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Die Erfindung beschreibt ein Messgerät zur magnetisch induktiven Durchflussmessung und ein Verfahren zur Herstellung eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts. Das Messgerät umfasst dabei ein Messrohr, dessen Inneres im Messbetrieb von einem Messmedium durchströmt wird, zumindest zwei Magnete zum Erzeugen eines das Messrohr senkrecht zur Strömungsrichtung des Messmediums durchsetzenden Magnetfelds, zumindest zwei Elektroden, die eine durch das von den Magneten erzeugten Magnetfeld induzierte Spannung abgreifen, zumindest eine Elektronikeinheit und zumindest ein Gehäuse, dessen Innenraum die Magnete und die Elektroden enthält.
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Durchflussmessgeräte finden in der Prozess- und Automatisierungstechnik vielfach Anwendung und werden zur Messung von Volumenströmen eingesetzt. Unter der Bezeichnung PROMAG werden von der Anmelderin eine Vielzahl von Durchflussmessgeräten in verschiedensten Ausführungsformen für unterschiedlichste Anwendungsgebiete produziert und vertrieben.
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Ein heute gängiges Messverfahren für magnetisch induktive Durchflussmessgeräte beruht auf dem magnetohydrodynamischen Prinzip und ist aus diversen Veröffentlichungen bekannt. Durch ein Messrohr wird ein zumindest teilweise elektrisch leitfähiges Fluid, dessen Volumenstrom gemessen werden soll, geleitet. Dieses wird senkrecht zur Strömungsrichtung von einem konstanten Magnetfeld durchsetzt, das von zumindest zwei Magneten, die sich gegenüberliegend an dem Messrohr angebracht befinden, erzeugt wird. Dadurch werden die im strömenden Fluid vorhandenen Ionen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Die durch diese Ladungstrennung induzierte elektrische Spannung wird mittels mindestens zwei an oder in dem Messrohr angebrachten Messelektroden abgegriffen. Die Messelektroden können hierzu konduktiv oder kapazitiv mit dem Messmedium gekoppelt sein. Die induzierte Spannung ist dabei proportional zum Volumenstrom des Messmediums im Messrohr.
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Eine Elektronikeinheit steuert die Magneten an, die das Magnetfeld erzeugen. Außerdem nimmt diese das an den Messelektroden ermittelte Messsignal auf und verarbeitet dieses weiter und macht dieses zur Anzeige und/oder einer weiteren Verarbeitung zugänglich. Des Weiteren erfolgt die Energieversorgung des Messaufnehmers über die Messgeräteelektronik.
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Das Gehäuse des magnetisch induktiven Durchflussmessgerätes enthält zumindest die Elektroden und die Magneten. Heutige Gehäuseformen bestehen oftmals aus zwei Halbschalen, die sich gegenüberliegen und jeweils ein Teilmagnetsystem enthalten. In der Regel bestehen diese Halbschalen aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium.
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Metalle als Gehäusematerial bringen jedoch diverse Nachteile mit sich. So stellt die Beschaffung und die Verarbeitung metallischer Materialien einen erheblichen Kostenfaktor dar. Abhängig von dem verwendeten Material besitzen die Gehäuse außerdem ein hohes Gewicht. Zusätzlich ist der Einsatz der Gehäuse in Prozessumgebungen mit korrosiven Umweltbedingungen, wie beispielweise unter freiem Himmel ohne Schutzvorrichtung vor Regenwasser schwierig, da die Gehäuse, je nach verwendetem Metall eine schlechte Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
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Für eine feste Verbindung werden die beiden Halbschalen kraftschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, und zum Schutz des Innenraums abgedichtet. Dafür werden häufig separat gefertigte Formdichtungen verwendet. Diese müssen in einem separaten Herstellungsschritt speziell hergestellt werden, was einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellt.
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Die
DE 13 03 740 A beschreibt bspw. ein induktives Durchflussmessgerät mit zwei halbschalenförmigen Spulen. Diese Spulen sind beiderseits am Messrohr angebracht und mit einer umgossenen Ummantelung aus einem nichtmetallischen Werkstoff versehen. Während des Fertigungsprozesses des induktiven Durchflussmessgeräts werden zuerst die Bauteile, also Spulen Rückschlussbleche, etc. zusammengesetzt, danach wird diese Anordnung mit der Ummantelung umgossen.
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Die
DE 30 06 723 C2 offenbart ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einen den nicht-magnetischen Metallkern konzentrisch umgebenden, zylindrischen Gehäuse. Das Gehäuse weist stirnseitig keine Flansche, sondern Stirnwände mit Ausnehmungen auf, in die Endflansche des Kerns eingepasst sind. Das Gehäuse und der Kern sind zwischen durch Schrauben aneinander zu ziehende Endflansche der Rohre einzuspannen.
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Häufig werden auch Silikondichtungen auf die fertig produzierten Halbschalen aufgesetzt. Dies geschieht in einem zusätzlichen Prozessschritt, der in einer anderen Fertigungsmaschine als der zur Herstellung der Halbschalen verwendeten abläuft, was zusätzlichen Aufwand bedeutet. Der Nachteil von Silikondichtungen besteht außerdem in einer langen Lagerzeit. So müssen diese erst ungefähr 24 Stunden lang aushärten, bevor sie in den nächsten Prozessschritt der Herstellung gelangen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch induktives Messgerät zu schaffen, das ein leichtes und kostengünstiges Gehäuse besitzt, welches den Innenraum vor Umwelteinflüssen schützt.
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Die Aufgabe wird durch ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät mit einem Gehäuse gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß einer Ausgestaltung werden die Halbschalengehäuse zumindest aus einem Verbundwerkstoff gefertigt. Dieser Verbundstoff besteht aus zumindest zwei Komponenten. Die erste Komponente stellt das Trägermaterial des Verbundstoffes dar. Diese erste Komponente wird in eine zweite Komponente, der sogenannten Matrix, eingebettet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die erste Komponente entweder aus einem gitterförmigen Werkstoff, insbesondere aus einem Metall- oder einem Keramikgitter, einem schaumförmigen Werkstoff, insbesondere einem Metall- oder einem Keramikschaum oder einem faserförmigen Werkstoff. Der faserförmige Werkstoff besteht vorzugsweise aus Aramidfasern, Carbonfasern, Glasfasern oder Naturfasern. Die zweite Komponente des Verbundwerkstoffes besteht bevorzugter Weise aus Kunstoff, Keramik oder Metall, welches die erste Komponente umgibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die in die zumindest eine Halbschale integrierte Dichtung zumindest aus der zweiten Komponente des Verbundstoffs oder aus einem weiteren Material, insbesondere einem spritzgussfähigen Material
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung besteht die Dichtung aus einem thermoplastischen Elastomer.
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Gemäß einer Weiterbildung besitzt zumindest eine der dem Messrohr zugewandten Innenfläche der Halbschalen eine Beschichtung, die zumindest aus der zweiten Komponente des Verbundstoffs oder aus dem Material der Dichtung oder aus einem weiteren Material, insbesondere einem spritzgussfähigen Material besteht. Dadurch kann das optimale Material gewählt werden, das dem Gehäuse den besten Schutz vor inneren Umgebungsbedingungen bietet, wie beispielsweise chemische Beständigkeit gegenüber ätzenden Medien.
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Gemäß einer Weiterbildung besitzt zumindest eine der dem Messrohr abgewandten Außenfläche eine Beschichtung, die zumindest aus der zweiten Komponente des Verbundstoffs oder aus dem Material der Dichtung oder aus dem Material der Beschichtung der dem Messrohr zugewandten Innenfläche der Halbschalen oder aus einem weiteren Material, insbesondere einem spritzgussfähigen Material, besteht. Das Material bietet dem Gehäuse dabei Schutz vor Umwelteinflüssen von außen. So kann das Material speziell abgestimmt auf die Umgebungseinflüsse sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die zwei Halbschalen so ausgestaltet, dass diese EMV abschirmende Eigenschaften besitzen. Dafür kann insbesondere ein Metallschaum als Trägermaterial verwendet werden, welcher einen Faraday'schen Käfig um das Gehäuseinnere bildet und somit elektromagnetische Einflüsse der Umgebung abschirmt.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts gemäß Anspruch 9.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung handelt es sich bei dem Verfahren um ein Mehrkomponentenspritzgussverfahren, mit dem die Halbschalen mit den integrierten Dichtungen gefertigt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Halbschalen mit den integrierten Dichtungen mittels eines 3D-Druckverfahrens gefertigt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die jeweils in die zwei Halbschalen des Gehäuses integrierten Dichtungen auf die jeweilige Halbschale in einem Mehrkomponentenspritzgussverfahren oder einem 3D-Druckverfahren aufgespritzt.
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Das erfindungsgemäße magnetisch induktive Messgerät bietet den Vorteil, dass die Dichtungen zur festen Verbindung beider Halbschalen direkt in einer Halbschale des Gehäuses integriert sind. Durch die Herstellung in einem Verfahrensschritt lässt sich die Herstellungszeit optimieren.
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Des Weiteren bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Halbschalen durch das verwendete Verbundstoffmaterial sehr leicht und robust sind. Durch die große Auswahl und Kombinationsmöglichkeit der Materialien des Verbundstoffes lässt sich das Gehäuse speziell der Umgebung seines Einsatzgebiets anpassen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Materialien der Innen- und Außenflächen der Halbschalen individuell angepasst werden können. Dadurch kann der
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Innenraum der Halbschalen vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. Durch das Verfahren, bei dem alle Komponenten in einem Prozessschritt mittels eines Mehrkomponentenspritzgussverfahrens oder eines 3D-Druckverfahrens aufgebracht werden, wird eine hohe Flexibilität bei der Materialauswahl und eine Individualisierung des Gehäuses bei der Fertigung realisiert. Außerdem kann, durch Verwendung eines Verbundstoffs mit einem metallenen Trägermaterial, wie ein Metallgitter oder ein Metallschaum, eine EMV konforme Abschirmung realisiert werden.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
- 1 einen Längsschnitt des Gehäuses 2 des magnetisch induktiven Durchflussmessgerätes;
- 2 einen Querschnitt einer Halbschale 3 des Gehäuses 2 aus Verbundwerkstoff 5;
- 3 einen Querschnitt einer Halbschale 3 des Gehäuses 2 aus Verbundwerkstoff 5 mit integrierter Dichtung 4;
- 4 einen Querschnitt einer Halbschale 3 des Gehäuses 2 aus Verbundwerkstoff 5 mit integrierter Dichtung 4 und einer zusätzlichen Beschichtung 7 auf der dem Messrohr 1 zugewandten Innenfläche 9; und
- 5 einen Querschnitt einer Halbschale 3 des Gehäuses 2 aus Verbundwerkstoff 5 mit integrierter Dichtung 4 , einer zusätzlichen Beschichtung 7 auf der dem Messrohr zugewandten Innenfläche 9 und einer zusätzlichen Beschichtung 8 auf der dem Messrohr 1 abgewandten Außenfläche 10.
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1 zeigt einen Längsschnitt des Gehäuses
2 des magnetisch induktiven Durchflussmessgerätes. Um das Messrohr
1 ist das Gehäuse
2 des Durchflussmessgeräts angeordnet. Es besteht aus zwei Halbschalen
3, die jeweils einen Innenraum
6 umschließen, der Magnete, Elektroden und/oder eine Elektronikeinheit beinhalten kann. Die Magnete, Elektroden und die Elektronikeinheit sind in den Zeichnungen
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5 nicht dargestellt, aus dem Stand der Technik, beispielsweise
DE102007029563A1 , sind jedoch Anordnungen der Komponenten in einem Gehäuse dieser Art bekannt. Die Halbschalen
3 sind aus einem Verbundstoff
5 mit zwei Komponenten gefertigt, wobei die erste Komponente ein Trägermaterial und die zweite Komponente eine sogenannte Matrix darstellt. Die Kreuze in
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5 stellen dabei das Trägermaterial dar, die Punkte stellen dabei die Matrix dar. Die dichte Verbindung der Halbschalen
3 wird über eine integrierte Dichtung
4 ermöglicht.
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Das Material der Beschichtung 7 der dem Messrohr zugewandten Innenfläche 9 schützt den Verbundstoff 6 der Halbschale 3 vor Umwelteinflüssen im Bereich des Messrohres 1. Das Material der Beschichtung 8 der der dem Messrohr abgewandten Außenfläche 10 schützt den Verbundstoff 5 der Halbschale 3 vor Umwelteinflüssen der Umgebung.
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In einem ersten Prozessschritt werden die Halbschalen 3 aus einem Verbundwerkstoff 5 gefertigt. Dafür wird ein Trägermaterial gewählt, welches ein gitterförmiger Werkstoff, wie Metall- oder Keramikgitter, ein schaumförmiger Werkstoff, wie Metall- oder Keramikschaum, oder ein faserförmiger Werkstoff, beispielsweise Aramidfasern, Carbonfasern, Glasfasern oder Naturfasern sein kann. Wird ein metallischer Werkstoff als Trägerstoff verwendet, so besteht die Möglichkeit, eine EMV konforme Abschirmung in Form eines Farady'schen Käfigs zu ermöglichen. Dafür müssen der Metallkäfig und die Erdungskontakte der Elektronikbauteile auf dasselbe Erdungspotential gelegt werden. In einer Mehrkomponentenspritzgussmaschine wird dieses Trägermaterial mit einem Matrixstoff umspritzt, die Hohlräume des Trägerstoffes werden dabei gefüllt. Der Matrixstoff kann Kunststoff, beispielsweise Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polyetheretherketon (PEEK), oder eine Materialkombination wie bspw. PBT/PC oder ASA/PC sein. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine aus einem Verbundstoff 5 gefertigte Halbschale 3 des Gehäuses 2.
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Im darauf folgenden Prozessschritt wird eine Dichtung 4 auf zumindest eine Halbschale 3 aufgespritzt und somit integriert. Dieser Prozessschritt folgt unmittelbar nach dem vorherigen Schritt mittels Mehrkomponentenspritzguss. Das Material der Dichtungen 4 kann dasselbe Material sein, wie das Material der zweiten Komponente des Verbundwerkstoffs 5 oder ein anderes spritzgussfähiges Material. In einer vorteilhaften Ausführung wird ein thermoplastisches Elastomer auf die Halbschale 3 aufgespritzt. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine aus dem Verbundstoff 5 gefertigte Halbschale 3 des Gehäuses 2 mit integrierter Dichtung 4.
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Um das Verbundwerkstoffmaterial 5 und den im Innenraum 6 der Halbschalen 3 des Gehäuses 2 angebrachten Komponenten vor Umwelteinflüssen im Bereich des Messrohres 1 zu schützen, kann die dem Messrohr 1 zugewandte Innenfläche 9 speziell beschichtet werden. Dieser Prozessschritt folgt unmittelbar nach den vorherigen Schritten mit demselben Fertigungsverfahren. Das Material kann entweder identisch dem Material der zweiten Komponente des Verbundwerkstoffs 5 oder identisch dem Material der integrierten Dichtung 4 oder ein anderes spritzgussfähiges Material sein. 4 zeigt einen Querschnitt einer Halbschale 3 des Gehäuses 2 aus Verbundwerkstoff 5 mit integrierter Dichtung 4 und einer zusätzlichen Beschichtung 7 auf der dem Messrohr 1 zugewandten Innenfläche 9.
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Um das Verbundwerkstoffmaterial 5 und die im Innenraum 6 der Halbschalen 3 des Gehäuses 2 angebrachten Komponenten vor Umwelteinflüssen der Umgebung des Durchflussmessgeräts zu schützen, kann die dem Messrohr 1 abgewandte Außenfläche 10 speziell beschichtet werden. Dieser Prozessschritt folgt unmittelbar nach den vorherigen Schritten mit demselben Fertigungsverfahren. Das Material kann entweder identisch dem Material der zweiten Komponente des Verbundwerkstoffs 5 oder identisch dem Material der integrierten Dichtung 4 oder identisch mit dem Material der Beschichtung 7 der dem Messrohr zugewandten Innenfläche 9 der Halbschale 3 des Gehäuses 2 oder ein anderes spritzgussfähiges Material sein._5: zeigt einen Querschnitt einer Halbschale 3 des Gehäuses 2 aus Verbundwerkstoff 5 mit integrierter Dichtung 4, einer zusätzlichen Beschichtung 7 der dem Messrohr 1 zugewandten Innenfläche 9 und einer zusätzlichen Beschichtung 8 der dem Messrohr 1 abgewandten Außenfläche 10
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In einem alternativen Verfahren können die Halbschalen 3 des Gehäuses 2 mit integrierter Dichtung 4 und den Beschichtungen 7, 8 der Innen- und Außenflächen 9, 10 mittels eines 3D-Druckverfahrens gefertigt werden. Dabei können mehrere Materialien im selben Prozessschritt zur Fertigung verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messrohr
- 2
- Gehäuse
- 3
- Halbschalen
- 4
- Dichtung
- 5
- Verbundwerkstoff
- 6
- Innenraum
- 7
- Beschichtung auf der dem Messrohr zugewandten Innenfläche
- 8
- Beschichtung auf der dem Messrohr abgewandten Außenfläche
- 9
- Innenfläche
- 10
- Außenfläche
