisch isolierende Einsatz zumindest in dem im Gehäuse befindlichen Abschnitt mit einer mechanischen Verstärkung versehen ist. Aufgrund dieser Maßnahme kann in vielen Fällen auf ein Ausschäumen oder Vergießen des Gehäuseinnenraums nach der Teilemontage verzichtet werden. In den Endabschnitten kann eine geringere mechanische Verstärkung ausreichen, da hier die erforderliche Druckfestigkeit bezüglich Überdruck durch die Endstücke des Messrohrs erreicht wird, deren Innendurchmesser an den Außendurchmesser der Endabschnitte des Einsatzes angepasst werden kann. In diesen Bereichen hat die Verstärkung lediglich die Aufgabe, ein Zusammenfallen des Einsatzes bei hohem Unterdruck zu verhindern. An den Enden eines Einsatzes aus beispielsweise gummiartigem Material angeformte, scheibenförmige Dichtungen besitzen vorzugsweise keine mechanische Verstärkung, damit diese zum Durchschieben des Endabschnitts des Einsatzes durch das jeweilige Endstück des Messrohrs zusammengefaltet werden können.
Eine identische Ausbildung der beiden Gehäuseteile oder der beiden Hälften des Messrohrs wirkt sich vorteilhaft auf den Lagerhaltungs- und Logistikaufwand bei der Herstellung des Durchflussmessers aus, da eine geringere Anzahl verschiedener Teile benötigt wird. Eine identische Ausbildung ist beispielsweise mit einer Fügestelle der beiden Gehäuseteile möglich, die sich in einer senkrecht zur Messrohrachse verlaufenden Ebene in der Gehäusemitte befindet. Diese kann beispielsweise geradlinig oder verzahnt ausgeführt sein. Die mechanisch stabile Verbindung der beiden Gehäuseteile kann beispielsweise als Schweiß-, Rast- oder Pressverbindung hergestellt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse des Messrohrs aufgrund seiner Form und der verwendeten Materialien derart ausgebildet, dass es als magnetischer Rückschluss der Spulenanordnung dient. Das hat den Vorteil, dass innerhalb des Gehäuses kein zusätzliches Joch aus Eisenblechen zur Realisierung des magnetischen Rückschlusses erforderlich ist. Damit kann der Herstellungsaufwand des Durchflussmessers weiter verringert werden.
Der Einsatz kann im Messbereich, also etwa in dem Bereich seiner Länge, der für die Anbringung der Spulen- und Elektrodenanordnung vorgesehen ist, einen runden, rechteckigen oder quadratischen Innenquerschnitt haben. Besonders vorteilhaft ist ein quadratischer Innenquerschnitt, da so ein vergleichsweise homogenes magnetisches Feld erreicht werden kann, das für die Messgenauigkeit günstig ist und Messergebnisse ermöglicht, die weitgehend unabhängig vom Geschwindigkeitsprofil des durch den Einsatz fließenden Mediums sind.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen elektrisch isolierenden Einsatz mit vormontierter Spulen- und Elektrodenanordnung,
2 eine Hälfte eines Messrohrs und
3 einen Messaufnehmer für einen magnetisch induktiven Durchflussmesser.
Ein rohrförmiger, elektrisch isolierender Einsatz 1 besteht gemäß 1 aus einem gummiartigen Material und kann in einen ersten Endabschnitt 2, einen zweiten Endabschnitt 3 und einen dazwischen liegenden Messabschnitt 4 untergliedert werden. An den äußeren Enden der Endabschnitte 2 und 3 sind scheibenförmige Dichtungen 5 bzw. 6 angeformt, welche zur Abdichtung beim Einbau des Durchflussmessers in eine in der Figur nicht dargestellte Rohrleitung dienen. Zur Erzielung einer höheren Druckfestigkeit ist in das gummiartige Material des Einsatzes 1 im Bereich der beiden Endabschnitte 2 und 3 und insbesondere im Messabschnitt 4 ein Metallgitter eingebettet. Dies kann beispielsweise in einer Art ausgeführt sein, wie sie bereits aus der eingangs erwähnten WO 2006/050744 A1 bekannt ist. Im Messabschnitt 4 besitzt der Einsatz 1 einen quadratischen Innenquerschnitt. Eine Spulen- und Elektrodenanordnung ist bereits auf den elektrisch isolierenden Einsatz 1 montiert, bevor dieser in ein Messrohr eingesetzt wird. Die dargestellte Spulenanordnung besteht aus zwei Spulenhaltern 7 und 8, die zur Aufnahme von Spulen 9 bzw. 10 dienen. Zwei Messelektroden und eine Bezugspotentialelektrode bilden die Elektrodenanordnung. In 1 ist von diesen lediglich die eine Messelektrode 11 sichtbar. Die andere Messelektrode befindet sich diametral gegenüber der Messelektrode 11 und damit in der hinteren Wand des rohrförmigen, elektrisch isolierenden Einsatzes 1. Elektrische Anschlussleitungen, die zur Verbindung der Spulen- und Elektrodenanordnung mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung des Durchflussmessers erforderlich sind, wurden in 1 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt.
Zur weiteren Montage des Durchflussmessers wird der in 1 gezeigte Einsatz 1 in ein Messrohr eingebaut, dessen eine Hälfte in 2 dargestellt ist. Die andere Hälfte ist identisch zu dieser ausgeführt. Die eine Hälfte besteht aus einem ersten Gehäuseteil 20, einem ersten rohrförmigen Endstück 21 und einem ersten Flansch 22. Das Gehäuseteil 20 ist im Wesentlichen quaderförmig und an seiner linken Seite 23 offen. An der dieser gegenüber liegenden rechten Seite befindet sich in der Wand mittig eine Durchbrechung, welche dem freien Innenquerschnitt des Endstücks 21 entspricht. Zur festen Verbindung sind das Gehäuseteil 20, das Endstück 21 und der Flansch 22 an den Stoßstellen miteinander verschweißt. Zur Montage eines Aufnehmers für einen Durchflussmesser wird die Dichtung 5 des in 1 gezeigten Einsatzes 1 zusammengefaltet und der erste Endabschnitt 2 mit der Dichtung 5 voran von der Innenseite des Gehäuseteils 20 her in das Endstück 21 soweit eingeschoben, bis die Dichtung 5 an der Außenseite des Flansches 22 heraustritt und sich wieder auffaltet. In entsprechender Weise wird anschließend die Dichtung 6 zusammengefaltet und der zweite Endabschnitt 3 in die oben erwähnte, andere Hälfte des Messrohres eingesetzt.
3 zeigt den Zustand eines Aufnehmers 30 nach Einfügen eines elektrisch isolierenden Einsatzes in zwei Messrohrhälften. Ein erstes Gehäuseteil 31 und ein zweites Gehäuseteil 32 treffen mit ihren offenen Seiten aufeinander und bilden auf diese Weise ein Gehäuse, in welchem die Spulen- und Elektrodenanordnung untergebracht ist. Durch Anbringen einer Schweißnaht 33 werden die Gehäuseteile 31 und 32 anschließend fest miteinander verbunden. Das erste Gehäuseteil 31 trägt ein erstes rohrförmiges Endstück 34 mit einem Flansch 35, das zweite Gehäuseteil 32 ein zweites rohrförmiges Endstück 36 mit einem Flansch 37. An den Außenseiten der Flansche 35 und 37 treten Dichtungen 38 bzw. 39 heraus, die Bestandteile des bereits in das Messrohr des Aufnehmers 30 eingefügten Einsatzes sind. Eine Ansteuer- und Auswerteelektronik, häufig auch als Transmitter bezeichnet, wird an einer Außenseite des Gehäuses des Aufnehmers 30 befestigt und über Leitungsdurchführungen mit der in dem Gehäuse befindlichen Spulen- und Elektrodenanordnung verbunden. Diese Komponenten eines magnetisch induktiven Durchflussmessers sind in 3 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Bei einem Messumformer zur Prozessinstrumentierung ist der Transmitter üblicherweise mit einer Schnittstelle zur Kommunikation in einem Automatisierungsnetzwerk versehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/097118 A1 [0003]
WO 2006/050744 A1 [0003, 0017]

Claims

Magnetisch induktiver Durchflussmesser mit einem Messrohr (31...37) zum Einbau des Durchflussmessers in eine Rohrleitung, mit einem elektrisch isolierenden Einsatz (1) als Innenauskleidung in dem Messrohr und mit einer Spulen- und Elektrodenanordnung (7...11) auf dem elektrisch isolierenden Einsatz, dadurch gekennzeichnet, dass das Messrohr zwei rohrförmige Endstücke (34, 36) und ein aus zwei Teilen (31, 32) zusammengefügtes Gehäuse zwischen den beiden Endstücken aufweist, wobei jedes Teil des Gehäuses eines der beiden Endstücke trägt und wobei das Gehäuse und der Einsatz zur einfachen Montierbarkeit derart ausgebildet sind, dass der Einsatz mit vormontierter Spulen- und Elektrodenanordnung zum Zusammenfügen der Gehäuseteile mit seinen beiden rohrförmigen Endabschnitten (2, 3) von der Gehäuseinnenseite her in jeweils ein Endstück (34, 36) des Messrohrs einsetzbar ist.
Magnetisch induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Einsatz (1) zumindest in dem im Gehäuse befindlichen Abschnitt mit einer mechanischen Verstärkung zur Erzielung der erforderlichen Druckfestigkeit versehen ist.
Magnetisch induktiver Durchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gehäuseteile (31, 32) identisch zueinander ausgebildet sind.
Magnetisch induktiver Durchflussmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als magnetischer Rückschluss der Spulenanordnung (7...10) ausgebildet ist.
Magnetisch induktiver Durchflussmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (1) in einem Messabschnitt (4) einen runden, rechteckigen oder quadratischen freien Innenquerschnitt besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines magnetisch induktiven Durchflussmessers mit einem Messrohr (31...37) zum Einbau des Durchflussmessers in eine Rohrleitung, mit einem elektrisch isolierenden Einsatz (1) als Innenauskleidung des Messrohrs und mit einer Spulen- und Elektrodenanordnung (7...11) auf dem elektrisch isolierenden Einsatz (1), wobei der Einsatz zwei rohrförmige Endabschnitte (2, 3) und das Messrohr zwei rohrförmige Endstücke (34, 36) und ein aus zwei Teilen (31, 32) zusammengefügtes Gehäuse zwischen den beiden Endstücken aufweisen, mit den folgenden Schritten: – Montieren der Spulen- und Elektrodenanordnung auf dem elektrisch isolierenden Einsatz, – Zusammenfügen der Gehäuseteile durch – Einschieben des ersten rohrförmigen Endabschnitts (2) von der Gehäuseinnenseite her in das erste rohrförmige Endstück (34) und – Einschieben des zweiten rohrförmigen Endabschnitts (3) von der Gehäuseinnenseite her in das zweite rohrförmige Endstück (36) und – Verbinden der beiden Gehäuseteile (31, 32).