DE102014119073A1

DE102014119073A1 - Messaufnehmer vom Vibrationstyp

Info

Publication number: DE102014119073A1
Application number: DE102014119073.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Josef Anklin; Ennio Bitto; Gerhard Eckert; Christian Schütze; Christof Huber; Claude Hollinger; Alfred Rieder; Michael Kirst
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US10533884B2; CN107110687A; US20170343404A1; EP3234516A1; WO2016096243A1

Abstract

Messaufnehmer (13) vom Vibrationstyp, insbesondere zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums, welcher Messaufnehmer (13) zumindest umfasst: – ein Gehäusemodul (3), welches über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt ist, und – ein Sensormodul (7) mit zumindest einem zumindest teilweise im Gehäusemodul (3) schwingfähig gehalterten und zumindest zeitweise in Schwingungen versetzten Messrohr (9a, 9b), wobei zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls (3) und/oder des Sensormoduls (7) mittels eines generativen Verfahrens hergestellt ist und Verfahren zur Herstellung zumindest einer Komponente eines Messaufnehmers (13) vom Vibrationstyp, welches Verfahren zumindest die Herstellung der zumindest einen Komponente anhand eines digitalen Datensatzes, welcher zumindest der Form und/oder des Materials und/oder der Struktur der zumindest einen Komponente angibt, mittels eines Urformprozesses, insbesondere mittels eines schichtweisen Aufbringens und/oder Aufschmelzens eines Pulvers, insbesondere eines Metallpulvers, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp, insbesondere zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums. Die Prozessgröße kann eine physikalische oder chemische Prozessgröße sein, und beispielsweise durch den Massendurchfluss des strömungsfähigen Mediums durch die Rohrleitung, aber auch die Dichte oder die Viskosität des Mediums gegeben sein. Das Medium wiederum kann ein Gas, eine Flüssigkeit, oder ein Pulver, aber auch ein anderer strömungsfähiger Stoff sein.
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-Eine-Messgeräte in einer Kompaktbauweise in die jeweilige Rohrleitung integriert und weisen ein Gehäusemodul auf, welches über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt ist. Die Messaufnehmer umfassen ferner ein Sensormodul mit zumindest einem im Gehäusemodul schwingfähig gehalterten mit der Rohrleitung kommunizierenden Messrohr, welches zumindest zeitweise zu 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. 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.
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 im Wesentlichen gerade ist und solche, bei welchen es zumindest abschnittsweise gebogen, insbesondere im Wesentlichen U-, V-, oder trapezförmig, ist, beschrieben worden. Das zumindest eine Messrohr ist zumeist aus einem Metall gefertigt, insbesondere Titan, Zirkon, Tantal oder rostfreier Stahl, und zumindest teilweise innerhalb des Gehäusemoduls angeordnet. Zur Integration des jeweiligen Feldgeräts in eine bestehende Rohrleitung ist dieses ein- und auslassseitig jeweils mit einem Prozessanschluss, insbesondere einem Flansch, gekoppelt.
Für Feldgeräte mit zumindest zwei Messrohren ist im Bereich des einlassseitigen und auslassseitigen Prozessanschlusses jeweils ein sogenanntes Verteilerstück angeordnet. Diese beiden Verteilerstücke sind mechanisch mit dem Gehäusemodul verbunden, und dienen der Aufteilung des strömungsfähigen Mediums auf die jeweilige Anzahl von Messrohren, und der einlassseitigen und auslassseitigen mechanischen Verbindung der zumindest zwei Messrohre miteinander. Zudem kommen für Feldgeräte mit zumindest zwei Messrohren häufig sogenannte Koppelelemente zum Einsatz, mittels welcher die zumindest zwei Messrohre einlassseitig und auslassseitig mechanisch gekoppelt sind, und welche Koppelelemente dem Bilden von Schwingungsknoten dienen.
Dagegen findet die Anbindung an die jeweilige Rohrleitung im Falle von Feldgeräten mit lediglich einem Messrohr mittels eines einlassseitigen und auslassseitigen im Wesentlichen geraden Verbindungsrohrstücks statt. Ferner umfassen Feldgeräte mit lediglich einem Messrohr jeweils wenigstens einen einstückig oder mehrteilig ausgeführten Gegenschwinger, welcher unter Bildung einer einlassseitigen und einer auslassseitigen Kopplungszone an das Messrohr gekoppelt ist. Im Betrieb des Feldgeräts ruht der Gegenschwinger entweder, oder aber wird gleichfrequent, aber gegenphasig zum Messrohr zu Schwingungen angeregt. Beispielsweise kann der Gegenschwinger als im Wesentlichen rohrförmiger Hohlzylinder ausgebildet sein, derart, dass das Messrohr zumindest teilweise von dem Gegenschwinger ummantelt ist.
Im Betrieb wird das zumindest eine Messrohr zu mechanischen Schwingungen in der sogenannte Antriebs- oder Nutzmode mit der sogenannten Nutzfrequenz angeregt, welche üblicherweise durch eine einer Schwingungsmode des zumindest einen Messrohres entsprechenden Frequenz gegeben ist, so dass das zumindest eine Messrohr resonante Schwingungen ausführt. Die mechanischen Schwingungen in der Nutzmode sind im am häufigsten auftretenden Falle, dass diese Schwingungen mit der Resonanzfrequenz in der Grundmode entsprechen, insbesondere im Falle eines Coriolis-Massedurchfluss- und/oder Dichtemesser, in der Regel zumindest anteilig als laterale Biege-Schwingungen ausgebildet. Dabei bildet sich üblicherweise im Bereich der beiden Enden des zumindest einen Messrohres jeweils ein Schwingungsknoten und im dazwischenliegenden Bereich genau ein Schwingungsbauch aus. Aber auch Anwendungen, in welchen die Torsionsmode angeregt wird, sind bekannt geworden.
Wenn das mindestens eine Messrohr vom Medium durchströmt wird, werden innerhalb des Messrohres 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. Je nach Art der induzierten bzw. detektierten Reaktionskraft kann eine andere Prozessgröße erfasst werden. Es korrespondieren beispielweise der Massendurchfluss mit der Coriolis-Kraft, die Dichte des Mediums mit den Trägheitskräften und die Viskosität mit Reibungskräften.
Die Messgenauigkeit, und zum Teil damit einhergehend auch der mögliche Anwendungsbereich, eines gattungsgemäßen Feldgeräts der eingangs beschriebenen Art hängen dabei von vielen verschiedenen Faktoren ab.
Zum einen können äußere Störeinflüsse die Messgenauigkeit negativ beeinflussen. Diese sind beispielsweise gegeben durch Vibrationen der Rohrleitung und/oder des Gehäusemoduls, welche in die Schwingungen des zumindest einen Messrohres einkoppeln können. Aber auch störende Vibrationen durch Druckschwankungen des strömenden Mediums können problematisch sein, oder auch unterschiedliche Temperaturbeanspruchungen der verschiedenen Bauteile. Darüber hinaus hängt die Messgenauigkeit auch damit zusammen, wie das zumindest eine Messrohr im Gehäusemodul befestigt ist. Durch Bewegungen der Endbereiche des zumindest einen Messrohres im Gehäusemodul kann es beispielsweise zu Einspannkräften kommen, welche auf die Prozessanschlüsse und ggf. auch auf die Verteilerstücke wirken und zu Deformationen des Gehäusemoduls führen können. Es ist also wünschenswert, solche und auch andere Störeinflüsse wirksam zu minimieren.
Beispielsweise können in dieser Hinsicht verschiedene konstruktive Maßnahmen bezüglich des mechanischen Aufbaus und den Verbindungen der einzelnen Komponenten des jeweiligen Messaufnehmers ergriffen werden. Die Verbindungen zwischen dem zumindest einen Messrohr, den Prozessanschlüssen und ggf. Verteilerstücken, sowie dem Gehäusemodul sollten möglichst stabil und steif sein. Außerdem sollte die Möglichkeit einer Übertragung von Schwingungen des Gehäusemoduls auf das zumindest eine Messrohr reduziert werden. Nun ist es aber so, dass viele dieser Maßnahmen mit einer deutlichen Gewichtszunahme einhergehen, was wiederum insbesondere im Bereich von Feldgeräten größerer Nennweite unerwünscht ist.
Zum anderen hängt die Messgenauigkeit aber auch von den Schwingungseigenschaften des zumindest einen Messrohres ab. Hier gilt eine besondere Beachtung dem Frequenzspektrum, also der Lage der Frequenzen der Schwingungsmoden des zumindest einen Messrohres. Dieses hängt unter anderem von der Größe, Geometrie, Steifigkeit, Masseverteilung und dem Material, aus welchem es gefertigt ist, sowie gegebenenfalls von der momentanen Dichte, Viskosität und/oder der Temperatur des jeweiligen Mediums, ab.
Ein wichtiger Aspekt mit Hinblick auf eine möglichst störungsfreie Messung gilt der Anpassung der Lage der Frequenzen der Schwingungsspektren von dem zumindest einen Messrohr und dem Gehäusemodul. Die Schwingungsmoden beider Komponenten sollten nämlich nicht bei gleichen Frequenzen liegen. Da die Resonanzfrequenzen grundsätzlich sowohl von der Masseverteilung als auch von der Steifigkeit der jeweiligen Komponente abhängt, können durch Variation dieser Parameter die Lagen der einzelnen Schwingungsmoden beeinflusst werden. Diesen Maßnahmen sind allerdings von der konstruktiver Seite Grenzen gesetzt, da gewisse vom physikalischen Standpunkt betrachtet vorteilhafte Geometrien, z. B. bestimmte Rohrformen, oder Krümmungsradien des zumindest einen Messrohres, mit gängigen Herstellungsverfahren nicht oder nur schwer und/oder sehr aufwendig realisierbar sind.
Weiterhin ist es für eine hohe Messgenauigkeit wünschenswert, wenn die Steifigkeit des zumindest einen Messrohres gezielt auf die jeweilige Anwendung angepasst werden könnte. Beispielsweise hängt die Amplitude des Schwingungsmesssignals von der Steifigkeit des Messrohres ab. Nun ist es aber so, dass sich durch eine Änderung der Masseverteilung nicht nur die Steifigkeit sondern auch die Lage der Schwingungsmoden innerhalb des Schwingungsspektrums des zumindest einen Messrohres ändert. Allerdings wäre es oftmals von Vorteil, entweder nur die Steifigkeit bei gleich bleibendem Frequenzspektrum oder aber nur das Frequenzspektrum bei gleich bleibender Steifigkeit zu variieren. Solche Forderungen lassen sich aber erneut nur durch äußerst schwierig und/oder aufwendig umsetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welcher Messaufnehmer sich durch eine möglichst hohe Messgenauigkeit bei möglichst einfacher Herstellung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp, insbesondere zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums, welcher Messaufnehmer zumindest umfasst:

– ein Gehäusemodul, welches über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt ist, und
– ein Sensormodul mit zumindest einem zumindest teilweise im Gehäusemodul schwingfähig gehalterten und zumindest zeitweise in Schwingungen versetzten Messrohr,

Unter einem generativen, oder auch additiven Fertigungsverfahren sei im Folgenden ein solches Verfahren zu verstehen, bei welchem in einem Urformprozess plastische Teile entstehen. Generative Fertigungsverfahren, welche im Prinzip eine industrialisierte und massentaugliche Weiterentwicklung des sogenannten Rapid Prototyping darstellen, halten seit einigen Jahren zunehmend Einzug in der industriellen Fertigung. Eine Übersicht über die verschiedenen Prinzipien und gängigsten Verfahren ist entsprechend aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt.
Allen generativen Fertigungsverfahren ist gemeinsam, dass das gewünschte dreidimensionale Werkstück zuerst per Computer mittels eines Modells oder auch frei per CAD entworfen und digitalisiert wird. Anschließend wird das Werkstück gemäß der digitalen Daten schichtweise aus einem oder mehreren flüssigen oder festen, insbesondere pulverförmigen, Rohmaterialien unter Ablauf physikalischer oder chemischer Härtungs- oder Schmelzprozesse aufgebaut. Typische Rohmaterialien sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle, wobei je nach verwendetem Material ein anderes Funktionsprinzip zum Tragen kommt.
Generative Fertigungsverfahrens bieten folgend genannte Vorteile:
Zum einen wird durch den Urformprozess der Materialverlust gegenüber trennenden Fertigungsverfahren deutlich reduziert. Weiterhin bringt die Anwendung generativer Verfahren eine Zeitersparnis mit sich, da die jeweils zu fertigenden Teile direkt vor Ort hergestellt werden können und die Produktion nicht auf die Zulieferung verschiedener Einzelteile angewiesen ist. Der wesentliche Vorteil liegt jedoch darin, dass mittels eines regenerativen Fertigungsverfahrens jede beliebige dreidimensionale Struktur entworfen, und spanlos und/oder fugenfrei hergestellt werden kann. Somit wird die Herstellung hochkomplexer Teile ermöglicht, welche mittels anderer Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind.
Bezogen auf einen Messaufnehmer vom Vibrationstyp erlaubt die Anwendung eines generativen Verfahrens entsprechend, dass einzelne Komponenten mit bisher nicht realisierbaren Formen konstruiert werden können, welche besondere technische Vorteile aufweisen. So kann zum Beispiel die Ausgestaltung des Messrohres optimal auf die messtechnischen Bedingungen angepasst werden. Ferner lässt sich die Lage der Schwingungsmoden innerhalb des Frequenzspektrums des zumindest einen Messrohres mit dessen Steifigkeit und Masseverteilung aufeinander abstimmen, auch in Bezug auf das Gehäuse. Außerdem können Komponenten, welche bisher einzeln gefertigt und anschließend zusammengebaut werden mussten, nun aus einem Stück gefertigt werden. Dies erhöht gegebenenfalls die Stabilität und reduziert das Auftreten von Störeinflüssen aufgrund von Fremdvibrationen. Darüber hinaus beschleunigt es Montagezeiten.
Vorteilhaft umfasst der Messaufnehmer ferner

– mindestens eine auf das mindestens eine Messrohr einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen des mindestens einen Messrohres,
– mindestens eine auf Schwingungen des mindestens einen Messrohres reagierenden Vibrationssensoranordnung zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen des mindestens einen Messrohres repräsentierenden Schwingungsmesssignals,

Bei der zumindest einen Komponente, welche mittels eines generativen Verfahrens hergestellt wird, kann es sich beispielsweise um das zumindest eine Messrohr oder um das Gehäusemodul, handeln. Es kann entweder eine einzelne Komponente auf diese Weise gefertigt sein oder aber zumindest zwei Komponenten gemeinsam aus einem Stück. Letzteres spart insbesondere zumindest einen Schritt in der Montage des Messaufnehmers. Auch ist eine fugenfreie Verbindung zweier Teile üblicherweise besonders stabil und steif, was ebenfalls einen Vorteil darstellt.
Die vorliegende Erfindung lässt eine Vielzahl an Ausgestaltungen zu, von denen einige Gegenstand der Unteransprüche sind. Manche Ausgestaltung lassen sich auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponenten anwenden, manche betreffen einzelne spezifische Komponenten, für welche komponentenspezifische Anforderungen erfüllt werden sollen. Es sei darauf verwiesen, dass die hier genannten Beispiele keine abschließende Aufzählung der Gestaltungsmöglichkeiten darstellen, sondern dass neben den genannten eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten denkbar ist, welche alle ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
Unabhängig von der jeweiligen Komponente ist ein übergeordnetes Bestreben dadurch gegeben, die Steifigkeit der Komponente gezielt zu beeinflussen. Dies gilt insbesondere für das zumindest eine Messrohr, aber auch für das Gehäusemodul. Die Verwendung eines generativen Herstellungsprozesses mit den oben aufgeführten Vorteilen eröffnet in dieser Hinsicht unzählige neue Möglichkeiten, von denen einige im Folgenden genannt werden.
Durch die gezielte, insbesondere auch anisotrope, Beeinflussung der Steifigkeit zumindest einer Komponente eines Messaufnehmers vom Vibrationstyp können beispielsweise je nach Komponente folgende vorteilhafte Wirkungen erreicht werden: Wird die Konstruktion des zumindest einen Messrohres betrachtet, so lässt sich bei gleichbleibender Lage der Schwingungsmoden eine möglichst geringere Steifigkeit erzielen, was zu einem größeren Schwingungsmesssignal und damit einhergehend zu einer höheren Messgenauigkeit führen kann. Insbesondere kann die Steifigkeit positionsspezifisch derart erhöht oder verringert werden, dass sie angepasst an die Nutzmode entlang des Messrohres in Bereichen von Schwingungsbäuchen unterschiedlich ist im Vergleich zu Bereichen mit Schwingungsknoten, was ebenfalls vorteilhaft für die Messperformance sein kann.
Ähnlich kann es für das Gehäusemodul von Vorteil sein, wenn die Steifigkeit in Bereichen, in welchen die auf das Gehäuse einwirkenden Kräfte besonders groß sind, wie beispielsweise im Bereich der Verbindung des Gehäusemoduls mit den Prozessanschlüssen und gegebenenfalls mit den Verteilerstücken, größer ist als in anderen Bereichen, welche keinen großen Krafteinwirkungen ausgesetzt sind. Dabei sollte allerdings insbesondere bei großen Nennweiten die Masse des Gehäusemoduls nicht oder nur geringfügig gegenüber einer herkömmlichen Ausgestaltung erhöht werden, da die Leergewichte gattungsgemäßer Feldgeräte mit großen Nennweiten ohnehin schon sehr hoch, insbesondere im Bereich mehrere hundert Kilogramm, sind. Ferner steigt bei dem Gehäusemodul mit zunehmender Steifigkeit die Lage der Frequenz der Grundschwingungsmode, so dass durch Variation der Steifigkeit die Lage der Schwingungsmoden des Frequenzspektrums des Gehäusemodul gezielt von der des zumindest einen Messrohres getrennt werden kann.
In einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers variieren die Wandstärke, und/oder die Steifigkeit, und/oder die Masseverteilung und/oder die Dichte der zumindest einen Komponente entlang der Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Mediums, und sind insbesondere heterogen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das zumindest eine Messrohr abschnittsweise unterschiedliche Steifigkeiten aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Wandung der zumindest einen Komponente zumindest im äußeren Bereich zumindest in einem Teilbereich ein Profil aufweist, insbesondere ein Rillenprofil, Zackenprofil oder Zahnprofil. Auch durch diese Maßnahme lässt sich die Steifigkeit der zumindest einen Komponente gezielt beeinflussen. Dabei ist es je nach Komponente des Messraufnehmers sowohl denkbar, die Wandung mit einer Riffelung zu versehen, als auch eine Integration von Öffnungen/Hohlräumen innerhalb der Wandung vorzunehmen.
Ein weiteres übergeordnetes Bestreben liegt in der Reduktion einkoppelnder Störeinflüsse, insbesondere der durch Fremdvibrationen. Das Auftreten solcher Einflüsse lässt sich grundsätzlich nicht verhindern, da das jeweilige Feldgerät in der Regel in eine bestehende Rohrleitung integriert wird und mit dieser mechanisch fest und dicht verbunden ist. Deshalb ist es von Vorteil, einzelne Komponenten des Messaufnehmers, insbesondere in Bezug auf die Geometrie und/oder Materialwahl, derart auszulegen, dass sie einkoppelnde Schwingungen und/oder andere Störeinflüsse dämpfen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist deshalb innerhalb der Wandung der zumindest einen Komponente mindestens eine Kapsel mit eingeschlossenem Pulver, und/oder mindestens ein Hohlraum integriert. Der Einschluss von pulvergefüllten Kapseln und/oder Hohlräumen in die Wandung der zumindest einen Komponente bietet insbesondere eine Dämpfung gegenüber Fremdvibrationen, aber auch anderer Störeinflüsse.
Diese Möglichkeit lässt sich insbesondere erst mittels eines generativen Verfahrens zielgerichtet verwirklichen. Grundsätzlich wird während des schichtweisen Aufbaus der zumindest einen Komponente beispielsweise das jeweils verwendete Rohmaterial, insbesondere ein Pulver, in einzelnen kleineren entsprechend ausgezeichneten Bereichen, den Kapseln, nicht ausgehärtet. Während der Aushärtung der jeweiligen Komponente wird dann das jeweilige Rohmaterial innerhalb der speziell ausgezeichneten Bereiche eingeschlossen.
Eine weitere Ausgestaltung zur Reduzierung von Störeinflüssen sieht vor, dass innerhalb der Wandung der zumindest einen Komponente zumindest ein Hohlraumkanal oder in zumindest einem Teilbereich innerhalb der Wandung eine offenporige Struktur, insbesondere eine poröse Struktur oder eine Wabenstruktur, integriert ist. Wieder ist die Realisierung einer solchen Lösung ohne ein generatives Fertigungsverfahren nur sehr schwer oder auch nicht möglich.
Es ist von Vorteil, wenn das zumindest eine Messrohr mittels des generativen Verfahrens hergestellt ist. Die Anwendung eines solchen Verfahrens ermöglicht eine Vielzahl neuer vorteilhafter Ausgestaltungen, welche über die vorteilhaften Eigenschaften herkömmlicher Messrohre deutlich hinausgehen. Insbesondere ist eine Vielzahl an bisher nicht realisierbaren Geometrien denkbar, welche von der technischen Seite her große Vorteile bringen. Für das zumindest eine Messrohr als schwingfähige Einheit des Feldgeräts kann eine geschickte Wahl der Geometrien und Materialien in Bezug auf die resultierenden Schwingungseigenschaften die erreichbare Messgenauigkeit in hohem Maße bestimmen.
Einige Beispiele für vorteilhafte Ausgestaltungen des zumindest einen Messrohres, welche größtenteils erst durch die Anwendung eines generativen Verfahrens sinnvoll herstellbar sind, seien im Folgenden genannt, wobei darauf verwiesen sei, dass diese Aufzählung nicht abschließend ist. In einer Ausgestaltung ist im äußeren Bereich der Wandung des zumindest einen Messrohres zumindest ein Verbindungsstück zur Befestigung von zumindest einer Komponente der Erregeranordnung und/oder Vibrationssensoranordnung angebracht, wobei das zumindest eine Verbindungsstück und die Wandung des zumindest einen Messrohrs gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind. Die Herstellung eines Messrohres ohne den Bedarf an weiteren Anbauteilen zur Befestigung weiterer Komponenten erspart zum einen Zeit in der Montage des Feldgeräts. Zum anderen resultiert eine direkte Herstellung des Messohres mit den entsprechenden Verbindungsstücken fugenfrei aus einem Stück in einer deutlich festeren und stabileren Verbindung. Dies kann insbesondere in Bezug auf Vibrationen vorteilhaft sein.
In einer Ausgestaltung ist die Querschnittsfläche des zumindest einen Messrohres rund, sternförmig, quadratisch, oval, oder kreissegmentförmig, insbesondere D-förmig, und/oder die Querschnittsfläche des zumindest einen Messrohres variiert entlang der Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Mediums in Bezug auf den Flächeninhalt und die Flächenform. Unterschiedliche Geometrien resultieren in unterschiedlichen Steifigkeiten des Messrohres. Beispielsweise weist eine sternförmige Geometrie durch eine geringere Steifigkeit gegenüber einer runden Querschnittsfläche auf, so dass die Lage der Resonanzfrequenz der Grundschwingungsmode sinkt. Damit kann eine größere Genauigkeit im Hinblick auf eine Bestimmung der Viskosität erzielt werden. Ein kreissegmentförmiger Querschnitt bringt daneben beispielsweise zusätzlich eine Platzersparnis. Außerdem sind bestimmte Geometrien für die Anregung spezieller Schwingungsmodi, wie beispielsweise der Torsionsmode vorteilhafter als andere.
In einer Ausgestaltung ist im inneren Bereich der Wandung des zumindest einen Messrohres zumindest ein strömungsformendes Modul, insbesondere eine in die innere Wandfläche eingebrachte Lamelle, ein Strömungsgleichrichter oder ein Filter, oder zumindest eine Trennwand, welche das Innenvolumen in zumindest zwei Bereiche teilt, integriert, wobei die Wandung des zumindest einen Messrohrs und das zumindest eine strömungsformende Modul gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind. Somit können Störeinflüsse, welche durch die Strömung selbst hervorgerufen werden, minimiert werden. Trennwände bringen beispielsweise je nach Verwendung eine Platzersparnis. Weiterhin ist es so, dass insbesondere eine Verfeinerung der Einzelrohre in mehrere Teilrohre die Änderungen der Steifigkeit zwischen dem leeren Rohr und dem vom Medium durchströmten Rohr zur Folge hat. Dadurch werden ebenfalls Störeffekte, welche durch das strömende Medium auftreten, insbesondere durch die mitbewegte Masse des Mediums durch die Schwingungen des Messrohres, reduziert.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Wandstärke des zumindest einen Messrohres in solchen Bereichen, in welchen die Auslenkung des zumindest einen Messrohres im Falle, dass es mechanische Schwingungen in der ersten und/oder zweiten Schwingungsmode ausführt, maximal ist, größer ist als in solchen Bereichen, in welchen Knotenpunkte der ersten und/oder zweiten Schwingungsmode liegen.
In einer Ausgestaltung umfasst der Messaufnehmer zumindest eine Bypassleitung, durch welchen eine Teilmenge des strömenden Mediums fließt, wobei die Wandung des zumindest einen Messrohrs und die zumindest eine Bypassleitung gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind. In der Bypassleitung kann dann beispielsweise ein weiterer Sensor zur Erfassung einer weiteren Prozessgröße, beispielsweise der Temperatur, integriert sein.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass im inneren Bereich der Wandung des zumindest einen Messrohres zumindest ein Zugelement, insbesondere eine Zugsstrebe oder ein Zugband angeordnet ist, welches Zugelement an zwei Kontaktbereichen an der Innenwand des zumindest einen Messrohres befestigt ist. Diese weisen eine stabilisierende Wirkung auf, derart, dass sich das zumindest eine Messrohr im Falle eines unter Druck strömenden Mediums nicht oder weniger wölbt.
In einer Ausgestaltung ist das zumindest eine Messrohr zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gekrümmt, insbesondere U-, V-, trapez-, oder helixförmig, ausgebildet. Generative Verfahren erlauben in dieser Hinsicht bisher nicht mögliche Krümmungsradien des Messrohres, aber auch völlig neue Krümmungsanordnungen, wie helixförmige, oder schraubenförmige Messrohre.
Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass am äußeren Bereich der Wandung des zumindest einen Messrohrs zumindest ein Masseelement angeordnet ist, welches zumindest eine Masseelement mittels zumindest einer Befestigungseinheit, insbesondere einer parallel oder senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufenden Strebe, einem radial um die Wandung des zumindest einen Messrohrs verlaufenden Ring, oder einem entlang der Wandung des zumindest einen Messrohrs parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Kamm, an der äußeren Wandung des zumindest einen Messrohres befestigt ist, derart, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen zwischen der zumindest einen Befestigungseinheit und des zumindest einen Masseelements und/oder der zumindest einen Befestigungseinheit und dem äußeren Bereich der Wandung des zumindest einen Messrohres minimal ist, und wobei das zumindest eine Messrohr, das zumindest eine Masseelement, und die zumindest eine Befestigungseinheit gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind. Auf diese Weise wird durch das Hinzufügen von zumindest einem Masseelement die Masseverteilung geändert bzw. erhöht, wodurch sich die Lage der Schwingungsmoden innerhalb des Frequenzspektrums, also die Frequenzen, welche bestimmte Schwingungsmoden anregen, geändert. Vorteilhaft wird allerdings durch diese Maßnahme die Steifigkeit des zumindest einen Messrohres nur minimal verändert, da die Kontaktflächen zwischen der zumindest einen Befestigungseinheit und dem zumindest einen Messrohr minimiert werden. Somit können die ansonsten voneinander abhängigen Größen mittels einer Konstruktion entsprechend dieser Ausgestaltung unabhängig voneinander variiert werden. Es sind sowohl symmetrische als auch asymmetrische Verteilungen der Masseelemente denkbar, wobei die Anordnung auf die jeweils gewünschten Eigenschaften gezielt abgestimmt werden kann. Entsprechend lässt diese Ausgestaltung eine Vielzahl möglicher Geometrien zu, welche alle unter die vorliegende Erfindung fallen.
Gemäß einer Ausgestaltung sind an die äußere Wandung des zumindest einen Messrohres zumindest zwei auf gegenüberliegenden Seiten des zumindest einen Messohres liegende Kämme angebracht, wobei das zumindest eine Messrohr und die zumindest zwei Kämme gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind. Diese Maßnahme hat eine Richtungsabhängigkeit der Steifigkeit zur Folge. Da die Schwingungsbewegungen des zumindest einen Messrohres in verschiedene Richtungen unterschiedlich sind, kann so die Steifigkeit des Messohres für unterschiedliche Schwingungsmoden unterschiedlich sein.
In einer Ausgestaltung umfasst das Sensormodul des Messaufnehmers zumindest

– ein einziges Messrohr, und
– zwei Prozessanschlüsse,

In einer alternativen Ausgestaltung weist das Sensormodul des Messaufnehmers zumindest,

– zumindest zwei Messrohre,
– zwei Verteilerstücke, welche das strömende Medium jeweils einlassseitig und auslassseitig von der Rohrleitung auf die zumindest zwei Messrohre verteilen, und die Rohrleitung und die zumindest zwei Messrohre verbinden, und
– zwei Prozessanschlüsse,

Außerdem ist es von Vorteil wenn bei einem Messaufnehmer mit zumindest zwei Messrohren jedes der zwei Verteilerstücke ein mehrfach verzweigtes, zusammenhängendes Innenvolumen aufweist. Dadurch kann der Strömungsverlauf optimiert werden. Außerdem erlaubt diese Art von Verteilerstücken die Anwendung des Messaufnehmers in einer verzweigten Leitung mit zentraler Durchflussmessung.
Spezielle Ausgestaltungen mit vorteilhaften Wirkungen ergeben sich ebenfalls für das Gehäusemodul. Entsprechend ist in einer Ausgestaltung zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls mittels des generativen Verfahrens hergestellt. Auch hier sei wieder darauf verwiesen, dass die folgenden Aufzählung an Gestaltungsmöglichkeiten keinesfalls vollständig ist, sondern dass noch viele weitere Varianten unter die vorliegende Erfindung fallen.
In einer Ausgestaltung ist im Inneren von zumindest einer Komponente des Gehäusemoduls zumindest teilweise eine Füllung, insbesondere eine Füllung mit einer porösen Struktur oder Wabenstruktur, angeordnet, welche Füllung entweder nachträglich in die zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls eingebracht ist, oder welche Füllung und die zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt sind. Die Füllung wirkt schwingungsdämpfend in Bezug auf Fremdvibrationen und/oder äußere Störeinflüsse. Wählt man darüber hinaus einen Füllstoff, welcher bereits bei sehr geringer Dichte gute schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweist, so kann erreicht werden, dass sich das Gewicht des Gehäusemoduls nicht oder nur geringfügig erhöht, was insbesondere bei Feldgeräten größerer Nennweiten einen beträchtlichen Vorteil bringt.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest eine Komponente einer Elektronikeinheit, insbesondere ein Gehäuse, zumindest eine elektrische Durchführung und/oder eine mechanisches Übergangsstück, insbesondere für eine Ex-Schutz Durchführung, mit zumindest einer Komponente des Gehäusemoduls gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt ist. Dies bringt sowohl Vorteile in Bezug auf die Montage, als auch in Bezug auf die Stabilität der Befestigung der Komponente an oder in dem Messaufnehmer.
In einer Ausgestaltung weist das Gehäusemodul einen Träger, mit welchem das mindestens eine Messrohr einlassseitig und auslassseitig mechanisch verbunden ist, und eine Verschalung, welche das mindestens eine Messrohr umgibt, auf. Dann ist es von Vorteil, wenn zumindest der Träger und/oder zumindest einer der Prozessanschlüsse und/oder zumindest eines der Verteilerstücke gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind. 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 Messrohr teilweise seitlich aus dem Tragzylinder herausragt.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest ein weiteres Sensorelement zur Erfassung einer weiteren Prozessgröße, insbesondere der Temperatur oder des Druckes, in zumindest eine der Teilkomponenten des Gehäusemoduls und/oder Sensormoduls integriert ist, wobei die mindestens eine Komponente des Gehäusemoduls oder Sensormoduls und zumindest eine Komponente des weiteren Sensorelements gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt sind.
Es versteht sich von selbst, dass auch mehrere der hier genannten Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden können, um die Messgenauigkeit des Messaufnehmers zu steigern. Es wäre auch denkbar, dass zumindest alle mechanischen Komponenten eines Messaufnehmers gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Für einen erfindungsgemäßen Messaufnehmer ist es ferner von Vorteil, wenn zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls und/oder des Sensormoduls aus einem Metall, insbesondere rostfreier Stahl oder Tantal, einem Verbundwerkstoff, insbesondere einem Faserverbundwerkstoff, einem Glas oder einem Kunststoff gefertigt ist. Aber auch andere Materialien können vorteilhaft verwendet werden. Zumindest prozessberührende Komponenten werden häufig auf die bestehenden Rohrleitungen, in welche der Messaufnehmer integriert werden soll, angepasst.
Vorteilhaft ist außerdem, wenn auf zumindest einen Teilbereich zumindest einer Oberfläche von zumindest einer Komponente des Gehäusemoduls und/oder des Sensormoduls eine Beschichtung, insbesondere zur Vermeidung von Korrosion, Abrasion und/oder Belagsbildung, aufgebracht ist. Insbesondere ist die Beschichtung aufgeschmolzen oder aufgeschweißt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht schließlich vor, dass die zumindest eine Prozessgröße gegeben ist durch den Massedurchfluss, die Dichte, oder die Viskosität des Mediums.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung zumindest einer Komponente eines Messaufnehmers vom Vibrationstyp, insbesondere zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums, insbesondere eines Messaufnehmers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher Messaufnehmer zumindest umfasst:

– ein Gehäusemodul, welches dazu ausgelegt ist, über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt zu werden, und
– ein Sensormodul mit zumindest einem im Gehäusemodul schwingfähig gehalterten Messrohr, welches zumindest zeitweise in Schwingungen versetzt wird,

Wie oben bereits beschrieben, eröffnet die Anwendung eines generativen Fertigungsverfahrens insbesondere neue vorteilhafte Möglichkeiten der Formgebung und Ausgestaltung, der jeweiligen mittels dieses Verfahrens hergestellten Werkstücke. Es können einzelne oder mehrere Komponenten eines Messaufnehmers mittels eines solchen Verfahrens hergestellt werden. Neben einer vereinfachten zeit- und materialsparenden Fertigungsweisen, die darüber hinaus auch direkt beim Kunden stattfinden kann, kann die Beschaffenheit der jeweiligen Komponente in Bezug auf diverse messtechnisch relevante physikalische Zusammenhänge optimiert werden. Einige Beispiele messtechnisch oder anderweitig vorteilhafter Bedingungen an die Konstruktion einer Komponente eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers werden im Folgenden genannt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass es je nach Anwendung und den damit einhergehenden Anforderungen an den Messaufnehmer ebenfalls zweckdienlich sein kann, andere Bedingungen aufzustellen und zu berücksichtigen.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bestimmung der Form und/oder Struktur und/oder des Materials der zumindest einen Komponente die Geometrie, Masseverteilung, und/oder Steifigkeit der zumindest einen Komponente derart eingestellt, insbesondere mittels einer iterativen Simulation, insbesondere einer Finite-Elemente Simulation, dass eine vorgebbare Bedingung erfüllt wird.
Da bei der Anwendung eines generativen Fertigungsverfahren das zu fertigende Werkstück zuerst per Computer mittels eines Modells oder auch frei per CAD entworfen und digitalisiert wird, ergeben sich für die Optimierung der Formgebung und der Materialien vielfältige Möglichkeiten. Es können einerseits analytisch oder auch empirisch bestimmte Kriterien in Form von Gleichungen und/oder Formeln angegeben werden, welche bei der Erstellung zu berücksichtigen sind. Aber auch Simulationsverfahren, insbesondere iterative Simulationsverfahren wie beispielsweise die sogenannte Finite-Elemente Methode, können Anwendung finden, um die Formgebung des jeweiligen Werkstücks im Hinblick auf dessen verschiedene charakteristische Größen wie beispielsweise die Dichte, Masse, Steifigkeit, und/oder Geometrie zu optimieren. Dadurch, dass die Komponente erst digital erstellt wird, lässt sich bei der Auffindung der optimalen Geometrie erheblich Zeit einsparen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Steifigkeit der zumindest einen Komponente konstant gehalten wird, während zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden der zumindest einen Komponente auf einen vorgebbaren Wert eingestellt wird. Wie bereits beschrieben, hängt insbesondere die Resonanzfrequenz der Grundschwingungsmode von der Steifigkeit und der Masse bzw. Massenverteilung der jeweiligen Komponente ab. Um die Steifigkeit konstant zu halten und die Frequenz einzustellen, muss in diesem Falle die Masse bzw. Masseverteilung derart geändert werden, dass die Steifigkeit durch die jeweilige Maßnahme nicht gleichzeitig mitverändert wird. Insofern bietet sich das hier beschriebene Verfahren beispielsweise insbesondere in Kombination mit der Ausgestaltung des Messaufnehmers, in welcher die Integration zusätzlicher Masseelemente vorgesehen ist, an. Da bei der die Masseelemente beinhaltenden Ausgestaltung des zumindest einen Messrohres die Kontaktfläche zwischen etwaigen Verbindungstücken zur Befestigung der Masseelemente an dem Messrohr minimal gehalten wird, bleibt die Steifigkeit entsprechend im Wesentlichen unverändert.
Umgekehrt sieht eine andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden der zumindest einen Komponente konstant gehalten wird, während zumindest die Steifigkeit auf einen vorgebbaren Wert eingestellt wird. Dabei kann die Steifigkeit anisotrop verändert werden, aber auch über das gesamte Messrohr erhöht oder verringert werden. Welche Variante zweckdienlicher ist, hängt von den messtechnischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung für den Messaufnehmer ab.
Eine Ausgestaltung sieht ferner vor, dass die Masseverteilung, Steifigkeit und/oder Geometrie der zumindest einen Komponente derart gewählt wird, dass zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden des Gehäusemoduls und zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden des Sensormoduls voneinander verschieden sind. Hier können entweder eine oder mehrere Komponenten des Gehäusemoduls, eine oder mehrere Komponenten des Sensormoduls oder auch zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls und eine Komponente des Sensormoduls gleichzeitig optimiert und aufeinander abgestimmt werden, um eine möglichst gute Entkopplung über ein alle messtechnisch relevanten Schwingungsmoden enthaltendes Frequenzintervall zu erzielen. Dies reduziert deutlich das Einkoppeln störender Vibrationen des Gehäuses in das Schwingungsmesssignal.
In einer Ausgestaltung ist die zumindest eine Komponente das zumindest eine vom Fluid durchströmte Messrohr, wobei die Geometrie, Steifigkeit und/oder Masseverteilung des zumindest einen Messrohrs derart gewählt werden, und wobei das Strömungsprofil konditioniert und zumindest ein durch die Strömung des Mediums hervorgerufener Störeffekt minimiert wird. Dies lässt sich beispielsweise durch in Verbindung mit einer anderen Ausgestaltung beschriebenen strömungsformenden Module bewirken. Aber auch andere Maßnahmen, wie besonders ausgestaltete Verteilerstücke, variable Querschnittflächen des zumindest einen Messrohres oder ähnliches können dazu geeignet sein, das Strömungsprofil zu beeinflussen. Welche Maßnahme in welchem Falle zielführend ist, hängt wieder von der Beschaffenheit des jeweiligen strömungsfähigen Mediums und der jeweiligen Anwendung des Messaufnehmers ab.
Es ist von Vorteil, wenn der Urformprozess zur Fertigung der zumindest einen Komponente das selektive Lasersintern, das selektive Laserschmelzen, das Laserauftragsschweissen, das Metall-Pulver-Auftragsverfahren, das Fused Deposition Modeling, das Multi Jet Modeling, das Color Jet Printing, oder das LaserCUSING ist. Dies sind einige der gängigen generativen Fertigungsverfahren.
Wie eingangs beschrieben, basieren die generativen Fertigungsverfahren im Wesentlichen auf dem sogenannten Rapid Prototyping (schnelle Modellbidlung). Entsprechend wird der Begriff Rapid Prototyping manchmal auch als ein Oberbegriff für verschiedene Fertigungsverfahren zur schnellen Herstellung von Musterwerkstücken ausgehend von digitalen Konstruktionsdaten verwendet, bei welchen elektronische Daten eines dreidimensionalen Modells des Werkstücks möglichst ohne manuelle Umwege oder Formen direkt und schnell umgesetzt werden. Alle auch unter diesem Begriff bekannt gewordenen Verfahren haben gemeinsam, dass das jeweilige Werkstück schichtweise aus formlosem oder formneutralem Rohmaterial unter Nutzung physikalischer und/oder chemischer Effekte aufgebaut wird.
Beim Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung) wird ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut, wobei sich die einzlnen Schichten zu einem fertigen Werkstück verbinden. Maschinen für die Schmelzschichtung gehören zur Maschinenklasse der 3D-Drucker. Das Verfahren basiert auf der Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterials durch Erwärmung. Beim anschließenden Abkühlen erstarrt das Rohmaterial. Der Rohmaterialauftrag erfolgt durch Extrudieren mit einer in der Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse.
Beim Multi-Jet Modeling bezeichnet wird das Werkstück durch einen Druckkopf mit mehreren linear angeordneten Düsen, der ähnlich wie der Druckkopf eines Tintenstrahldruckers funktioniert, schichtweise aufgebaut. Entsprechende für dieses Verfahren geeignete Maschinen gehören üblicherweise ebenfalls zur Maschinenklasse der 3D-Drucker. Aufgrund der geringen Größe der während des Verfahrens erzeugten Tröpfchen können auch feine Details in ein Werkstück eingearbeitet werden. Als Rohmaterial eigenen sich beispielsweise UV-empfindliche Photopolymere. Diese Rohmaterialien in Form von Monomeren werden unmittelbar nach dem „Aufdrucken” auf die bereits vorhanden Schichten mittels UV-Licht polymerisiert und dabei vom flüssigen Ausgangszustand in den festen Endzustand überführt.
Beim selektiven Lasersintern handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem ein Werkstück durch einen Sinter-Prozess schichtweise aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff, insbesondere Polyamid, ein andere Kunststoff, ein kunststoffbeschichteter Formsand, oder ein Metall- oder Keramikpulver, hergestellt wird. Auch hier kommen wieder häufig 3D-Druckmaschinen zum Einsatz. Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig aufgebracht. Die Schichten werden durch eine positionsselektive Einstrahlung von Licht mittels eines Lasers, insbesondere eines Co2-Lasers, eines Nd:YAG-Lasers oder ein Faserlasers entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Das Pulver wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in der Rakel zur Verfügung gestellt. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikaler Richtung. Die Energie, die vom Laser zugeführt wird, wird vom Pulver absorbiert und führt zu einem lokal begrenzten Sintern oder Verschmelzen von Partikeln unter Reduktion der Gesamtoberfläche. Auf diese Weise können beliebige dreidimensionale Werkstücke erzeugt werden, insbesondere solche, welche sich mittels konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigungsverfahren nicht herstellen lassen.
Grundsätzlich werden bei den laserbasierten Verfahren verschiedene Verfahrensvarianten unterschieden. Bei der klassischen Variante werden die Pulverkörner nur partiell aufgeschmolzen und es findet quasi ein Flüssigphasensinterprozess statt. Diese Variante findet Anwendung beim Sintern von Kunststoff und teilweise beim Sintern von Metall mit Spezialsinterpulver. Möglich ist aber auch die direkte Verwendung metallischer Pulver ohne Zusatz eines Binders. Die Metallpulver werden dabei vollständig aufgeschmolzen. Dafür werden in der Regel CW-Laser eingesetzt. Diese Verfahrensvariante wird auch als Selektives Laserschmelzen (SLM) bezeichnet.
Das Laserauftragschweißen gehört wiederum zum Cladding (Auftragschweißen), bei dem auf ein Werkstück ein Oberflächenauftrag mittels Aufschmelzen und gleichzeitigem Aufbringen eines nahezu beliebigen Rohmaterials erfolgt. Dies kann in Pulverform z. B. als Metallpulver oder auch mit einem Schweißdraht bzw. -band geschehen. Beim Laserauftragschweißen dient als Wärmequelle ein Laser hoher Leistung, vornehmlich Diodenlaser oder Faserlaser, früher auch CO2- und Nd:YAG-Laser. Beim Laserauftragschweißen mit Pulver erhitzt der Laser das Werkstück meist defokussiert und schmilzt es lokal auf. Gleichzeitig wird ein inertes Gas gemischt mit feinem Metallpulver zugeführt. Die Versorgung des Wirkbereichs mit dem Metall-/Gasgemisch erfolgt über Schlepp- oder Koaxialdüsen. An der erhitzten Stelle schmilzt das Metallpulver auf und verbindet sich mit dem Metall des Werkstücks. Neben Metallpulver können auch keramische Pulverwerkstoffe, speziell Hartstoffe, verwendet werden. Das Laserauftragschweißen mit Draht bzw. Band funktioniert analog zum Verfahren mit Pulver, jedoch mit Draht bzw. Band als Zusatzwerkstoff.
Ein besonders bevorzugtes Herstellungsverfahren stellt das sogenannte LaserCUSING, welches von der Firma CONCEPTLASER der Hofmann Innovation Group entwickelt wurde bzw. wird, dar. Dabei handelt es sich um ein Schmelzverfahren, bei welchem schichtweise ein Werkstück unter Verwendung von 3D CAD Daten generiert wird. Die Besonderheit liegt darin, dass eine stochastische Belichtungsstrategie eingesetzt wird, so dass jede Schicht segmentweise und sukzessive abgearbeitet wird. Dies sorgt für eine signifikante Reduktion von Spannungen in dem jeweils entstehenden Werkstück.
Für Werkstücke aus Kunststoffe bietet sich auch das sogenannte Kunststofffreiformen an, bei welchem ein sogenannter Freeformer verwendet wird. Der Freeformer schmilzt wie beim Spritzgießen Kunststoffgranulate auf und erzeugt aus der flüssigen Schmelze Tröpfchen, aus denen additiv – also Schicht für Schicht – das Behältnis aufgebaut wird. Damit ist die individuelle Teilefertigung aus 3D-CAD-daten ganz ohne Spritzgießwerkzeug möglich. Die Rohmaterialaufbereitung funktioniert prinzipiell wie beim Spritzgießen. Das Granulat wird in die Maschine eingefüllt. Ein beheizter Plastifizierzylinder führt die Kunststoffschmelze zu einer Austragseinheit. Deren Düsenverschluss mit hochfrequenter Piezotechnik ermöglicht schnelle Öffnungs- und Schließbewegungen und erzeugt so unter Druck die Kunststofftröpfchen, aus denen sich das Kunststoffteil staub- und emissionsfrei additiv aufbaut. Beim Freeformer bleibt allerdings die Austragseinheit mit Düse genau in ihrer vertikalen Position. Stattdessen bewegt sich der Bauteilträger. Neben einem serienmäßig über drei Achsen beweglichen Bauteilträger steht optional eine Variante mit fünf Achsen zur Verfügung. Da das Gerät über zwei Austragseinheiten verfügt, kann es auch zwei Rohmaterialien oder Farben kombiniert verarbeiten.
Die vorliegende Aufzählung von generativen Verfahren ist keineswegs abschließend zu verstehen. Vielmehr sind einige der gängigen und vorteilhaft anwendbaren Verfahren beispielhaft gelistet.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird der digitale Datensatz, welcher zumindest der Form und/oder des Materials und/oder der Struktur der zumindest einen Komponente angibt, an den Kunden übermittelt wird, und wobei die zumindest eine Komponente vor Ort beim Kunden mittels eines Urformprozesses gefertigt wird. Verfügt der Kunde über eine entsprechende das jeweilige generative Verfahren durchführen könnende Maschine, so können auf diese Weise Zeit und auch Lagerkosten gespart werden. Lediglich der digitale Datensatz, welcher die jeweilige Komponente beschreibt, muss elektronisch übermittelt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, für Speziallösungen, welche nur in geringen Stückzahlen gefertigt werden.
Ein erfindungsgemäßer Messaufnehmer findet insbesondere Verwendung in einem Messgerät zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen Coriolis-Massedurchflussmesser oder Coriolis-Massedurchfluss-/Dichtemesser.
Die Erfindung wir im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 9 näher beschrieben. Es zeigt:
1 ein gattungsgemäßes Feldgerät gemäß Stand der Technik mit zwei Messrohren und einem Gehäusemodul mit einem Träger und einer Verschalung (a) in einer Schnittdarstellung, (b) in einer perspektivischen Ansicht in Explosionsdarstellung und (c) in einer Schnittdarstellung ohne Gehäusemodul,
2 eine erste erfindungsgemäße Ausgestaltung mit zwei Messrohren,
3 ein erfindungsgemäßes Messrohr (a) mit variabler Wandstärke und Querschnittsfläche und (b) mit verschiedenen Möglichkeiten für die Querschnittsform,
3 ein erfindungsgemäßes Messrohr mit vibrationsdämpfenden Hohlraumkanälen, einem strömungsformenden Modul und zwei steifigkeitsbeeinflussenden Kämmen,
4 eine zweite erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Messrohres in (a) perspektivischer Ansicht und (b) in einer Schnittdarstellung,
5 ein erfindungsgemäßes Verteilerstück mit mehreren Verzweigungen,
6 ein erfindungsgemäßes, gekrümmtes Messrohr mit einer Bypassleitung,
7 einen aus einem Stück gefertigten Messaufnehmer mit Tilgerrohr,
8 ein erfindungsgemäßes Messrohr mit Masseelementen, und
9 ein erfindungsgemäßes anisotropes Gehäuse mit einer Durchführung für die Elektronikeinheit und einem weiteren Sensor.
1 zeigt beispielhaft ein gattungsgemäßes Feldgerät 1 gemäß dem Stand der Technik mit zwei Messrohren 9a, 9b und einem Gehäusemodul 3 mit einem Träger 4 und einer Verschalung 5. Dabei ist in 1a eine Außenansicht abgebildet, während die 1b und 1c zeigen Innenansichten desselben Feldgeräts 1 zeigen.
In 1a sind ein einlassseitiger Prozessanschluss 2a und ein auslassseitiger Prozessanschluss 2b dargestellt, mittels welcher das Feldgerät 1 in eine bestehende Rohrleitung integriert werden kann, welche hier der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Ferner ist das Gehäusemodul 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, über welches eine Elektronikeinheit 6a angeschlossen werden kann, welche beispielsweise der Signalerfassung, -auswertung, und -speisung dient.
Der Innenaufbau und insbesondere das Sensormodul 7 des Feldgeräts 1 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, s. 1c) Verteilerstück integriert, welche Verteilerstücke 8a, 8b mit dem Träger 5 mechanisch verbunden sind (in dieser Darstellung nicht sichtbar). 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.
Die beiden Messrohre 9a, 9b, welche einlassseitig und auslassseitig aus dem Träger 5 herausragen, 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.
Weitere Details des Aufbaus sind schließlich der Schnittdarstellung in 1c zu entnehmen. Jedes der beiden Messrohre 9a, 9b führt im Betrieb Schwingungen aus, deren einer möglicher Bewegungsverlauf in der Figur angedeutet ist. Ferner ist mindestens eine auf mindestens ein Messrohr 9a, 9b einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung 11 zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen des mindestens einen Messrohres 9a, 9b dargestellt, sowie mindestens eine auf Schwingungen des mindestens einen Messrohres 9a, 9b reagierende Vibrationssensoranordnung 12 zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen des mindestens einen Messrohres repräsentierenden Schwingungsmesssignals.
In 2 ist eine erste Ausgestaltungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers 13 gezeigt. Der Einfachheit halber sind die Erregeranordnung 11 sowie Vibrationssensoranordnung 12 nicht eingezeichnet. Der Messaufnehmer 13' weist zwei Messrohre 9a', 9b' auf, welche gemeinsam mit einem Träger 4', zwei Prozessanschlüssen 2a', 2b' und zwei Verteilerstücken 15a', 15b' aus einem Stück gefertigt sind. Darüber hinaus sind sechs jeweils paarweise angeordnete Verbindungstücke zur Befestigung einer Erregeranordnung 11 und Vibrationssensoranordnung 12 sichtbar, welche ebenfalls mit den zuvor genannten Komponenten aus einem Stück gefertigt sind. Die Wandung der beiden Messrohre 9a', 9b' weist ein Profil, hier ein Rillenprofil 16 auf.
3 zeigt weitere erfindungsgemäße Ausführungsvarianten für ein Messrohr 9a'', beispielhaft anhand eines gerade verlaufenden Messrohres 9a''. Wie aus 3a ersichtlich, kann die Wandstärke 17a, 17b des Messrohres 9a'', das ist die Dicke der Wandung 16, entlang der Längsrichtung des Messrohres 9a'' variieren. In diesem Beispiel ist in einem ersten Teilabschnitt die Wandstärke 17a geringer als die Wandstärke 17b in einem zweiten Teilabschnitt. Entsprechend ist in jenem ersten Teilabschnitt die Querschnittsfläche 18a des Messrohres 9a'' größer als die Querschnittsfläche 18b im zweiten Teilabschnitt. Als Querschnittsfläche ist dabei die von der Wandung 16 umschlossene Fläche, deren Normalenvektor in Richtung der Längsachse des Messrohres 9a'' zeigt. Die Längsachse verläuft parallel zur Strömungsrichtung des jeweiligen Mediums.
Neben einer veränderlichen Wandstärke 17a, 17b', und einer veränderlichen Querschnittsfläche 18a, 18b, kann auch noch die Querschnittsform 19a–d'', damit sei im Folgenden die Geometrie der Querschnittsfläche 18a, 18b gemeint, variiert werden. Während die Querschnittsform 19a für das Messrohr 9a'' in 3a in beiden Teilabschnitten rund ist, sind weitere mögliche Querschnittsformen 19b–d in 3b skizziert, jedoch jeweils ohne das vollständige Messrohr 9a'' einzuzeichnen. Beispielsweise sind eine ovale 19b, eine sternförmige 19d, oder eine kreissegmentförmige 19c Querschnittsform möglich. Die Wahl einer kreissegmentförmigen Querschnittsform 19c ist unter anderem vorteilhaft in Bezug auf die damit einhergehende Platzersparnis bei Verwendung von mehr als einem Messrohr 9a'', 9b'', welche sich aus der Möglichkeit ergibt, die zumindest zwei Messrohre 9a'', 9b'' derart nebeneinander zu positionieren, dass sich die geraden Bereiche der Flächenumfänge jeweils gegenüberliegen.
Solche geometrischen Ausgestaltungen eines Messrohres 9a'', 9b'' sind mit herkömmlichen Verfahren bisher nicht oder nur sehr schwer realisierbar.
Ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Messrohres 9a''' ist Gegenstand von 4, wobei in 4a eine perspektivischen Ansicht und in 4b eine Schnittdarstellung gezeigt ist. An dem Messrohr 9a''' sind von seiner äußeren Wandung 16' von außen von sich jeweils gegenüberliegenden Seiten zwei Kämme 21a, 21b angeordnet, welche eine richtungsabhängige Steifigkeit des Messrohres 9a''' bewirken. Ferner sind innerhalb der Wandung des Messrohres 9a''' mit der Wandstärke 17a' eingearbeitete Strukturen 20 sichtbar. Bei diesen Strukturen kann es sich beispielsweise entweder um im Wesentlichen parallel zum Innenvolumen des Messrohres 9a''' parallel verlaufende Hohlrumkanäle oder auch um einzelne, gegebenenfalls mit einem Pulver gefüllte in sich abgeschlossene Kapseln handeln.
Im Innenraum des Messrohrs 9a''' ist ein strömungsformendes Modul, oder ein Zugelement 22 angeordnet. Im Falle eines strömungsformenden Moduls kann es sich beispielsweise um eine Trennwand oder einen Strömungsgleichrichter handeln. Es können auch mehrere solcher Module im selben Messrohr 9a''' integriert werden, insbesondere kann das Innenvolumen des Messrohres 9a''' in beliebig viele feine Einzelrohre, ähnlich wie bei mehrkanaligen elektrischen Kabeln, unterteilen. Die Wandung 17a' des Messrohres 9a''', die beiden Kämme 21a, 21b, und das strömungsformende Modul 22 sind gemeinsam aus einem Stück gefertigt. Im gleichen Fertigungsschritt wurden ferner ebenfalls die Strukturen 20 in die Wandung 17a' Messrohres 9a''' eingearbeitet.
5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Verteilerstück 8a'', welches das Strömungsvolumen des Mediums aus der Rohrleitung, welches in den Einlauf 23 des Verteilerstücks 8a'' mündet, auf 6 Einzelrohre 24a–f aufteilt. Das Verteilerstück 8a'' weist ein mehrfach verzweigtes zusammenhängendes Innenvolumen 23 auf. Die einzelnen Verzweigungen 23a–e teilen den jeweilig davor liegenden Abschnitt in jeweils zwei Unterabschnitte auf. Für das hier gezeigte Beispiel sind die fünf asymmetrische Verzweigungen 23a–e gezeigt. Es versteht sich von selbst, dass auch Verteilerstücke 8a'' mit symmetrischen oder teilweise symmetrischen Verzweigungen, oder mit Verzweigungen von einem auf drei oder mehr Abschnitte, und noch viele weitere Beispiele möglich sind.
Ein viertes Ausführungsbeispiel für einen Messaufnehmer 13' mit zwei gekrümmten Messrohren 9a'''', 9b'''' ist in 6 gezeigt. Die Wandungen 16a'', 16b'' der beiden Messrohre 9a'''', 9b'''' sind gemeinsam mit den zwei Prozessanschlüssen 2a'' und 2b'', zwei Verteilerstücken (in dieser Figur nicht sichtbar) sowie mit der Wandung 16c'' einer geraden Bypassleitung 24 gemeinsam aus einem Stück gefertigt. Durch die Bypassleitung 24 kann eine bestimmbare Teilmenge des strömenden Mediums geleitet werden. Innerhalb der Bypassleitung 24 kann dann beispielsweise ein weiteres Sensorelement 32 (s. 9) zur Erfassung einer weiteren Prozessgröße integriert sein.
Im Falle, dass das jeweilige Feldgerät lediglich ein Messrohr 9a ^V aufweisen soll, ist zusätzlich zu dem einen Messrohr 9a ^V ein Tilgerrohr 25 integriert, wie beispielsweise in 7 gezeigt. Für das dort gezeigte Beispiel weist das Tilgerrohr 25 einen größeren Durchmesser, also einen größeren Flächeninhalt der Querschnittsfläche 18b'' auf als das Messrohr 9a ^V. Das Messrohr 9a ^V ist berührungslos im inneren Bereich des Tilgerrohrs 25 integriert, und wird von dem Tilgerrohr koaxial umgeben. Das Messrohr 9a ^V, das Tilgerrohr 25, sowie die beiden Prozessanschlüsse 2a''', 2b''' (nur einer eingezeichnet) sind gemeinsam und einstückig mittels des generativen Verfahrens gefertigt.
Eine weitere Möglichkeit, die Eigenschaften eines Messrohres 9a ^VI gezielt zu beeinflussen, ist in 7 skizziert. Vorteilhaft lässt sich auf die gezeigte Art und Weise die Masse bzw. die Masseverteilung des Messrohres 9a ^VI verändern, ohne dadurch die Steifigkeit des Messrohres zu beeinflussen. Dadurch lässt sich die Lage der jeweiligen Schwingungsmoden innerhalb des Frequenzspektrums des Messrohres 9a ^VI variieren. Am äußeren Bereich der Wandung 16''' des Messrohres 9a ^VI sind beispielhaft zwei Masseelemente 26a, 26b angeordnet. Das erste Masseelement 26a ist in der gewählten Darstellung aufgeschnitten, um die jeweils verwendete Befestigungseinheit 27a, 27b sichtbar zu machen, mittels welcher Befestigungseinheit 27a, 27b das Masseelement 26a an der äußeren Wandung 16''' des Messrohres 9a ^VI befestigt ist. In dem hier gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Befestigungseinheit 27a, 27b um einen das Messrohr 9a ^VI radial umgebenden Ring. Es können jedoch auch parallel oder senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufenden Streben oder entlang der Wandung des zumindest einen Messrohrs 9a ^VI parallel zur Strömungsrichtung verlaufende Kämme oder noch andere Geometrien verwendet werden. Damit die Steifigkeit des Messrohres 9a ^VI im Wesentlichen konstant bleibt, sollten die Kontaktfläche 28a zwischen der Befestigungseinheit 27a und dem Masseelements 26a und/oder die Kontaktfläche 28b zwischen der Befestigungseinheit 27a und dem äußeren Bereich der Wandung 16''' des Messrohres 9a ^VI minimal gehalten werden. Sowohl das Messrohr 9a ^VI, als auch die Masseelemente 26a, 26b und die Befestigungseinheiten 27a, 27b sind gemeinsam einstückig mittels des generativen Verfahrens gefertigt.
Auch für das Aufnehmer-Gehäuse 3' sind verschiedene vorteilhafte Möglichkeiten denkbar, wie in beispielhaft in 9 gezeigt. Innerhalb der Wandung 16'''' des Aufnehmer-Gehäuses 3' sind ähnlich wie für das Messrohr 9a''' aus 4 Strukturen 20' eingearbeitet. Dabei kann es sich beispielsweise um Hohlraumkanäle oder leere/gefüllte Kapseln handeln. Die Wandung 16'''' des Aufnehmer-Gehäuses 3a' aus 9 weist beispielsweise eine anisotrope Struktur auf. In einem ersten Teilbereich 29a ist innerhalb der Wandung 16'''' ist eine Wabenstruktur 30 angeordnet, während in einem zweiten Teilbereich 29b ein Verbundmaterial 31 eingearbeitet ist. Durch eine derartige Konstruktion kann eine anisotrope Steifigkeits- und ggf. auch Masseverteilung erzielt werden derart, dass Bereiche, welche einer erhöhten äußeren Krafteinwirkung ausgesetzt sind, beispielsweise eine höhere Steifigkeit aufweisen. Bei solchen Bereichen handelt es sich beispielsweise insbesondere um die Bereiche, in welchen die Prozessanschlüsse (2a, 2b) und/oder Verteilerstücke (8a, 8b) (nicht eingezeichnet) integriert werden. Neben unterschiedlichen Teilbereichen 29a, 29b mit unterschiedlichen Strukturen 20' ist es für eine anisotrope Ausgestaltung eines Aufnehmer-Gehäuses 3' ebenfalls denkbar, die Dichte der verwendeten Materialien, oder die Wandstärke 17a'''' (nicht eingezeichnet) des Aufnehmer-Gehäuses 3' bereichsweise zu variieren.
Das Gehäuse umfasst zusätzlich ein Halsrohr 6', mittels welchem eine Elktronikeinheit 6a (nicht eingezeichnet) am Aufnehmer-Gehäuse 3' verbunden werden kann. Dieses Halsrohr 6' ist eine optionale Komponente des Aufnehmer-Gehäuses 3'. Optional kann ferner in die Wandung 16'''' des Aufnehmer-Gehäuses 3' ein zusätzliches Sensorelement 32 integriert werden, welches zur Erfassung einer weiteren Prozessgröße, insbesondere der Temperatur oder des Druckes, genutzt werden kann. Ein entsprechendes Sensorelement 32 kann aber auch in andere Komponenten eines Messaufnehmers 15 integriert werden, beispielsweise in eine Bypassleitung 24, wie in 6 dargestellt. Hohlräume innerhalb des Aufnehmer-Gehäuses 3' können schließlich optional mit einer Füllung 33 versehen werden, die insbesondere dämpfende Eigenschaften aufweist. Die Füllung kann beispielsweise eine Wabenstruktur oder eine poröse Struktur aufweisen. Die Wandung 16'''' des Aufnehmer-Gehäuses 3', das Halsrohr 6' und das zusätzliche Sensorelement 32 sind gemeinsam aus einem Stück mittels des generativen Verfahrens hergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Gattungsgemäßes Feldgerät mit 2 Messrohren
2a, 2b: einlassseitiger, auslassseitiger Prozessanschluss
3: Aufnehmer-Gehäuse
4: Träger
5: Verschalung
6: Halsrohr
6a: Elektronikeinheit mit Gehäuse
7: Sensormodul
8a, 8b: einlassseitiges, auslassseitiges Verteilerstück
9a, 9b: erstes, zweites Messrohr
10: Koppelelemente
11: Erregeranordnung
12: Vibrationssensoranordnung
13: Messaufnehmer
14a–c: Verbindungsstücke-Paare
15: Rillenprofil
16a, 16b: Wandung einer Komponente, z. B. Wandung des Messrohres oder Aufnehmer-Gehäuses
17a, 17b: Wandstärke des Messrohres
18a, 18b: Flächeninhalt der Querschnittsfläche des Messrohres (oder Tilgerrohrs)
19a–d: Querschnittsform der Querschnittsfläche des Messrohres
20: Strukturen innerhalb der Wandung des Messrohres, insb. Hohlraumkanäle, oder leere/gefüllte Kapseln
21a, 21b: im äußeren Bereich des Messrohrs angebrachte Kämme
22: strömungsformendes Modul oder Zugelement
23: Einlauf in das Verteilerstück, Innenvolumen des Verteilerstücks
23a–e: Verzweigungen innerhalb des Verteilerstücks
24: Bypassleitung
25: Tilgerrohr
26a, 26b: Masseelement
27: Befestigungseinheit zur Befestigung eines Masseelements
28a, 28b: Kontaktflächen zwischen Masseelementen/Messrohr und Masseelement/Befestigungseinheit
29a, 29b: Teilbereiche der Wandung des Aufnehmer-Gehäuses
30: Wabenstruktur
31: Verbundmaterial
32: zusätzliches Sensorelmenent
33: Füllung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 4793191 A [0002]
US 4823614 A [0002]
US 4831885 A [0002]
US 5602345 A [0002]
US 2007/0151368 A [0002]
US 2010/0050783 A [0002]
WO 96/08697 A [0002]
WO 2009/120222 A [0002]
WO 2009/120223 A [0002]

Claims

Messaufnehmer (13) vom Vibrationstyp, insbesondere zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums, welcher Messaufnehmer (13) zumindest umfasst: – ein Gehäusemodul (3), welches über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt ist, und – ein Sensormodul (7) mit zumindest einem zumindest teilweise im Gehäusemodul (3) schwingfähig gehalterten und zumindest zeitweise in Schwingungen versetzten Messrohr (9a, 9b), wobei zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls (3) und/oder des Sensormoduls (7) mittels eines generativen Verfahrens hergestellt ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 1, mit – mindestens eine auf das mindestens eine Messrohr (9a, 9b) einwirkende elektromechanische, insb. elektro-dynamische, Erregeranordnung (11) zum Erzeugen und/oder Aufrechterhalten von mechanischen Schwingungen des mindestens einen Messrohres, – mindestens eine auf Schwingungen des mindestens einen Messrohres (9a, 9b) reagierenden Vibrationssensoranordnung (12) zum Erzeugen wenigstens eines die Schwingungen des mindestens einen Messrohres (9a, 9b) repräsentierenden Schwingungsmesssignals, wobei die mindestens eine Erregeranordnung (11) und die mindestens eine Vibrationssensoranordnung (12) vom äußeren Bereich an dem zumindest einen Messrohr (9a, 9b) befestigt sind.
Messaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest die Wandstärke (17a, 17b), und/oder die Steifigkeit, und/oder die Masseverteilung und/oder die Dichte der zumindest einen Komponente entlang der Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Mediums variiert, insbesondere heterogen ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei die Wandung (16) der zumindest einen Komponente zumindest im äußeren Bereich zumindest in einem Teilbereich ein Profil (15) aufweist, insbesondere ein Rillenprofil, Zackenprofil oder Zahnprofil.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Wandung (16) der zumindest einen Komponente mindestens eine Kapsel (20) mit eingeschlossenem Pulver, und/oder mindestens ein Hohlraum (20) integriert ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Wandung der zumindest einen Komponente zumindest ein Hohlraumkanal (20) oder in zumindest einem Teilbereich innerhalb der Wandung (16) eine offenporige Struktur, insbesondere eine poröse Struktur oder eine Wabenstruktur, integriert ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Messrohr (9a, 9b) mittels des generativen Verfahrens hergestellt ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 7, wobei im äußeren Bereich der Wandung (16) des zumindest einen Messrohres zumindest ein Verbindungsstück (14a–c) zur Befestigung von zumindest einer Komponente der Erregeranordnung (11) und/oder der Vibrationssensoranordnung (12) angebracht sind, wobei das zumindest eine Verbindungsstück (14a–c) und die Wandung (16) des zumindest einen Messrohrs gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt sind.
Messaufnehmer nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Querschnittsfläche (18a, 18b) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) rund, sternförmig, quadratisch, oval, oder kreissegmentförmig, insbesondere D-förmig ist, und/oder wobei die Querschnittsfläche (18a, 18b) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) entlang der Richtung parallel zur Strömungsrichtung des Mediums in Bezug auf den Flächeninhalt (18a, 18b) und die Flächenform (19a–d) variiert.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–9, wobei im inneren Bereich der Wandung (16) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) zumindest ein strömungsformendes Modul (22), insbesondere eine in die innere Wandfläche eingebrachte Lamelle, ein Strömungsgleichrichter oder ein Filter, oder zumindest eine Trennwand, welche das Innenvolumen in zumindest zwei Bereiche teilt, integriert ist, wobei die Wandung (16) des zumindest einen Messrohrs (9a, 9b) und das zumindest eine strömungsformende Modul (22) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–10, mit zumindest einer Bypassleitung, (24) durch welchen eine Teilmenge des strömenden Mediums fließt, wobei die Wandung (16) des zumindest einen Messrohrs (9a, 9b) und die zumindest eine Bypassleitung (24) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–11, wobei im inneren Bereich der Wandung (16) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) zumindest ein Zugelement (22), insbesondere eine Zugsstrebe oder ein Zugband angeordnet ist, welches Zugelement (22) an zwei Kontaktbereichen an der Innenwand (16) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) befestigt ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–12, wobei das zumindest eine Messrohr (9a, 9b) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen gekrümmt, insbesondere U-, V-, trapez-, oder helixförmig, ausgebildet ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–13, wobei am äußeren Bereich der Wandung (16) des zumindest einen Messrohrs (9a, 9b) zumindest ein Masseelement (26a, 26b) angeordnet ist, welches zumindest eine Masseelement (26a, 26b) mittels zumindest einer Befestigungseinheit (27a, 27b) insbesondere einer parallel oder senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufenden Strebe, einem radial um die Wandung des zumindest einen Messrohrs verlaufenden Ring, oder einem entlang der Wandung des zumindest einen Messrohrs parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Kamm, an der äußeren Wandung (16) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) befestigt ist, derart, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen (28a, 28b) zwischen der zumindest einen Befestigungseinheit (27a, 27b) und des zumindest einen Masseelements (26a, 26b) und/oder der zumindest einen Befestigungseinheit (27a, 27b) und dem äußeren Bereich der Wandung (16) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) minimal ist, und wobei das zumindest eine Messrohr (9a, 9b), das zumindest eine Masseelement (26a, 26b), und die zumindest eine Befestigungseinheit (27a, 27b) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–14, wobei an die äußere Wandung (16) des zumindest einen Messrohres (9a, 9b) zumindest zwei auf gegenüberliegenden Seiten des zumindest einen Messohres (9a, 9b) liegende Kämme (21a, 21b) angebracht sind, und wobei das zumindest eine Messrohr (9a, 9b) und die zumindest zwei Kämme (21a, 21b) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–15, wobei das Sensormodul (7) zumindest – ein einziges Messrohr (9a), und – zwei Prozessanschlüsse (2a, 2b), umfasst, und wobei das Messrohr (9a) und zumindest einer der zwei Prozessanschlüsse (2a, 2b) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach Anspruch 16, wobei ein Tilgerrohr (25) vorgesehen ist, und wobei das Tilgerrohr (25) und das zumindest eine Messrohr (9a) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach Anspruch 17, wobei das Tilgerrohr (25) einen größeren Durchmesser aufweist als das Messrohr (9a), und wobei das Messrohr (9a) berührungslos im inneren Bereich des Tilgerrohres (25), insbesondere koaxial, angeordnet ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 7–15, wobei das Sensormodul (7) zumindest umfasst – zumindest zwei Messrohre (9a, 9b), – zwei Verteilerstücke (8a, 8b), welche das strömende Medium jeweils einlassseitig und auslassseitig von der Rohrleitung auf die zumindest zwei Messrohre (9a, 9b) verteilen, und die Rohrleitung und die zumindest zwei Messrohre (9a, 9b) verbinden, und – zwei Prozessanschlüsse (2a, 2b), wobei die zumindest zwei Messrohre (9a, 9b) und zumindest eines der Verteilerstücke (8a, 8b) oder die zumindest zwei Messrohre (9a, 9b), die zwei Verteilerstücke (8a, 8b) und zumindest einer der Prozessanschlüsse (2a, 2b) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach Anspruch 19, wobei zumindest zwei Koppelelemente (10) vorgesehen sind, welche die zumindest zwei Messrohre (9a, 9b) zumindest einlassseitig und auslassseitig miteinander koppeln, und wobei die zumindest zwei Messrohre (9a, 9b) und die zumindest zwei Koppelelemente (10) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach Anspruch 19 oder 20, wobei jedes der zwei Verteilerstücke (8a, 8b) ein mehrfach verzweigtes (22a–e), zusammenhängendes Innenvolumen (23) aufweist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls (3) mittels des generativen Verfahrens hergestellt ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Inneren von zumindest einer Komponente des Gehäusemoduls (3) zumindest teilweise eine Füllung (33), insbesondere eine Füllung (33) mit einer porösen Struktur oder Wabenstruktur, angeordnet ist, und welche Füllung (33) entweder nachträglich in die zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls (3) eingebracht ist, oder welche Füllung (33) und die zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls (3) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 22 oder 23, wobei zumindest eine Komponente einer Elektronikeinheit (6a), insbesondere ein Gehäuse, zumindest eine elektrische Durchführung und/oder eine mechanisches Übergangsstück, insbesondere für eine Ex-Schutz Durchführung, mit zumindest einer Komponente des Gehäusemoduls (3) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 22–24, wobei das Gehäusemodul (3) einen Träger (4), mit welchem das mindestens eine Messrohr (9a, 9b) einlassseitig und auslassseitig mechanisch verbunden ist, und eine Verschalung (5) welche das mindestens eine Messrohr (9a, 9b) umgibt, aufweist.
Messaufnehmer nach Anspruch 25, wobei zumindest der Träger (4) und/oder zumindest einer der Prozessanschlüsse (2a, 2b) und/oder zumindest eines der Verteilerstücke (8a, 8b) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens, gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der Ansprüche 25 oder 26, wobei der Träger (4) als seitlich zumindest teilweise offener, insb. rohrförmiger Tragzylinder ausgebildet ist, der mit dem mindestens einen Messrohr (9a, 9b) derart verbunden ist, dass das Messrohr (9a, 9b) teilweise seitlich aus dem Tragzylinder herausragt.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein weiteres Sensorelement (32) zur Erfassung einer weiteren Prozessgröße, insbesondere der Temperatur oder des Druckes, in zumindest eine der Teilkomponenten des Gehäusemoduls (3) und/oder Sensormoduls (7) integriert ist, und wobei die mindestens eine Komponente des Gehäusemoduls (3) oder Sensormoduls (7) und zumindest eine Komponente des weiteren Sensorelements (32) gemeinsam mittels des generativen Verfahrens gefertigt sind.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Komponente des Gehäusemoduls (3) und/oder des Sensormoduls (7) aus einem Metall, insbesondere rostfreier Stahl oder Tantal, einem Verbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundwerkstoff, einem Glas oder einem Kunststoff gefertigt ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf zumindest einen Teilbereich zumindest einer Oberfläche von zumindest einer Komponente des Gehäusemoduls (3) und/oder des Sensormoduls (7) eine Beschichtung, insbesondere zur Vermeidung von Korrosion, Abrasion und/oder Belagsbildung, aufgebracht, insbesondere aufgeschmolzen oder aufgeschweißt ist.
Messaufnehmer nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Prozessgröße gegeben ist durch den Massedurchfluss, die Dichte, oder die Viskosität des Mediums.
Verfahren zur Herstellung zumindest einer Komponente eines Messaufnehmers (13) vom Vibrationstyp, insbesondere zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums, insbesondere eines Messaufnehmers (13) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher Messaufnehmer (13) zumindest umfasst: – ein Gehäusemodul (3), welches dazu ausgelegt ist, über ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende mit der Rohrleitung mechanischen gekoppelt zu werden, und – ein Sensormodul (7) mit zumindest einem im Gehäusemodul (3) schwingfähig gehalterten Messrohr (9a, 9b), welches zumindest zeitweise in Schwingungen versetzt wird, welches Verfahren zumindest die Herstellung der zumindest einen Komponente anhand eines digitalen Datensatzes, welcher zumindest der Form und/oder des Materials und/oder der Struktur der zumindest einen Komponente angibt, mittels eines Urformprozesses, insbesondere mittels eines schichtweisen Aufbringens und/oder Aufschmelzens eines Pulvers, insbesondere eines Metallpulvers, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei zur Bestimmung der Form und/oder Struktur und/oder des Materials der zumindest einen Komponente die Geometrie, Masseverteilung, und/oder Steifigkeit der zumindest einen Komponente derart eingestellt wird/werden, insbesondere mittels einer iterativen Simulation, insbesondere einer Finite-Elemente Simulation, dass eine vorgebbare Bedingung erfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, wobei die Steifigkeit der zumindest einen Komponente konstant gehalten wird, während zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden der zumindest einen Komponente auf einen vorgebbaren Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, wobei zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden der zumindest einen Komponente konstant gehalten wird, während zumindest die Steifigkeit auf einen vorgebbaren Wert eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 32–35, wobei die Masseverteilung, Steifigkeit und/oder Geometrie der zumindest einen Komponente derart gewählt wird, dass zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden des Gehäusemoduls und zumindest eine Frequenz entsprechend einem der Schwingungsmoden des Sensormoduls voneinander verschieden sind.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 32–36, wobei die zumindest eine Komponente das zumindest eine vom Fluid durchströmte Messrohr (9a, 9b) ist, und wobei die Geometrie, Steifigkeit und/oder Masseverteilung des zumindest einen Messrohrs (9a, 9b) derart gewählt wird, dass das Strömungsprofil konditioniert und zumindest ein durch die Strömung des Mediums hervorgerufener Störeffekt minimiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 32–37, wobei der Urformprozess zur Fertigung der zumindest einen Komponente das selektive Lasersintern, das selektive Laserschmelzen, das Laserauftragsschweissen, das Metall-Pulver-Auftragsverfahren, das Fused Deposition Modeling, das Multi Jet Modeling, das Color Jet Printing, oder das LaserCUSING ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 32–38, wobei der digitale Datensatz welcher zumindest der Form und/oder des Materials und/oder der Struktur der zumindest einen Komponente angibt, an den Kunden übermittelt wird, und wobei die zumindest eine Komponente vor Ort beim Kunden mittels eines Urformprozesses gefertigt wird.
Verwendung eines Messaufnehmers vom Vibrationstyp gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Messgerät zum Erfassen und/oder Überwachen zumindest einer Prozessgröße eines in einer Rohrleitung geführten strömungsfähigen Mediums.