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Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät zur Bestimmung der Durchflussrate eines durch ein Messrohr hindurchströmenden Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetisch induktive Durchflussmesser sind bereits seit langem bekannt und basieren auf dem Prinzip der Trennung von geladenen bewegten Teilchen in einem Magnetfeld. So verfügt ein magnetisch induktiver Durchflussmesser über ein Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung des zu messenden Fluids. Die im Fluid enthaltenen geladenen Teilchen werden durch das angelegte Magnetfeld senkrecht zum Magnetfeld abgelenkt und getrennt. Mithilfe von zwei senkrecht zum Magnetfeld angeordneten Messwertaufnehmern lässt sich eine durch die getrennten, geladenen Teilchen hervorgerufene Spannung abgreifen. Die abgegriffene Spannung ist ein Maß für den Durchfluss.
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Man unterscheidet hierbei einen galvanischen und einen kapazitiven Signalabgriff. Bei Messwertaufnehmern für einen galvanischen Signalabgriff steht die Elektrode des Messwertaufnehmers in direktem Kontakt mit dem Fluid. Dies hat zur Folge, dass die Elektrode Verschmutzungen und Beschädigungen ausgesetzt ist. So können beispielsweise Sand oder Rostpartikel, die in einem Fluid wie Wasser enthalten sind, die Elektrodenoberfläche beschmutzen bzw. beschädigen.
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Aus diesem Grund wurde in der
WO85/04954 A1 vorgeschlagen, eine Kappe aus einem porösen keramischen Werkstoff, aus Glas oder aus porösem Kunststoff auf der Oberfläche der Messelektrode anzuordnen, so dass zwar das zu messende Fluid bis zur Elektrode vordringen kann, die in einem Fluid enthaltenen Partikel jedoch von der Kappe zurückgehalten werden.
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Solche Messwertaufnehmer mit einer Kappe auf der Oberfläche der Elektrode liefern in einem magnetisch induktiven Durchflussmesser insbesondere bei geringen zu messenden Durchraten ungenaue, nämlich zu geringe Messwerte. So zeigen magnetisch induktive Durchflussmesser mit der genannten Art von Messwertaufnehmern häufig keinen Durchfluss eines Fluids wie etwa Wasser an, obwohl bereits ein geringer Durchfluss des Fluids vorhanden ist. Weiterhin wurde festgestellt, dass die in dem Fluid enthaltenen Partikel beim Auftreffen auf die Elektrode starkes Rauschen an der Elektrode verursachen. Das Messsignal an der Elektrode wird durch die vorgesetzte Kappe somit deutlich verringert, was wiederum zu einem kleineren, d. h. schlechterem Signal/Rauschverhältnis führt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes, magnetisch induktives Durchflussmessgerät zur Bestimmung des Durchflusses eines durch ein Messrohr hindurchströmenden Fluids bereitzustellen, bei welchem das Messsignal ein großes, d. h. gutes Signal/Rauschverhältnis aufweist, welches eine lange Lebensdauer aufweist und welches kostengünstig herzustellen ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass wie in 1 dargestellt eine Elektrode 10, die in ein leitfähiges Fluid 12 getaucht ist, an ihrer Oberfläche 14 eine Doppelladungsschicht bzw. eine Helmholtzschicht 16 ausbildet. Hierbei lagern sich Elektronen im Inneren der Elektrode im Bereich der Oberfläche 14 der Elektrode 10 ab und ziehen zur Kompensation ihrer Ladung Kationen aus dem Fluid 12 an die Elektrode 10, so dass sich ein elektrisches Potential 18 zwischen Elektrode 10 und Fluid 12 ausbildet. Die Doppelladungsschicht 16 wirkt somit wie ein Kondensator und die Doppelladungskapazität Cs der Doppelladungsschicht beeinflusst die Rauschamplitude des Messsignals an der Elektrode.
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Magnetisch induktive Durchflussmesser werden in der Regel mit wechselnden Magnetfeldrichtungen betrieben.
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Es wurde festgestellt, dass eine Vergrößerung eines Fluidkontaktabschnitts eines Messwertaufnehmers, d. h. eines Bereichs, in dem ein Messwertaufnehmer, insbesondere ein Elektrodenkopf mit dem Fluid in direktem Kontakt steht, im Vergleich zu herkömmlichen Messwertaufnehmern eine Verringerung des Rauschanteils zur Folge hat und auf diese Weise das Signal/Rauschverhältnis erhöht werden kann. Mit anderen Worten sind mit Hilfe dieser Maßnahme die Messsignale eines Messwertaufnehmers im Vergleich zum Rauschen deutlich erhöht.
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6 zeigt die Doppelladungskapazität Cs als Funktion der Frequenz des angelegten Wechselfeldes. Die Kurve a gibt die Messwerte der Doppelladungskapazität Cs eines herkömmlichen Messwertaufnehmers wie in 2 dargestellt an. In der Kurve b sind die Messwerte der Doppelladungskapazität Cs eines Messwertaufnehmers mit vergrößertem Fluidkontaktabschnitt dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, ist insbesondere bei geringen Frequenzen die Doppelladungskapazität Cs bei einem Messwertaufnehmer mit vergrößertem Fluidkontaktabschnitt höher als bei herkömmlichen Messwertaufnehmern. Insbesondere bei niedrigen Frequenzen ist das Signal/Rauschverhältnis der Messwerte bei einem Messwertaufnehmer mit vergrößertem Fluidkontaktabschnitt deutlich besser als bei einem herkömmlichen Messwertaufnehmer.
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Somit wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem gattungsgemäßen magnetisch induktiven Durchflussmessgerät der Elektrodenkopf eines Messwertaufnehmers an der zum Fluid weisenden Seite eine Vertiefung aufweist und die Innenwand der Vertiefung zumindest einen Teil des Fluidkontaktabschnitts bildet. Beispielsweise ist die Vertiefung als hohlraumartige Vertiefung, wie etwa eine Bohrung, in dem Elektrodenkopf ausgebildet.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist somit das Signal/Rauschverhältnis im Vergleich zu bekannten Messwertaufnehmern verbessert, da der Fluidkontaktabschnitt größer als bei bisher bekannten Messwertaufnehmern ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat darüber hinaus den Vorteil, dass ein großer Bereich des Fluidkontaktabschnitts, nämlich der Bereich des Fluidkontaktabschnitts, der sich im Inneren der Vertiefung befindet, zwar in direktem Kontakt mit dem Fluid steht, aber nicht der Strömung des Fluid ausgesetzt ist. Somit ist hierdurch die Gefahr der Beschädigung des Fluidkontaktabschnitts durch in der Strömung des Fluids enthaltene beschleunigte Partikel im Vergleich zu bisher bekannten Messwertaufnehmern deutlich reduziert. Dies führt nicht nur zu einer längeren Lebensdauer des Fluidkontaktabschnitts, sondern auch zu einem besseren Signal/Rauschverhältnis, da weniger beschleunigte Partikel auf den Fluidkontaktabschnitt treffen, welche das Signal/Rauschverhältnis negativ beeinflussen.
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Weiterhin hat die erfindungsgemäße Lösung den Vorteil, dass eine Vergrößerung des Fluidkontaktabschnitts erhalten wird, ohne die äußere Grundform des Elektrodenkopfs zu ändern, so dass der Elektrodenkopf in bereits bestehende Messanordnungen eingesetzt werden kann.
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Bei einer Ausführungsform weist der Elektrodenkopf einen Grundkörper und ein plattenförmiges Abschlusselement auf, das einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist und seitlich über den Grundkörper hinausragt und die Vertiefung zumindest im Abschlusselement ausgebildet ist, wobei die zum Fluid weisende Seite des Abschlusselements und die Vertiefung den Fluidkontaktabschnitt bilden. Hierdurch wird der Fluidkontaktabschnitt weiter vergrößert, wodurch das Signal/Rauschverhältnis weiter verbessert wird.
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Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt, dass der Messkanal an dem zum Fluid weisenden Ende einen Aufnahmeabschnitt für das plattenförmige Abschlusselement aufweist.
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Weiterhin wurde festgestellt, dass eine polierte Oberfläche des Fluidkontaktabschnitts eine weitere Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses mit sich bringt, da an einer polierten Oberfläche eine gleichmäßigere Doppelladungsschicht ausgebildet wird als an einer rauen Oberfläche.
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Es ist bevorzugt, dass der Fluidkontaktabschnitt zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweist, um den Fluidkontaktabschnitt weiter vor den Einflüssen von Partikeln wie etwa Schmutzpartikeln im Fluid zu schützen.
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Vorzugsweise ist der aus einem elektrisch leitfähigem Material bestehende Elektrodenkopf aus Metall oder Graphit hergestellt, wobei es weiter bevorzugt ist, dass der Elektrodenkopf aus einem korrosionsarmen und/oder einem nicht magnetisierbaren Stahl hergestellt ist wie etwa Hastelloy.
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Zur Vermeidung von Störströmen mit einem Messrohr aus Metall ist es von Vorteil, dass zwischen dem Messwertaufnehmer und dem Messkanal eine elektrische isolierende Materialschicht vorgesehen ist.
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Das magnetisch induktive Durchflussmessgerät wird vorzugsweise mit einer Batterie betrieben.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 die Ausbildung einer Doppelladungsschicht an einer Oberfläche einer Messelektrode;
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2 einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers mit einem Messwertaufnehmer nach dem Stand der Technik;
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3 einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers mit einem Messwertaufnehmer gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform;
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4 einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers mit einem Messwertaufnehmer gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
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5 einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers mit einem Messwertaufnehmer gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform;
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6 einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers mit einem Messwertaufnehmer gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform; und
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7 die Doppelladungskapazität Cs eines herkömmlichen Messwertaufnehmers und eines Messwertaufnehmers mit vergrößertem Fluidkontaktabschnitt.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers 100 mit einem Messwertaufnehmer 110 nach dem Stand der Technik.
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Der Messwertaufnehmer 110 umfasst einen Elektrodenkopf 112 mit einem massiven Grundkörper in Form eines Zylinders oder eines Quaders und einen Schaft 114, der mit nicht dargestellten Stromkabeln verbunden ist. Sowohl der Elektrodenkopf 112 als auch der Schaft 114 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material wie etwa Stahl. Der Messwertaufnehmer 110 ist in einem Messkanal 116 angeordnet, wobei der Messkanal 116 wiederum in einem Wandabschnitt 120 eines Messrohrs 122 ausgebildet ist.
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Hierbei ist der Messwertaufnehmer 110 fluchtend mit der Wandfläche 124 des Messrohrs 122 in dem Messkanal 116 ausgerichtet. Mit anderen Worten ist der Messwertaufnehmer 110 so in den Messkanal 116 eingebettet, dass der Elektrodenkopf 112 mit der Wandfläche 124 des Messrohrs 122 eine im Wesentlichen ebene, im Sinne von kantenfreie Fläche bildet und nicht in das Messrohr 122 hineinragt.
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An der Stirnseite des Elektrodenkopfes 112 ist ein Fluidkontaktabschnitt 126 ausgebildet, an dem der Elektrodenkopf 112 mit dem durch das Messrohr 122 hindurchströmenden Fluid in direktem Kontakt steht.
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Zumindest zwischen Elektrodenkopf 112 und Wandabschnitt 120 ist ein Dichtelement vorgesehen, um zu verhindern, dass das zu messende Fluid in den Messkanal 116 gelangt. Üblicherweise ist der Messwertaufnehmer 110 in den Messkanal 116 eingespritzt.
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3 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt eines magnetisch induktiven Durchflussmessers 200 zur Messung des Durchflusses eines Fluids in einem Messrohr 222 mit einem Messwertaufnehmer 210 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, bei der der Fluidkontaktabschnitt 226 zwischen dem Elektrodenkopf 212 und dem Fluid im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform erhöht ist.
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Der Messwertaufnehmer 210 ist in einem Messkanal 216 aufgenommen und fluchtend mit der Wandfläche 224 des Messrohrs 222 in dem Messkanal 216 ausgerichtet, wobei der Elektrodenkopf 212 einen zylindrischen oder einen quaderförmigen Grundkörper mit einer hohlraumartigen Vertiefung in Form einer zylindrischen Bohrung 230 aufweist und die zu Fluid weisende Seite 231 des Elektrodenkopfes mit der Wandfläche 224 des Messrohrs 222 eine im Wesentlichen ebene, im Sinne von kantenfreie Fläche bildet.
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Zwischen dem Elektrodenkopf 212 und dem Wandabschnitt 220 ist ein dichtendes Material vorgesehen, um zu verhindern, dass das Fluid in den Messkanal 216 strömt.
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Der Fluidkontaktabschnitt 226 umfasst die zu Fluid weisende Seite 231 des Elektrodenkopfes 212 und die Innenwände 232 der Bohrung 230. Die Fläche des Fluidkontaktabschnitts 226 ist gegenüber der Querschnittsfläche des zylindrischen oder des quaderförmigen Grundkörpers des Elektrodenkopfes 212 deutlich erhöht.
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Unter Querschnittsfläche wird hier die Fläche senkrecht zur Längsachse des Messwertaufnehmers verstanden.
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Die Fläche des Fluidkontaktabschnittes 226 ist bevorzugt mindestens doppelt so groß wie die Querschnittsfläche des Grundkörpers des Elektrodenkopfes 212, besonders bevorzugt mindestens fünfmal so groß wie die Querschnittsfläche des Grundkörpers des Elektrodenkopfes 212 und insbesondere mindestens zehnmal so groß wie die Querschnittsfläche des Grundkörpers des Elektrodenkopfes 212.
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Im Inneren der Bohrung 230, der Öffnung der Bohrung 230 entgegengesetzt liegend ist eine Bohrspitze 234 vorgesehen.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Bohrspitze weggelassen.
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Bei einer zweiten Ausführungsform eines magnetisch induktiven Durchflussmessers 300 mit einem Messwertaufnehmer 310 wie in 4 dargestellt, weist der Elektrodenkopf 312 einen zylindrischen oder einen quaderförmigen Grundkörper 313 auf, an dem an seinem äußeren Ende ein plattenförmiges Abschlusselement 334 angeordnet ist.
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Das Abschlusselement 334 ist einstückig am Grundkörper 313 ausgebildet und ragt seitlich über den Grundkörper 313 hinaus. Das Abschlusselement 334 besteht aus dem gleichen Material wie der Grundkörper 313.
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Die zum Fluid weisende Seite 331 des Abschlusselements 334 ist fluchtend mit der Wandfläche 324 des Messrohrs 322 ausgerichtet, d. h. die zum Fluid weisende Seite 331 des Abschlusselements 334 bildet mit der Wandfläche 324 des Messrohrs 322 eine im Wesentlichen ebene, im Sinne von kantenfreie Fläche.
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In dem Elektrodenkopf 312 ist eine Bohrung 330 vorgesehen, die durch das Abschlusselement 334 in den Grundkörper 313 des Elektrodenkopf hineinragt, wobei die Öffnung der Bohrung 330 zum Messrohr 322 weist.
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Der Fluidkontaktabschnitt 326 wird durch die zum Fluid weisende Seite 331 des Abschlusselements 334 und die Innenwände 332 der Bohrung 330 gebildet und weist im Vergleich zur Querschnittsfläche des Grundkörpers 313 bzw. des Abschlusselements 334 einen deutlich höheren Wert auf.
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Die Fläche des Fluidkontaktabschnittes 326 ist bevorzugt mindestens doppelt so groß wie die Querschnittsfläche des Grundkörpers des Elektrodenkopfes 312, besonders bevorzugt mindestens fünfmal so groß wie die Querschnittsfläche des Grundkörpers des Elektrodenkopfes 312 und insbesondere mindestens zehnmal so groß wie die Querschnittsfläche des Grundkörpers des Elektrodenkopfes 312.
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Zur Aufnahme des Abschlusselements 334 des Elektrodenkopfs 312 in dem Wandabschnitt 320 des Messrohrs 322 weist der Messkanal 316 einen Durchmesser auf, der mindestens dem Durchmesser des Abschlusselements 334 entspricht. Der Begriff Durchmesser ist hier nicht nur auf runde Querschnitte beschränkt, sondern umfasst auch mehreckige Querschnitte.
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Die in 5 dargestellte dritte Ausführungsform eines magnetisch induktiven Durchflussmessers 400 unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten magnetisch induktiven Durchflussmesser dadurch, dass der Durchmesser des Messkanals 416 kleiner als der Durchmesser des Abschlusselements 434 ausgebildet ist. Zur Aufnahme des Abschlusselements 434 in dem Messkanal 416 ist in dem Wandabschnitt 420 des Messrohrs 422 ein Aufnahmeabschnitt in Form einer Aussparung 436 vorgesehen. Der Grundkörper 413 des Elektrodenkopfes 412 ist im Messkanal 416 angeordnet und das Abschlusselement 434 des Elektrodenkopfes 412 ist in der Aussparung 436 fluchtend mit der Wandfläche 424 des Messrohrs 422 ausgerichtet.
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Anstelle einer zylindrischen Bohrung ist bei der dritten Ausführungsform des magnetisch induktiven Durchflussmessers eine Vertiefung 430 mit veränderlichem Querschnitt vorgesehen, wobei der Querschnitt von der Öffnung der Vertiefung 430 in Richtung des Inneren des Elektrodenkopfes 412 abnimmt.
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Die zum Fluid weisende Seite 431 des Abschlusselements 434 bildet zusammen mit der Innenwand 432 der Vertiefung 430 den Fluidkontaktabschnitt 426.
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In 6 ist eine vierte Ausführungsform eines magnetisch induktiven Durchflussmessers 500 dargestellt, bei dem die Vertiefung 530 nur in dem Abschlusselement 534 des Elektrodenkopfs 512 vorgesehen ist. Der Fluidkontaktabschnitt 526 wird durch die zum Fluid weisende Seite 531 des Abschlusselements 534 und der Innenfläche 532 der Vertiefung 530 gebildet.
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Der Messkanal 516 weist einen größeren Durchmesser auf als das Abschlusselement 534.
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Wenn die Messelektroden 312, 512 auch in einem Messkanal 316, 516 angeordnet sind, dessen Durchmesser größer als der des Abschlusselements 334, 534 ist, so können die Messselektroden 312, 512 analog zu 5 auch in einem Messkanal mit einem Aufnahmeabschnitt angeordnet sein. Umgekehrt kann der in 5 dargestellte Messwertaufnehmer 400 auch in einem Messkanal angeordnet sein, dessen Durchmesser größer als der des Abschlusselements 434 ist.
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Es sei angemerkt, dass die Vertiefung in dem Elektrodenkopf nicht die dargestellten Formen aufweisen muss, sondern jede beliebige Form annehmen kann, die geeignet ist, den Fluidkontaktabschnitt im Vergleich zum Querschnitt des Grundkörpers des Elektrodenkopfs oder des Abschlusselements zu vergrößern.
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Die Oberfläche des Fluidkontaktabschnittes ist vorzugsweise poliert. Hiermit kann das Signal/Rauschverhältnis im Vergleich zu einer rauen Oberfläche des Fluidkontaktabschnitts weiter verbessert werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Oberfläche des Elektrodenkopfs im Bereich des Fluidkontaktabschnittes zumindest abschnittsweise gecoated, d. h. mit einer Beschichtung versehen sein.
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Der Elektrodenkopf besteht vorzugsweise aus einem korrosisonsbeständigen und/oder nicht magnetisierbarem Metall bzw. aus Graphit. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Hastelloy.
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Wie bereits angeführt, sind die Messwertaufnehmer 110, 210, 310, 410 und 510 fluiddicht in den Messkanal 116, 216, 316, 416 und 516 eingefügt.
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Bei den dargestellten Ausführungsformen sind die Messwertaufnehmer 110, 210, 310, 410 und 510 in einer Kunststoffummantelung aufgenommen bzw. in den Messkanal eingespritzt.
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Alternativ können die Elektrodenköpfe fluiddicht in den Messkanal eingepasst sein. Sollte in diesem Fall das Messrohr ebenfalls eine Wand aus einem leitfähigen Material aufweisen, ist bevorzugt eine elektrisch isolierende Materialschicht auf der Innenwand des Messkanals oder der Außenseite des Messwertaufnehmers angebracht.
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Die dargestellten magnetisch induktiven Durchflussmesser 100, 200, 300, 400 und 500 sind mittels einer Batterie betreibbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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