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Die Erfindung betrifft einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um den Massendurchfluss des strömungsfähigen Mediums durch eine Rohrleitung, aber auch die Dichte oder die Viskosität des Mediums können erfasst werden. Das Medium wiederum kann ein Gas, eine Flüssigkeit, oder ein Pulver, aber auch ein anderer strömungsfähiger Stoff sein.
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Entsprechende Feldgeräte, insbesondere Coriolis-Massedurchflussmesser oder Coriolis-Massedurchfluss-/Dichtemesser, finden nicht zuletzt wegen ihres breiten Einsatzspektrums, vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik und werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und beispielsweise unter der Bezeichnung PROMASS vertrieben. Sie sind zumeist als In-Line-Messgeräte in einer Kompaktbauweise in die jeweilige Rohrleitung integriert und weisen ein Aufnehmer-Gehäuse auf, welches über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt ist. Die Messaufnehmer umfassen ferner zumindest ein schwingfähig gehaltertes und zumindest zeitweise vibrierendes mit der Rohrleitung kommunizierendes Messrohr, welches innerhalb des Aufnehmer-Gehäuses angeordnet ist, und welches Messrohr zumindest zeitweise Schwingungen um eine statische Ruhelage, insbesondere Biegeschwingungen, ausführt. Ferner umfasst ein gattungsgemäßes Messgerät mindestens eine auf das mindestens eine Messrohr einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen des mindestens einen Messrohrs, und mindestens eine auf Schwingungen des mindestens einen Messrohres reagierende Vibrationssensoranordnung zur Detektion der Schwingungen des zumindest einen Messrohres und zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen repräsentierenden Schwingungsmesssignals.
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Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt und beispielsweise in der
US-A 47 93 191 , der
US-A 48 23 614 , der *
US-A 48 31 885 , der
US-A 56 02 345 , der
US-A 2007/0151368 , der
US-A 2010/0050783 , der
WO-A 96/08697 , der
WO-A 2009/120222 oder der
WO-A 2009/120223 ausführlich und detailliert beschrieben.
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Im Betrieb wird das zumindest eine Messrohr zu mechanischen Schwingungen in der sogenannte Antriebs- oder Nutzmode mit der sogenannten Nutzfrequenz angeregt, welche üblicherweise durch die Resonanzfrequenz oder eine höhere Harmonische, das ist eine eine höhere Schwingungsmode anregende Frequenz, des zumindest einen Messrohres gegeben ist. Sowohl die Lage der Nutzfrequenz als auch die der höheren Harmonischen des Frequenzspektrums ist im Wesentlichen von der Größe, Geometrie, Steifigkeit und dem Material des zumindest einen Messrohres abhängig, sowie gegebenenfalls von der momentanen Dichte und/oder Viskosität des jeweiligen Mediums. Die mechanischen Schwingungen in der Nutzmode, im Falle, dass diese der Resonanzfrequenz entspricht, sind, insbesondere im Falle eines Coriolis-Massedurchfluss- und/oder Dichtemesser, in der Regel zumindest anteilig als laterale Biege-Schwingungen ausgebildet. Wenn das mindestens eine Messrohr vom Medium durchströmt wird, werden im mindestens einen Messrohr Reaktionskräfte induziert, die zu zusätzlichen den Schwingungen in der Nutzmode frequenzgleichen Schwingungen in der sogenannten Coriolismode führen, welche den Schwingungen in der Nutzmode überlagert sind und folglich ins Schwingungsmesssignal mit einfließen. Dabei unterschieden sich die induzierten bzw. detektierten Reaktionskräfte je nachdem, welche Prozessgröße erfasst werden soll. Es korrespondieren beispielweise der Massendurchfluss mit der Coriolis-Kraft, die Dichte des Mediums mit den Trägheitskräften und die Viskosität mit Reibungskräften.
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Für die gattungsgemäßen Feldgeräte sind im Laufe der Zeit viele verschiedene Ausgestaltungen bekannt geworden. So sind Ausführungen mit 1, 2, 4, oder 8 parallel geschalteten Messrohren, Ausführungen, bei welchen das mindestens eine Messrohr gerade ist und solche, bei welchen es gebogen ist, beschrieben worden. Dabei sind gebogene Messrohre häufig so ausgestaltet, dass zumindest abschnittsweise im mittleren Bereich ein insb. im Wesentlichen U-, V-, oder trapezförmig, gebogenes zentrales Mittelsegment angeordnet ist, an welches Mittelsegment sich beidseitig jeweils ein bogenförmiges einlassseitiges Zwischensegment und ein bogenförmiges auslassseitiges Zwischensegment anschließen, und wobei sich an die beiden Zwischensegmente beidseitig jeweils ein im Wesentlichen gerades parallel zur Rohrleitung verlaufendes Einlasssegment und ein im Wesentlichen gerades parallel zur Rohrleitung verlaufendes Auslasssegment anschließen.
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Das zumindest eine Messrohr ist zumeist aus einem Metall gefertigt, insbesondere Titan, Zirkon, Tantal oder rostfreier Stahl, und zumindest teilweise innerhalb des Aufnehmer-Gehäuses angeordnet. Bei einem Feldgerät mit genau einem Messrohr ist das Messrohr ein- und auslassseitig jeweils mit einem einlassseitigen Prozessanschluss und einem auslassseitigen Prozessanschluss gekoppelt, wobei die Prozessanschlüsse insbesondere Flansche sein können. Im Falle von mehr als einem Messrohr ist einlassseitig und auslassseitig jeweils ein einlassseitiges und ein auslassseitiges Verteilerstück angeordnet, welche beiden Verteilerstücke mechanisch mit dem Aufnehmer-Gehäuse verbunden sind und die Funktion innehaben, die zumindest zwei Messrohre einlassseitig und auslassseitig miteinander zu verbinden, und das strömende Fluid auf die mindestens zwei Messrohre aufzuteilen.
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Die Messgenauigkeit und/oder der mögliche Anwendungsbereich der gattungsgemäßen Feldgeräte mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp werden stetig verbessert und/oder erweitert.
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Ein Thema betrifft den Wunsch, die Feldgeräte bei gleichbleibender oder besser werdender Messgenauigkeit für immer größere Nennweiten und damit einhergehend für immer größere Durchflussraten einsetzbar zu machen, und damit den Anwendungsbereich zu erweitern. Dies betrifft insbesondere die petrochemische Industrie, oder Bereiche des Transports, und Umschlags von Erdöl, Erdgas, Treibstoffen, etc. Hier sind Nennweiten von 300mm und mehr, sowie Massendurchflussraten von 2500t/h und mehr wünschenswert.
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Unabhängig von der Anzahl der Messrohre hängt die Messgenauigkeit unter anderem damit zusammen, wie das zumindest eine Messrohr im Aufnehmer-Gehäuse befestigt ist. Durch Bewegungen der Endbereiche des zumindest einen Messrohres im Aufnehmer-Gehäuse kann es beispielsweise zu Einspannkräften kommen, welche auf die Prozessanschlüsse und im Falle von Messaufnehmern mit zumindest zwei Messrohren insbesondere auch auf die Verteilerstücke wirken, und damit zu Deformationen des Aufnehmer-Gehäuses führen können. Weitere Störeinflüsse bestehen beispielsweise in Vibrationen der Rohrleitung und/oder des Aufnehmer-Gehäuses, welche in die Schwingungen des zumindest einen Messrohres einkoppeln können. Außerdem können störende Vibrationen durch Druckschwankungen des strömenden Mediums hervorgerufen werden. Und schließlich können auch unterschiedliche Temperaturbeanspruchungen der verschiedenen Bauteile problematisch sein.
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Eine wirksame Maßnahme zur Reduzierung der genannten Störeinflüsse besteht darin, die Steifigkeit des Aufnehmer-Gehäuses zu erhöhen, was beispielsweise durch eine Vergrößerung der Wandstärke des Aufnehmer-Gehäuses möglich ist. Dies führt allerdings, insbesondere im Bereich großer Nennweiten von 150mm und mehr zu einer erheblichen, teilweise inakzeptablen, Gewichtssteigerung, welche den folgenden Gegebenheiten geschuldet ist: Zum einen müssen die Verteilerstücke und das Aufnehmer-Gehäuse bei steigender Nennweite ohnehin deutlich größer werdenden mechanischen Belastungen standhalten, was zu einem deutlich höheren Materialbedarf führt. Darüber hinaus erfordern die branchenüblichen Bedingungen bezüglich eines maximal erlaubten Druckverlusts entlang der Rohrleitung zu großen geometrischen Abmessungen der Feldgeräte bzw. Messgeräte. Dies betrifft insbesondere die Einbaulänge. Als Folge dieser Anforderungen weisen bereits konventionelle Ausführungen gattungsgemäßer Feldgeräte bei größeren Nennweiten Leermassen im Bereich von mehreren hundert Kilogramm auf.
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Es wäre also eine wirksame Möglichkeit zur Minimierung von Störeinflüssen wünschenswert, die die Leermasse des jeweiligen gattungsgemäßen Feldgerätes, insbesondere bei großen Nennweiten, nicht oder nur minimal erhöht.
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Eine mögliche Maßnahme für Feldgeräte mit zumindest zwei Messrohren besteht in der Verwendung sogenannter Koppelelemente, mittels welcher die zumindest zwei Messrohre einlassseitig und auslassseitig mechanisch gekoppelt sind, und welche Koppelelemente dem Bilden von Schwingungsknoten dienen. Wie in der
DE 10 2004 060 115 A1 beschrieben, kann durch eine Anordnung von jeweils drei Koppelelementen jeweils im einlass- und auslassseitigen Bereich eines Feldgeräts mit zumindest zwei Messrohren erreicht werden, dass Störeinflüsse, insbesondere störende Einflüsse durch Einspannkräfte bzw. die Einspannkräfte selbst, bei lediglich minimal steigender Masse zumindest teilweise reduziert werden.
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In der
DE 10 2007 048 881 A1 ist ein gattungsgemäßes Feldgerät beschrieben mit einem Paar im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Messrohren, welche in einem Anfangsabschnitt und in einem Endabschnitt mechanisch durch zumindest einen Versteifungsrahmen miteinander gekoppelt sind, wobei der Versteifungsrahmen zur Verbesserung seiner Steifigkeit zumindest teilweise mit einem Metallschaum gefüllt ist und mit Ausnehmungen zur Durchführung des Anfangs- und Endabschnitts versehen ist. Weiterhin ist in der Schrift ein Verfahren zur Herstellung eines Versteifungsrahmens beschrieben, bei welchem eine dünnwandige Metallplatte zu einem im Wesentlichen zylinderförmigen Rohr gebogen wird und mit Metallschaum ausgeschäumt wird. Durch die Verwendung eines Metallschaums für den Versteifungsrahmen kann erreicht werden, dass die mechanische Kopplung der Messrohre in den Anfangs- und Endabschnitten bei gleichem Gewicht wesentlich steifer ist. Entsprechend kann durch diese Maßnahme ebenfalls Störeinflüsse bei gleichbleibendem Gewicht reduziert werden.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein gattungsgemäßes Feldgerät mit einem Messaufnehmer vom Vibrationstyp bereitzustellen, welches sich zumindest unter Beibehaltung etablierter Standards bezüglich der Messgenauigkeit insbesondere für große Nennweiten durch ein geringeres Gewicht auszeichnet. Das bedeutet insbesondere, dass ein reduziertes Einbau-Masse-zu-Nennweite-Verhältnis angestrebt ist, als es für herkömmliche Feldgeräte gemäß Stand der Technik der Fall ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen oder chemischen Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums mit
- – zumindest einem Aufnehmer-Gehäuse, welches Aufnehmer-Gehäuse über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt ist,
- – zumindest einem im Aufnehmer-Gehäuse schwingfähig gehalterten mit der Rohrleitung kommunizierenden und zumindest zeitweise vibrierenden Messrohr, welches zumindest zeitweise Schwingungen um eine statische Ruhelage ausführt,
- – mindestens einer auf das mindestens eine Messrohr einwirkenden elektromechanischen, insb. elektro-dynamischen, Erregeranordnung zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen des mindestens einen Messrohres,
- – mindestens einer auf Schwingungen des mindestens einen Messrohres reagierenden Vibrationssensoranordnung zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen des mindestens einen Messrohres repräsentierenden Schwingungsmesssignals,
wobei das Aufnehmer-Gehäuse zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, welcher Verbundwerkstoff zusammengesetzt ist aus einem Metallschaum, welcher zumindest teilweise mit einem Kunststoff gefüllt ist und/oder zumindest teilweise von einem Kunststoff umgeben ist.
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Die Werkstoffgruppe der Metallschäume erregt seit mehreren Jahren großes Interesse aufgrund ihrer geringen Dichten bei gleichzeitig guten mechanischen, elektrischen, thermischen und akustischen Eigenschaften. Die spezifischen Materialeigenschaften vieler Metallschaumstrukturen sowie die gängigen Herstellungsverfahren sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Ebenfalls bekannt sind Verbundwerkstoffe auf Basis eines Metallschaums. Durch die Integration in einen Verbundwerkstoff lässt sich vielmehr das volle Potential von Metallschäumen erst vollständig ausschöpfen, insbesondere wenn mehrere Eigenschaften in einem Bauteil kombiniert werden können.
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Entsprechend erlaubt die geschickte Integration geeigneter Metallschaum-Kunststoff-Verbundwerkstoffe in den Aufbau eines gattungsgemäßen Feldgeräts gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile: Die vibrationsdämpfenden Eigenschaften des Verbundwerkstoffs weisen sich vorteilhaft in Bezug auf die Eliminierung der Störeinflüssen aus. Bei gleichem Gewicht kann eine deutlich höhere Steifigkeit erreicht werden, oder es kann bei reduziertem Gewicht eine mit herkömmlichen Ausgestaltungen vergleichbare Steifigkeit erreicht werden. Das Energieadsorptionsverhalten sorgt für eine Reduzierung von Einspannkräften sowie deren Folgen. Es ergeben sich neue Möglichkeiten der Formgebung, welche insbesondere mit Hinblick auf eine hohe Steifigkeit und Festigkeit gewählt werden können. Damit kann das Aufnehme-Gehäuse anwendungsspezifisch optimiert werden. Darüber hinaus können durch die Integration innerhalb eines Verbunds gleichzeitig die vorteilhafte Eigenschaften verschiedener Kunststoffe, wie zum Beispiel eine hohe chemische Beständigkeit, ausgenutzt werden.
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Je nach Erfordernis werden eine oder mehrere Komponenten, oder auch das gesamte Aufnehmer-Gehäuse aus einem Metallschaum-Kunststoff-Verbundstoff gefertigt. Dabei sind sowohl sogenannte Sandwich-Strukturen als auch mittels Gießprozessen hergestellte Teile denkbar. Beispielsweise kann ein Gerüst für das jeweilige Bauteil aus einem Metallschaum aufgebaut werden und anschließend von einem Kunststoff umgossen werden. Je nach Herstellungsprozess und verwendeten Materialien kann dabei der Kunststoff zumindest teilweise in das poröse Material des Metallschaums eindringen. Das so hergestellt Bauteil zeichnet sich durch einen minimierten Materialbedarf und damit einhergehend durch ein minimiertes Gewicht aus.
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In einer ersten Ausgestaltung weist das mindestens eine Messrohr zumindest abschnittsweise im mittleren Bereich ein insb. im Wesentlichen U-, V-, oder trapezförmig, gebogenes zentrales Mittelsegment auf, an welches Mittelsegment sich beidseitig jeweils ein bogenförmiges einlassseitiges Zwischensegment und ein bogenförmiges auslassseitiges Zwischensegment anschließt, und wobei sich an die beiden Zwischensegmente jeweils einlassseitig und auslassseitig ein im Wesentlichen gerades parallel zur Rohrleitung verlaufendes Einlasssegment und ein Auslasssegment anschließen. Das zumindest eine Messrohr ist also zumindest teilweise gebogen. Die Form eines Gehäuses für ein Feldgerät mit zumindest einem zumindest teilweise gebogenen Messrohr muss speziell an die jeweilige Geometrie angepasst sein. Durch die neuen Möglichkeiten der Formgebung bei Verwendung eines Metallschaum-Kunststoff-Verbundwerkstoffs ergeben sich in dieser Hinsicht für die Formgebung des Gehäuses neue konstruktive Möglichkeiten. Damit einhergehend ist für die Ausgestaltung der zumindest teilweisen Krümmung des zumindest einen Messrohres ebenfalls ein größere Anzahl von Freiheitsgrade vorhanden, so dass neue Geometrien in Betracht gezogen werden können.
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Weiterhin weist der Messaufnehmer einen einlassseitigen Prozessanschluss, und einen auslassseitigen Prozessanschluss, insbesondere einen einlassseitigen Flansch und einen auslassseitigen Flansch, auf, mittels welcher das zumindest eine Messrohr mit der Rohrleitung dicht und lösbar verbunden ist. Die Prozessanschlüsse sollten dabei zumindest in den medienberührenden Bereichen aus dem gleichen Material bestehen, wie die jeweilige Rohrleitung.
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In einer zweiten, besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Aufnehmer-Gehäuse einen Träger auf, mit welchem das mindestens eine Messrohr einlassseitig und auslassseitig mechanisch verbunden ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Träger zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, welcher Verbundwerkstoff zusammengesetzt ist aus einem Metallschaum, welcher zumindest teilweise mit einem Kunststoff gefüllt ist und/oder zumindest teilweise von einem Kunststoff umgeben ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn der Träger als seitlich zumindest teilweise offener, insb. rohrförmiger Tragzylinder ausgebildet ist, der mit dem mindestens einen Messrohr derart verbunden ist, dass das mindestens eine gebogene Mittelsegment seitlich aus dem Tragzylinder herausragt.
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Der Träger kann so vorteilhaft und unabhängig von der Grundgeometrie als Hohlkörper, insbesondere als rohrförmiger Tragzylinder, ausgearbeitet werden, welcher aus einem Metallschaum gefertigt ist, und anschließend mit einem Kunststoff gefüllt oder umgeben wird. Auf diese Weise kann, insbesondere bei großen Nennweiten, eine beträchtliche Menge an Material und damit einhergehend, an Masse, gespart werden, ohne einen Verlust in Bezug auf die mechanische Stabilität, insbesondere die Steifigkeit, in Kauf nehmen zu müssen. Ferner kann der Kunststoff anwendungsbezogen gewählt werden, insbesondere können sich korrosionsbeständige Materialien als vorteilhaft erweisen. Die Möglichkeiten der Formgebung des Trägers sind dabei vielfältig und es versteht sich von selbst, dass auch andere als die genannten Beispiele unter die Erfindung fallen. Es sei vermerkt, dass für jede Messaufnehmer-Geometrie und Anwendung eine optimierte geometrische Form bestimmt und konstruiert werden kann.
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In einer dritten, besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Aufnehmer-Gehäuse eine Verschalung auf, welche das mindestens eine Aufnehmer-Rohr umgibt, und welche Verschalung am Träger befestigt ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verschalung zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, welcher Verbundwerkstoff zusammengesetzt ist aus einem Metallschaum, welcher zumindest teilweise mit einem Kunststoff gefüllt ist und/oder zumindest teilweise von einem Kunststoff umgeben ist. Ähnliche Vorteile ergeben sich also für die Verschalung, welche wieder auf die jeweiligen Gegebenheiten angepasst und insbesondere in Hinblick auf ihre dämpfenden Eigenschaften optimiert werden kann. Das gleiche gilt für eine Anpassung ihrer Form an die Geometrie des zumindest einen Messrohres wie weiter oben bereits erwähnt.
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In einer vierten Ausgestaltung ist am Aufnehmer-Gehäuse ein Halsrohr befestigt, an welchem Halsrohr eine Elektronikeinheit angeordnet ist.
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In einer fünften Ausgestaltung weist der Messaufnehmer mindestens zwei Messrohre auf, und ein einlassseitiges Verteilerstück und ein auslassseitiges Verteilerstück, welche Verteilerstücke die zumindest zwei Messrohre einlassseitig und auslassseitig miteinander verbinden, welche das strömende Fluid auf die mindestens zwei Messrohre aufteilen und welche mechanisch mit dem Aufnehmer-Gehäuse, insbesondere mit dem Träger, verbunden sind.
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In einer sechsten, bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest eine der Verbindungen zwischen zumindest zwei der Komponenten des Messaufnehmers, insbesondere die Verbindung zwischen zumindest einem Verteilerstück und dem Aufnehmer-Gehäuse, insbesondere dem Träger, die Verbindung zwischen der Verschalung und dem Träger, oder die Verbindung zwischen dem Aufnehmer-Gehäuse und dem Halsrohr, eine Schmelzverbindung, eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung, eine Klebeverbindung, eine Schraubverbindung oder eine mittels eines Spritz- oder Gießprozesses hergestellte Verbindung. Vorteilhaft lässt sich ein Metallschaum über eine Schweiss- oder Löt- oder Schraubverbindung mit einer anderen metallischen Komponente verbinden. Anschließend kann der Kunststoff integriert werden. Auf der anderen Seite können Komponenten, welche aus einem Kunststoff bestehen, mittels Schweiß- oder Schmelzverbindungen gefügt werden. Die genannten Verbindungsarten erlauben alle eine feste und vor allem mechanisch stabile Verbindung der beiden Verbindungsteile, was im Falle eines gattungsgemäßen Feldgeräts von großer Bedeutung im Hinblick auf Störeinflüsse ist. Es ersteht sich jedoch von selbst, dass noch weitere Verbindungstechniken bekannt sind, welche eine stabile Verbindung zweier Komponenten erlauben, und welche ebenfalls unter die Erfindung fallen.
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Ebenso versteht es sich von selbst, dass Merkmale verschiedener der genannten Ausgestaltungen kombiniert werden können, oder anwendungsspezifisch weitere Komponenten in ein erfindungsgemäßes Feldgerät integriert werden können.
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Unabhängig von der jeweiligen Ausgestaltung ist die physikalische oder chemische Prozessgröße bevorzugt durch den Massedurchfluss, die Dichte und/oder die Viskosität des Mediums gegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn der Metallschaum ein Aluminiumschaum, Titanschaum, ein Edelstahlschaum mit einer Hohlkugelstruktur, ein offenzelliger hochtemperaturbeständiger FeCrAlY-Schaum, ein Zinnschaum, ein Zinkschaum oder ein Bleischaum ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn der Metallschaum eine Strukturdichte von 0.2–0.5g/cm3 aufweist. Selbstverständlich fallen auch andere Metallschäume unter die vorliegende Erfindung. Die hier genannten Materialien sind Beispiele für solche Materialien, welche insbesondere vorteilhafte Wärmausdehnungskoeffizienten, Dichten und Elastizitätsmodule aufweisen, die gleichzeitig auf die üblicherweise für sonstige Komponenten in gattungsgemäßen Feldgeräten verwendeten Materialien abgestimmt sind. Das zumindest eine Messrohr, sowie alle weiteren prozessberührenden Komponenten sind dabei beispielsweise häufig aus Edelstahl oder Titan gefertigt.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Metallschaum eine Dichtevariation bzw. eine heterogene Porenverteilung aufweist, derart dass in Bereichen, welche einer erhöhten mechanischen Krafteinwirkung ausgesetzt sind, eine erhöhte Dichte besteht. Diese Ausgestaltung erlaubt besonders individuelle Anpassungen der aus einem Metallschaum-Kunststoff-Verbundmaterial gefertigten Komponente an die verbleibenden Komponenten des Messaufnehmers. Zum einen erlaubt die Möglichkeit die Steifigkeit positionsbezogen einzustellen. Als direkte Folge kann der Materialverbrauch minimal gehalten werden kann, ohne dass die Steifigkeit an den relevanten Stellen darunter leidet. Sie kann dort vielmehr deutlich erhöht werden. Auf der anderen Seite kann in anderen Bereichen, welche keinen hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, unter Umständen eine im Vergleich zu den Komponenten herkömmlicher Messaufnehmer kleinere Steifigkeit bereits ausreichend sein.
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Die Polymermatrix ist bevorzugt ein Polyurethan, ein Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, ein PSI Kunststoff, ein ABS Kunststoff, ein DC Kunststoff, oder ein Integralschaum. Sie wird idealerweise optimal auf den verwendeten Metallschaum und die vorherrschenden Umgebungsbedingungen angepasst. Beispielsweise kann ein chemisch beständiges Material zum Korrosionsschutz verwendet werden. Auch an dieser Stelle sei wieder darauf verwiesen, dass die Aufzählung der möglichen Polymere nicht abschließend ist und noch viele weitere Materialien für die vorliegende Erfindung in Frage kommen.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass jene Komponenten, welche aus einem Verbundwerkstoff gefertigt sind, eine heterogene Struktur aufweisen, derart, dass in einem ersten Bereich die Komponente aus einem Metallschaum besteht, und in einem zweiten Bereich aus einem Kunststoff oder einem Metallschaum und einem Kunststoff, wobei die beiden Bereiche fließend gemäß eines vorgebbaren Gradienten ineinander übergehen. Das ist insbesondere vorteilhaft in Bezug auf die Verbindungsproblematik zwischen verschiedenen aus unterschiedlichen Materialien gefertigten Bauteilen. Beispielsweise kann ein aus einem Metallschaum-Kunststoff-Verbundmaterial gefertigten Träger derart gefertigt sein, dass der Metallschaum zu den Bereichen hin, in welchen der Träger mit den beiden Verteilerstücke und/oder den beiden Prozessanschlüssen, immer stärker verdichtet wird, bis er schließlich in einen rein metallischen Bereich grenzt. Gleichzeitig kann der Kunststoff zu diesen Bereichen hin kontinuierlich abnehmen, derart, dass die Verbindungsbereiche frei von der Kunststoffkomponente sind. Dann können die in der Regel metallischen Verteilerstücke mittels einer metallischen Fügetechnik mit dem Träger verbunden werden. Dies erlaubt eine viel einfachere und stabilere Verbindung als bei einer Verbindung zweier Metallteile, wobei eines von einem Kunststoff umgeben oder teilweise von einem Kunststoff gefüllt ist. Darüber hinaus kann die Problematik der verschiedenen Schmelztemperaturen von Kunststoffen und Metallen umgangen werden. Außer dem genannten Beispiel sind noch viele weitere Möglichkeiten denkbar, welche selbstverständlich ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
- – Herstellung mindestens einer Komponente des Aufnehmer-Gehäuses aus einem Metallschaum,
- – Verbindung und/oder Befestigung der mindestens einen Komponente des Aufnehmer-Gehäuses mit zumindest einem metallischen Bauteil des Messaufnehmers, und
- – Zumindest teilweise Füllen und/oder Umschließen von der zumindest einen Komponente aus dem Metallschaum mit einem Kunststoff.
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Jene Komponente des Aufnehmer-Gehäuses, welche aus einem Metallschaum-Kunststoff-Verbundwerkstoff bestehen soll, wird also nicht zuerst in einem Prozessschritt vollständig erstellt und anschließend mit den weiteren Bauteilen des Messaufnehmers verbunden, sondern es wird zuerst lediglich die Metallschaumstruktur oder das Metallschaumgerüst erstellt. Anschließend werden zuerst die Verbindungen zwischen metallischen Bauteile des Messaufnehmers und der zumindest einen Komponente aus dem Metallschaum hergestellt, insbesondere können Schweiß- oder Lötverbindungen hergestellt werden. Anschließend wird dann der Kunststoff zur der mindestens einen Komponente aus dem Metallschaum hinzugefügt. Auf diese Weise kann die Problematik der unterschiedlichen Schmelztemperaturen für Metalle und Kunststoffe umgangen werden.
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Im Falle dass zumindest eine der Komponenten des Aufnehmer-Gehäuses oder ein am Aufnehmer-Gehäuse zu befestigendes Bauteil des Messaufnehmers aus Kunststoff sind, umfasst eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu folgenden weiteren Verfahrensschritt: Zumindest eine Komponente des Aufnehmer-Gehäuses und/oder eines weiteren Bauteils des Messaufnehmers, welche/welches aus Kunststoff gefertigt ist, wird mit dem Bereich der zumindest einen aus dem Verbundwerkstoff gefertigten Komponente, welcher aus Kunststoff besteht, verbunden. Ist für das jeweilige Feldgerät also vorgesehen, eine Komponente aus Kunststoff am Aufnehmer-Gehäuse anzubringen, ist es von Vorteil, wenn diese Komponente an der zumindest einen Komponente aus dem Verbundwerkstoff angebracht wird. In diesem Falle kann nämlich die zumindest eine weitere Komponente aus einem Kunststoff mittels einer für Kunststoffe optimierten Verbindungstechnik angebracht werden. Dies tritt zum Beispiel bei der Verwendung eines Halsrohres und/oder eines Gehäuses für eine Elektronikeinheit aus Kunststoff, welche am Gehäuse des Feldgeräts anzubringen ist, auf.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden 1 genauer beschrieben. 1 ein gattungsgemäßes Feldgerät mit zwei Messrohren und einem Aufnehmer-Gehäuse mit einem Träger und einer Verschalung (a) in einer Schnittdarstellung mit einem Aufnehmer-Gehäuses, (b) in einer perspektivischen Ansicht in Explosionsdarstellung und (c) in einer Schnittdarstellung ohne Aufnehmer-Gehäuse.
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Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf eine Ausführung eines Feldgeräts 1 mit zwei Messrohren. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die vorliegende Erfindung nicht auf 2-Rohr-Feldgeräte beschränkt ist, und die hier gezeigte Darstellung nur als Beispiel aufzufassen ist.
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1a) zeigt eine Schnittdarstellung eines entsprechenden Feldgeräts 1. Dargestellt sind ein einlassseitiger Prozessanschluss 2a und ein auslassseitiger Prozessanschluss 2b, mittels welcher das Feldgerät 1 in eine bestehende Rohrleitung integriert werden kann, welche hier der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Ferner ist das Aufnehmer-Gehäuse 3 sichtbar, welches in der hier gezeigten Ausführung aus einem Träger 4 in Form eines seitlich zumindest teilweise offenen, insb. rohrförmigen Tragzylinders ausgebildet ist, der mit den beiden Messrohren (9a, 9b s. 1b) verbunden ist, und einer zumindest die beiden Messrohre 9a, 9b umgebenden, am Träger 4 befestigten Verschalung 5. Am Träger 4 ist ferner ein Halsrohr 6 angebracht, mittels welchen Halsrohres 5 eine Elektronikeinheit 7 am Feldgerät 1 angebracht werden kann. Die Elektronikeinheit 7 dient beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung, und -speisung.
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Der Innenaufbau des Feldgeräts ist besser in der perspektivischen Darstellung in 1b) zu erkennen. Im Bereich des einlassseitigen 2a und auslassseitigen Prozessanschlusses 2b sind ein einlassseitiges 8a und ein auslassseitiges 8b (nicht sichtbar) Verteilerstück integriert, welche Verteilerstücke 8a, 8b mit dem Träger 5 mechanisch verbunden sind. Die Stabilität dieser Verbindung ist von großer Wichtigkeit für die Messgenauigkeit des Feldgeräts 1. Die Verteilerstücke 8a, 8b sind ebenfalls mit den beiden Messrohren 9a, 9b verbunden und verteilen das strömende Medium aus der Rohrleitung (nicht sichtbar) auf die beiden Messrohre 9a, 9b.
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Die beiden Messrohre 9a, 9b sind mittels mehrerer Koppelelemente 10 (der Pfeil zeigt lediglich auf ein Koppelelement, es finden sich jedoch entlang des Messrohres mehrere äquivalente Elemente, welche der Übersicht halber nicht mit weiteren Pfeilen versehen sind) mechanisch miteinander gekoppelt. Sie ragen einlassseitig und auslassseitig aus dem Träger 5 heraus, welcher in den jeweiligen Bereichen seitlich offen ist.
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Weitere Details des Aufbaus sind schließlich der Schnittdarstellung in 1c) zu entnehmen. Jedes der beiden Messrohre 9a, 9b verfügt über ein gebogenes zentrales Mittelsegment 11, an welches sich beidseitig jeweils ein bogenförmiges einlassseitiges Zwischensegment 12a und ein bogenförmiges auslassseitiges Zwischensegment 12b anschließt, und wobei sich an die beiden Zwischensegmente 12a, 12b ein jeweils im Wesentlichen gerades parallel zur Rohrleitung verlaufendes Einlasssegment 13a und Auslasssegment 13b anschließen. Ferner ist mindestens eine auf mindestens ein Messrohr 9a, 9b einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung 14 zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen des mindestens einen Messrohres 9a, 9b dargestellt, sowie zwei auf Schwingungen des mindestens einen Messrohres 9a, 9b reagierende Vibrationssensoranordnungen 15a, 15b zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen des mindestens einen Messrohres repräsentierenden Schwingungsmesssignals.
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Erfindungsgemäß ist nun zumindest eine Komponente des Aufnehmer-Gehäuses 3 aus einem Metallschaum-Kunststoff-Verbundwerkstoff. Für die hier gezeigte Ausgestaltung kann also der Träger 4 oder die Verschalung 5 oder beide aus einem entsprechenden Verbundwerkstoff gefertigt werden. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Metallschaum-Kunststoff-Verbundwerkstoffes kann eine mechanisch stabile und steife Konstruktion des Aufnehmer-Gehäuses 3 erreicht werden, die sich insbesondere bei großen Nennweiten darüber hinaus durch ein minimiertes Gewicht auszeichnet. Wie eingangs ausführlich beschrieben, sind viele verschiedene Varianten zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Aufnehmer-Gehäuses 3 denkbar, welche jeweils individuell an die an das jeweilige Feldgerät 1 zu stellenden Anforderungen angepasst werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gattungsgemäßes Feldgerät mit 2 Messrohren
- 2a, 2b
- einlassseitiger, auslassseitiger Prozessanschluss
- 3
- Aufnehmer-Gehäuse
- 4
- Träger
- 5
- Verschalung
- 6
- Halsrohr
- 7
- Elektronikeinheit
- 8a, 8b
- einlassseitiges, auslassseitiges Verteilerstück
- 9a, 9b
- erstes, zweites Messrohr
- 10
- Koppelelemente
- 11
- gebogenes Mittelsegment eines Messrohrs
- 12a, 12b
- einlassseitiges und auslassseitiges Zwischensegment eines Messrohrs
- 13a, 13b
- Einlasssegment, Auslasssegment
- 14
- Erregeranordnung
- 15a, 15b
- Vibrationssensoranordnung
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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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- US 4793191 A [0003]
- US 4823614 A [0003]
- US 4831885 A [0003]
- US 5602345 A [0003]
- US 2007/0151368 A [0003]
- US 2010/0050783 A [0003]
- WO 96/08697 A [0003]
- WO 2009/120222 A [0003]
- WO 2009/120223 A [0003]
- DE 102004060115 A1 [0012]
- DE 102007048881 A1 [0013]
