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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messrohr für ein Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
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Durchflussmessgeräte werden nach unterschiedlichen Kriterien differenziert. Das weitverbreitetste Differenzierungskriterium ist die Differenzierung nach Messprinzipien. Entsprechend sind z.B. Coriolis-Durchflussmessgeräte, Ultraschall-Durchflussmessgeräte, Thermische Durchflussmessgeräte, Vortex-Durchflussmessgeräte, magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, SAW(surface acoustic wave)-Durchflussmessgeräte, V-Cone Durchflussmessgeräte und Schwebekörper-Durchflussmessgeräte bekannt. Entsprechende Durchflussmessgeräte sind teilweise von der Anmelderin oder anderen Anbietern im Handel erhältlich.
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Ein weiteres Differenzierungsmerkmal ist, ob das Durchflussmessgerät ein Messrohr aufweist oder ob das Durchflussmessgerät auf ein herkömmliche Rohrleitung bzw. Prozessleitung aufgesetzt oder angebaut werden kann, ohne dass der Mediumsfluss innerhalb der Rohrleitung bei der Installation des Durchflussmessgerätes zu unterbrechen. Typische Ultraschallmessgeräte der vorbeschriebenen Art sind sogenannte Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräte. Durchflussmessgeräte mit Messrohren werden Inline-Durchflussmessgeräte bekannt.
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Es sind handelsübliche Inline-Durchflussmessgeräte bekannt mit Messrohren, welche einen Liner aufweisen. Diese Durchflussmessgeräte sind vorwiegend als magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte ausgebildet mit einem metallischen Außenrohr und einem Liner. Der Liner ist als Kunststoffauskleidung am Innenumfang des metallischen Außenrohres ausgebildet und wird benötigt, um eine elektrische Isolation zwischen dem Messmedium und dem Messrohr zu schaffen. Diese Liner sind jedoch zumeist nur für einen begrenzten Temperaturbereich einsetzbar. Bei höheren Temperaturen nimmt das übliche Kunststoff- oder Gummimaterial in seiner Formstabilität ab. Darüber hinaus können Quellungseffekte und Diffusionseffekte auftreten, welche ein Aufweiten des Linermaterials oder ein Ablösen des Liners von der metallischen Oberfläche des Messrohrgrundkörpers bewirken.
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Die Verwendung von Polyamiden als Baustoff verschiedener Elemente eines magnetisch induktiven Durchflussmessgerätes ist grundsätzlich bekannt. So offenbart die
DE 37 04 413 C2 die Verwendung von Polyamid als Material einer Leiterplatte, welche in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät eingesetzt wird.
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In der
EP 0 274 768 A1 offenbart einen Ring aus Polyamid, welcher vollumfänglich an einem Messrohr entlang verläuft. Die
DE 10 2008 059 067 A1 offenbart Messelektroden eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes aus Polyamid.
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Aus der
DE 10 2006 023 915 A1 , der
EP 2 113 068 B1 , der
EP 2 126 445 A1 und der
DE 10 2006 060 442 A1 sind Kunststoff-Messrohre aus Polyamid bekannt. Kunststoff-Messrohre haben den Nachteil, dass sich bei höheren Drücken ihren Durchmesser vergrößern. Dadurch ändert sich der Abstand zwischen den Messelektroden, wodurch es zu einer fehlerbehafteten Messung kommt.
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Die
DE 10 2008 054 961 A1 schlägt vor Polyamid als Linermaterial zu nutzen. Die
DE 197 05 436 C2 offenbart einem Polyamid-Pulverbeschichtung als Linermaterial, welches auf einem Messrohr aufgebracht ist und den Handelsnamen Rilsan X trägt. Ähnliches Material wird auch in der
EP 2 700 912 A2 als Beschichtungsmaterial für ein Messrohr genutzt. Herbei kommt ebenfalls Rilsan zum Einsatz, welches ein Polyamid PA 11 ist. Rilsan weist allerdings einen lediglich begrenzten Einsatzbereich auf. Zudem lassen sich bestimmte Reinigungsprozesse in lebensmittelverarbeitenden Anlagen mit rilsanbeschichteten Messrohren nicht durchführen.
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Ausgehend vom vorbekannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Messrohr für ein Durchflussmessgerät und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bereitzustellen, welches für die verschiedenen Prozessbedingungen vielseitiger benutzbar ist.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messrohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Ein erfindungsgemäßes Messrohr für ein Durchflussmessgerät weist zumindest ein Stützrohr auf und einen Liner, welcher am Innenumfang des Stützrohres angeordnet ist. Dieses Durchflussmessgerät ist ein Gerät der Prozessmesstechnik.
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Ein erfindungsgemäßes Messrohr weist zumindest ein Stützrohr auf und einen Liner, welcher am Innenumfang des Stützrohres angeordnet ist. Selbstverständlich kann das Messrohr weitere Elemente enthalten, welche zur Verankerung des Liners oder zum Schutz des Liners vor chemischem oder mechanischem Angriff dienen. Dies kann z.B. ein metallischer zylindrischer Zylinder sein, welcher eine Lochung aufweist um von dem Liner penetriert und eingeschlossen zu werden. Es können auch auf der mediumsberührenden Seite des Liners Beschichtungen oder Einsätze (z.B. aus Keramik) vorgesehen sein, welche den Liner vor Abrasionen oder chemischen Angriff durch Säuren, Basen, Oxidationsmitteln und/oder Reduktionsmitteln schützen.
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Der Liner, also die elektrisch-isolierende Kunststoffauskleidung, besteht zu mehr als 50 Gew.% aus einem aliphatischen Polyamid oder einem Copolymer mit einer aliphatischen Polyamidkomponente. Polyamide werden u.a. auch als Härter eingesetzt. Es versteht sich aus dem Kontext für einen Polymerchemiker jedoch, dass die aliphatische Polyamidkomponente des Copolymers eine oder mehrere Monomereinheiten in der polymeren Kettenstruktur eines Copolymers darstellen.
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Das aliphatische Polyamid bzw. die aliphatische Polyamidkomponente ist ausgesucht aus einer oder mehreren der folgenden Polyamidklassen:
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Besonders bevorzugt sind in diesem Zusammenhang auch Copolymere die ausschließlich aus Monomereinheiten der drei vorgenannten Polyamidklassen zusammengesetzt sind.
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Aus den 50 Gew.% geht hervor, dass das Polyamid bzw. das Copolymer die Hauptkomponente
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Anspruchs 1 sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante besteht der Liner zu mehr als 80 Gew.% aus einem aliphatischen Polyamid oder einem Copolymer mit einer aliphatischen Polyamidkomponente, wobei das Polyamid bzw. die Polyamidkomponente ausgesucht ist aus einer oder mehreren der folgenden Polyamidklassen:
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Zusätzlich zu dem Polyamid als Hauptkomponente kann das Material des Liners zu 1 bis 50 Gew.% Glasfasern, mineralische Füllstoffe und/oder Glaskugeln enthalten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das Linermaterial zu 5 bis 25 Gew.% Glasfasern, mineralische Füllstoffe und/oder Glaskugeln. Die vorgenannten Materialien ermöglichen in den angegebenen Konzentrationsbereichen eine Verbesserung der thermischen Temperaturwechselbeständigkeit des Liners. Auch die Festigkeit des Liners kann durch Zugabe der vorgenannten Stoffe vorteilhaft verbessert werden.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Liner zu 0,1 bis 5 Gew.%, vorzugswiese 0,5 bis 2 Gew.%, Elastomere und/oder Weichmacher enthalten. Dies ermöglicht eine verbesserte Schlagzähigkeit. Oftmals unterliegen Messrohre Erschütterungen, z.B. durch Schläge von außen gegen das Rohr oder durch Druckschwankungen und Druckstöße innerhalb des Rohres. Zu sprödes Linermaterial kann abplatzen. Bei Messrohren kann dies zu Verwirbelungen oder zu anderen nicht-kalkulierbaren Strömungsfehlern kommen, welche im Ergebnis das Messresultat negativ beeinflussen.
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Der Liner ist insbesondere in einem Blasverfahren extrusionsausgeformt. Hierzu kann das Material beim Austritt aus der Extrusionsdüse aufgeblasen werden und die Form des Stützrohres annehmen. Extrusionsgeblasene Liner sind eher ungewöhnlich. Oftmals werden Liner in ein Messrohr eingezogen. Hierzu sei beispielsweise auf die
WO19900002904 A1 hingewiesen. Bei eingezogenen Linern liegen diese kraftschlüssig an der Oberfläche des metallischen Stützrohres an. Die mittels Extrusionsblasverfahren hergestellten Liner können gegenständlich von eingezogenen Linern unterschieden werden, da das Material beim Auftreffen auf die metallische Wandung des Stützrohres teilweise auf der Oberfläche anfließen und somit stärker an die Oberflächenkontur und die Oberflächenrauhigkeit angepasst sind. Damit weist der extrusionsgeblasene Liner einen besseren Halt gegen Verdrehen auf.
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Es ist von Vorteil, wenn das Stützrohr ein metallisches Stützrohr ist, welches endständig Flansche mit Anschlussflächen zur Verbindung mit Prozessrohrflanschen aufweist und dass der Liner endständig umgestülpt oder umgebördelt ist und formschlüssig bereichsweise oder vollständig auf den Anschlussflächen angeordnet sind. Durch die Anordnung des Linermaterials in den Anschlussbereichen des Messrohres wird eine zusätzliche Dichtigkeit geschaffen. Zugleich wird das Linermaterial gegen axiales Verschieben fixiert.
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Gleiches kann vorteilhaft dadurch erreicht werden, indem auf den Anschlussflächen zumindest bereichsweise Linermaterial angeordnet ist, wobei das angeordnete Linermaterial über Schweißverbindungen mit dem im Stützrohr angeordneten Liner verbunden ist. Diese Variante ist gegenüber der vorgenannten Variante bevorzugt, sofern der Liner im Stützrohr eine größere Dicke bzw. Materialsteifigkeit aufweist. Demgegenüber ist die erste Variante des Umbördelns oder des Umstülpens bevorzugt, wenn die Materialsteifigkeit dies erlaubt, da dies in einem herstellungstechnisch einfacher zu realisieren ist.
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Anders als beispielsweise bei Kunststoffrohren kann der Liner zwar einen Formschluss, jedoch keinen Stoffschluss mit dem Stützrohr eingehen. Kunststoff-Metall-Kleber müssen zur Festlegung des Liners nicht eingesetzt werden.
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Es ist von Vorteil wenn das Verhältnis der Dicke der Stützrohrwandung zur Linerdicke von 0,5 bis 1,0 beträgt. Somit wird eine Diffusion des Messmediums ausgeschlossen. Zugleich ist ein solcher Liner auch gegen Abrasionen sehr beständig. Beschichtungen sind dies zumeist nicht, wodurch der Anwendungsbereich bezüglich der Medientypen für entsprechende Durchflussmessgeräte eingeschränkt ist.
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Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät weist ein Messrohr gemäß Anspruch 1 auf.
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Insbesondere ist das das Durchflussmessgerät geeignet, zum Bestimmung des Durchflusses oder der Strömungsgeschwindigkeiten eines Messmediums, welches eine Mediumstemperatur von mehr als 70°C, insbesondere von mehr als 100°C aufweist. Die maximale Mediumstemperatur kann vorzugsweise etwa 240°C betreiben.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail näher erläutert. Es zeigt:
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1 schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes.
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Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes ist grundsätzlich bekannt. Gemäß dem Faraday‘schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch zwei Feldspulen zu beiden Seiten eines Messrohres erzeugt. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen bekannt und anderer geometrischer Anordnung bekannt. Die Anmelderin stellt seit mehreren Jahrzehnten magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte in unterschiedlichen Abmessungen und Ausgestaltungen beispielsweise unter dem Namen „Promag“ her.
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1 zeigt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Stützrohr 3 eines mediumsführenden Messrohres 2, welches Stützrohr 3 eine Messrohrachse A aufweist und vorzugsweise als Metallrohr ausgebildet ist.
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Das Stützrohr 3 weist endständig Flansche 4 auf, welche jeweils über zumindest eine Anschlussfläche 9 verfügen. Diese Anschlussfläche 9 dient zum Anschluss an ein Prozessrohr einer Prozessleitung, welches in 1 nicht näher abgebildet ist.
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Am Stützrohr 3 sind an dessen Außenumfang zwei diametral gegenüberliegende Magnetsysteme 6 ausgebildet, welche ein Magnetfeld erzeugen, das das Messrohr 2 durchsetzt. Am Außenumfang um 90° dazu versetzt sind zudem Messelektroden 7 angeordnet, welche in Abhängigkeit der Strömung des Messmediums eine induzierte Spannung abgreifen und an eine Auswerteeinheit 8 weitergeben. Die Messelektroden 7 sind in Kontakt mit dem Messmedium.
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Im Stützrohr 3 ist eine Kunststoffauskleidung, der sogenannte Liner 5, angeordnet, welcher eine zum metallischen Stützrohr elektrisch-isolierende Schicht darstellt. Um das Rohr
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Bei dem Linermaterial handelt es sich um ein aliphatisches Polyamid, welches zur Einstellung der Stoffeigenschaften noch mit weiteren Zuschlagstoffen versehen sein kann. Das aliphatische Polyamid bzw. die aliphatische Polyamidkomponente ist ausgesucht aus einer oder mehreren der folgenden Polyamidklassen:
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PA6 ist ein Polymer welches aus Caprolactam (Aminohexansäure) hergestellt ist es weist einen Temperatureinsatzbereich von 80 bis 120 °C auf. PA66 ist ein Polyhexamethylenadipinamid, welches aus aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure hergestellt ist. Es weist einen Temperatureinsatzbereich von 60 bis 235 °C auf. Sofern der Liner aus einem Copolymer von PA6 und PA66 aufgebaut ist, können die Stoffeigenschaften des Liners je nach Einsatzgebiet variiert werden.
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Lediglich begrenzt und daher weniger bevorzugt einsetzbar ist PA12, ein Polylaurinlactam. Dieses weist einen Temperatureinsatzbereich zwischen 70 und 80 °C auf. Auch hier sind Copolymere aus PA12 und PA6 oder PA66 möglich.
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Die vorgenannten Polyamide sind der Hauptbestandteil des Linermaterials und damit zumindest zu 50gew.% enthalten. Neben diesen Polyamiden kann das Material des Liners zwischen 1 bis 50 Gew.% Glasfasern, mineralische Füllstoffe und/oder Glaskugeln enthalten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante umfasst das Linermaterial zu 5 bis 25 Gew.% Glasfasern, mineralische Füllstoffe und/oder Glaskugeln. Dadurch wird die Temperaturwechselbeständigkeit und die mechanische Festigkeit des Liners an den Anwendungszweck angepasst.
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Zur Verbesserung der Schlagzähigkeit kann das Linermaterial zudem 0,1 bis 5 Gew.%, vorzugswiese 0,5 bis 2 Gew.%, Elastomere und/oder Weichmacher enthalten. Entsprechende Elastomere und Weichmacher, welche bei Polyamiden eine Verbesserung der Schlagzähigkeit bewirken sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Liner aus PA66 bestehen, welches zusätzlich mit Glassfasern und thermischen Stabilisierungsmitteln versehen ist. Letzteres wird zum Spritzgießen benötigt, um Temperaturbelastungen abzupuffern. Ein entsprechendes Material ist unter dem Handelsnahmen Technyl A 718 V30 erhältlich. Dieses Material weist eine Formbeständigkeitstemperatur von 250°C (1.80 MPa), gemäß der Prüfnorm ISO 75-1/-2 nach gültiger Fassung z.Z. der Erstanmeldung der vorliegenden Erfindung auf.
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Die Glasfasern hingegen bewirken eine erhöhte Materialfestigkeit. Sie sind daher auch bei anderen Ausführungsbeispielen als bevorzugter Zuschlagstoff eingesetzt und nicht auf das vorgenannte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Spritzgießen ist eine Möglichkeit, jedoch nicht das bevorzugte Herstellungsverfahren, mit welchem das Stützrohr 3 mit dem Liner 5 versehen wird. Der Liner kann insbesondere in einem Blasverfahren ausgeformt werden. Hierzu kann analog wie beim Flaschenblasverfahren bei PET-Flaschen erfolgen, wobei der Liner zunächst aufgeblasen und das geschlossene Ende geöffnet, insbesondere aufgebohrt oder abgeschnitten, wird.
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Alternativ dazu kann das Blasverfahren auch derart erfolgen, dass das Linermaterial ohne Vorgabe eines Rohlings direkt nach dem Verlassen der Extrusionsdüse aufgeblasen wird.
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Der Liner kann endständig umgestülpt oder umgebördelt und formschlüssig bereichsweise oder vollständig auf den Anschlussflächen 9 angeordnet sein. Alternativ kann, wie in 1 ersichtlich, auch das auf den Anschlussflächen 9 angeordnete Linermaterial 10 über Schweißverbindungen 13 mit dem im Stützrohr 3 angeordneten Liner 5 verbunden sein. Durch die Anordnung des Linermaterials entlang den Anschlussflächen 9 des Flansches 4 wird eine zusätzliche Dichtung geschaffen. Zugleich wird das Linermaterial 5 gegen axiales Verschieben fixiert.
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Der Liner oder das Linermaterial 10, der oder das auf den Anschlussflächen 9 des Flansches 4 angeordnet ist, kann optional einen Dichtring aufweisen, welcher vorzugsweise aus PTFE gefertigt ist. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Der besondere Vorteil der Verwendung der speziellen Polyamidklassen PA6 und/oder PA66 ist, dass das Durchflussmessgerät auch bei Temperaturen des Messmediums von mehr als 100°C über eine lange Gebrauchsdauer hin genutzt werden kann. Die maximale Mediumstemperatur kann dabei bis etwa 240°C–250°C betragen. Mit Abstrichen erweist sich auch Linermaterial aus PA12, ggf. mit Zuschlagstoffen, als geeignet auf, insbesondere bei Medien mit Mediumstemperaturen von 70–90°C.
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Die vorgenannten Linermaterialien erfüllen zudem die für das Messprinzip notwendigen Anforderungen an die Diffusionsdichtigkeit, mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung, so dass fertige Messrohr keine Nachteile gegenüber anderen marktüblichen Messrohren für magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte aufweist.
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Der Liner wird in 1 lediglich einschichtig dargestellt. Mehrschichtige Lineraufbauten sind jedoch ebenfalls denkbar und können je nach Anwendungsfeld variiert werden.
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Messrohre mit einschichtigen Linern hingegen sind wiederum produktionstechnisch sehr schnell und in einer Massenfertigung herstellbar.
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Das Durchflussmessgerät kann einer Heißdampfreinigung unterzogen werden. Eine besondere Verwendung findet das Durchflussmessgerät in der lebensmittelverarbeitenden Industrie und in der Pharmaindustrie.
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Eine besonders produktionseffiziente Möglichkeit der Herstellung eines Messrohres kann wie folgt ermöglicht werden Zunächst erfolgt das Bereitstellen eines Stützrohres. Dabei kann es sich insbesondere um ein metallisches Stützrohr handeln. Es kann vorbearbeitet sein.
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Anschließend erfolgt das Bereitstellen eines Kunststoffrohlings. Entsprechende Rohlinge sind aus der PET-Flaschenproduktion bereits bekannt. Im vorliegenden Fall kann ein PA-Rohling, insbesondere aus PA 6, PA12 und/oder PA66 genutzt werden.
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Schließlich wird der Kunststoffrohling aufgeblasen. Dies erfolgt derart, dass sich der Kunststoffrohling unter Einfluss eines Druckgases ausdehnt bis er an der Innenwandung des Stützrohres anliegt und diese bedeckt. Anschließend kann der Kunststoffrohling, welcher als eine Art Blase vorliegt, endständig abgeschnitten und ggf. gebördelt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Stützrohr
- 4
- Flansche
- 5
- Liner
- 6
- Magnetsystem bzw. Magnetspulen mit Polschuh
- 7
- Messelektrode
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Anschlussfläche
- 10
- Linermaterial
- 11
- Schweißverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3704413 C2 [0005]
- EP 0274768 A1 [0006]
- DE 102008059067 A1 [0006]
- DE 102006023915 A1 [0007]
- EP 2113068 B1 [0007]
- EP 2126445 A1 [0007]
- DE 102006060442 A1 [0007]
- DE 102008054961 A1 [0008]
- DE 19705436 C2 [0008]
- EP 2700912 A2 [0008]
- WO 19900002904 A1 [0021]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Prüfnorm ISO 75-1/-2 [0040]
