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Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät zur Durchflussmessung eines strömenden Mediums, mit einer Messleitung, mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines die Messleitung wenigstens teilweise durchsetzenden Magnetfeldes, mit zwei Messelektroden zum Abgreifen einer in dem strömenden Medium induzierten Messspannung, mit einer Auswerteeinheit, mit einer elektrischen Verbindung zwischen den Messelektroden und der Auswerteeinheit und mit einem die Messleitung, die Magnetfelderzeugungseinrichtung, die Messelektroden und die Auswerteeinheit aufnehmenden Messgerätgehäuse.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte sind seit Jahrzehnten umfangreich im Stand der Technik bekannt. Dazu wird exemplarisch auf die Literaturstelle
"Technische Durchflussmessung" von Prof. Dr.-Ing. K.W. Bonfig, 3. Auflage, Vulkan-Verlag Essen, 2002, Seiten 123 bis 167, und auch auf die Literaturstelle
"Grundlagen Magnetisch-Induktiver Durchflussmessung" von Dipl.-Ing. Friedrich Hoffmann, 3. Auflage, 2003, Firmendruckschrift der Firma KROHNE Messtechnik GmbH & Co. KG, verwiesen.
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Das Prinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts zur Durchflussmessung eines strömenden Mediums geht auf Michael Faraday zurück, der im Jahre 1832 vorgeschlagen hat, das Prinzip der elektromagnetischen Induktion zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines elektrisch leitfähigen Mediums anzuwenden.
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Nach dem faradayschen Induktionsgesetz entsteht in einem von einem Magnetfeld durchsetzten strömenden, elektrisch leitfähigen Medium eine elektrische Feldstärke senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums und senkrecht zum Magnetfeld. Das faradaysche Induktionsgesetz wird bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten dadurch ausgenutzt, dass mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, die meistens mindestens eine Magnetfeldspule aufweist, meistens ein während des Messvorgangs sich zeitlich veränderndes Magnetfeld erzeugt wird und das Magnetfeld wenigstens teilweise das durch die Messleitung strömende elektrisch leitfähige Medium durchsetzt. Dabei weist das Magnetfeld wenigstens eine Komponente senkrecht zur Längsachse der Messleitung bzw. senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums auf.
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Wenn es einleitend heißt, dass zu dem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät mindestens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung "zur Erzeugung eines zumindest auch senkrecht zur Längsachse der Messleitung verlaufenden Magnetfeldes" gehört, dann sei hier noch einmal darauf hingewiesen, dass das Magnetfeld zwar vorzugsweise senkrecht zur Längsachse der Messleitung bzw. senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verläuft, ausreichend jedoch ist, dass eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zur Längsachse der Messleitung bzw. senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verläuft.
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Einleitend heißt es auch, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines vorzugsweise wechselnden Magnetfeldes bestimmt ist. Dadurch wird zum Ausdruck gebracht, dass es für die Lehre der Erfindung – nach ihrem Ausgangspunkt, der zugrundeliegenden Aufgabe und der Lösung dieser Aufgabe – nicht darauf ankommt, ob es sich um ein wechselndes Magnetfeld, also um ein elektromagnetisches Wechselfeld, handelt, wenn auch überwiegend magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte Magnetfelderzeugungseinrichtungen haben, die ein wechselndes Magnetfeld erzeugen.
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Eingangs ist auch ausgeführt, dass zu dem in Rede stehenden magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät mindestens zwei die in dem elektrisch leitenden Medium induzierte Messspannung abgreifende Messelektroden gehören, die vorzugsweise das Medium berühren. Vorzugsweise verläuft die virtuelle Verbindungslinie der beiden Messelektroden zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des die Messleitung senkrecht zur Längsachse der Messleitung durchsetzenden Magnetfeldes. Insbesondere können die Messelektroden so vorgesehen sein, dass deren virtuelle Verbindungslinie tatsächlich – mehr oder weniger – senkrecht zur Längsachse der Messleitung durchsetzenden Magnetfeldes verläuft.
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Schließlich ist bereits ausgeführt, dass es sich bei den Messelektroden insbesondere um solche handeln kann, die das Medium berühren. Tatsächlich kann selbstverständlich die durch Induktion im strömenden, elektrisch leitfähigen Medium erzeugte elektrische Feldstärke durch direkt, also galvanisch mit dem Medium in Kontakt stehende Messelektroden als Messspannung abgegriffen werden. Es gibt aber auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, bei denen die Messspannung nicht durch direkt, also nicht durch galvanisch mit dem Medium in Kontakt stehende Messelektroden abgegriffen wird, vielmehr die Messspannung kapazitiv abgegriffen wird.
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Bei einer funktionalen Betrachtung von magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten der in Rede stehenden Art kann man drei Funktionseinheiten unterscheiden, nämlich eine erste Funktionseinheit mit der Messleitung und den Messelektroden, eine zweite Funktionseinheit mit der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der Auswerteeinheit und als dritte Funktionseinheit die elektrische Verbindung zwischen den Messelektroden und der Auswerteeinheit.
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Denkbar sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen von magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten, nämlich eine erste Ausführungsform, bei der die zuvor angesprochenen Funktionseinheiten, also die Messleitung mit den Messelektroden, die Magnetfelderzeugungseinrichtung und die Auswerteeinheit sowie die elektrische Verbindung werksseitig bereits miteinander in Funktion gebracht sind, also werksseitig in Funktion gebrachte Bauteile eines bereits werksseitig funktionsfähigen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind, und eine zweite Ausführungsform, bei der die Funktionseinheiten getrennte Bauteile sind, die erst miteinander in Funktion gebracht ein funktionsfähiges magnetisch-induktives Durchflussmessgerät ergeben.
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Nachfolgend wird die erste Ausführungsform eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts beschrieben, also die Ausführungsform, bei der die Messleitung mit den Messelektroden sowie die Magnetfelderzeugungseinrichtung und die Auswerteeinheit bereits werksseitig miteinander in Funktion gebracht sind, also werksseitig miteinander in Funktion gebrachte Bauteile eines bereits funktionsfähigen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind.
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Die bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräte sind häufig dadurch insgesamt "stabile Konstruktionen", dass die Messleitung oder / und das Messgerätgehäuse aus Metall bestehen. Bei den Messleitungen handelt es sich in aller Regel um Messrohre, also um zylindrische Hohlkörper mit einem kreisringförmigen Querschnitt. Auch die Messgerätgehäuse sind häufig als zylindrische Hohlkörper mit einem kreisringförmigen Querschnitt oder einem im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt ausgeführt. Außerdem gilt für die meisten bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräte, dass die Messgerätgehäuse beidseitig aus Metall bestehende Abschluss- und Anschlussflansche aufweisen. Einerseits schließen diese Abschluss- und Anschlussflansche, mit denen die beiden Enden der Messleitung – direkt oder indirekt – verbunden sind, das Durchflussmessgerät ab, darum der Ausdruck "Abschlussflansch". Andererseits dienen die Abschluss- und Anschlussflansche dem beiderseitigen Anschluss des Durchflussmessgeräts an entsprechende Rohrleitungsflansche, darum der Ausdruck "Anschlussflansch".
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte müssen unter anderem und vor allem erheblichen Anforderungen an die Messgenauigkeit genügen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die in dem strömenden, elektrisch leitfähigen Medium induzierte Messspannung relativ niedrig ist. Das gilt schon für "normale Verhältnisse". Unter "normale Verhältnisse" soll eine nicht besonders geringe Strömungsgeschwindigkeit und eine nicht besonders geringe Leitfähigkeit des strömenden Mediums verstanden werden. Bei messtechnisch "erschwerten Voraussetzungen", das heißt bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und / oder bei geringer elektrischer Leitfähigkeit des strömenden Mediums werden besonders niedrige Messspannungen induziert, – mit der Konsequenz, dass auch – absolut gesehen – relativ niedrige Störspannungen die Messgenauigkeit signifikant beeinflussen.
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Das zuvor beschriebene technische Problem berücksichtigend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät anzugeben, bei dem die Messgenauigkeit weitgehend unabhängig von äußeren Einflüssen beibehalten werden kann.
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Das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät, bei dem die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerätgehäuse funktional zweiteilig ausgeführt ist, nämlich aus einem ersten Teilgehäuse und aus einem zweiten Teilgehäuse besteht, und dass in dem ersten Teilgehäuse die Messleitung und in dem zweiten Teilgehäuse die Auswerteeinheit angeordnet sind. Weiterhin sind entweder die beiden Teilgehäuse des Messgerätgehäuses über ein halsförmiges Verbindungsteil miteinander verbunden, was insbesondere eine zweistückige oder zweiteilige Ausführung darstellt, oder die beiden Teilgehäuse gehen in einem halsförmigen Verbindungsteil ineinander über, was eine einstückige Ausführung ist. Dabei ist der Querschnitt des halsförmigen Verbindungsteils so gering wie möglich zu wählen, natürlich unter Berücksichtigung der durchzuführenden elektrischen Verbindung zwischen den Messelektroden und der Auswerteeinheit, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der durchzuführenden Stromzuführung zur Magnetspule oder zu den Magnetspulen und unter Berücksichtigung fertigungs- und / oder montagetechnischer Erfordernisse.
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Das durch die Messleitung strömende Medium, dessen Durchfluss gemessen werden soll, kann eine relativ hohe Temperatur haben, zum Beispiel bis etwa 140 °C. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte auch gereinigt werden müssen, und zwar durch den Einsatz relativ heißer Reinigungsmittel, zum Beispiel durch den Einsatz von Säuren oder von Wasserdampf. Die wesentliche Lehre der Erfindung ist folglich die, die Auswerteeinheit und die in der Auswerteeinheit vorgesehenen elektrischen, vor allem aber elektronischen Bauelemente vor zu hohen Temperaturen zu schützen, also dafür zu sorgen, dass hohe Temperaturen der Messleitung nicht zu hohen Temperaturen in der Auswerteeinheit führen.
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Eingangs ist ausgeführt, dass die zu magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten gehörende Magnetfelderzeugungseinrichtung meistens mindestens eine Magnetfeldspule, häufig auch zwei Magnetfeldspulen aufweist. Die Bestromung der Magnetfeldspule kann auch zu hohen Temperaturen an der Oberfläche der Magnetfeldspule führen, weil die in der Magnetfeldspule in Abhängigkeit vom Widerstand der Magnetfeldspule entstehende Wärme praktisch nur über die Oberfläche der Magnetfeldspule abgeführt werden kann. Folglich ist eine bevorzugte Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Teilgehäuse, in dem sich, wie bereits ausgeführt, die Messleitung befindet, auch die Magnetspule angeordnet ist oder die Magnetspulen angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäß realisierte Trennung zwischen der Messleitung oder der Messleitung und der Magnetspule beziehungsweise den Magnetspulen einerseits sowie der Auswerteeinheit andererseits erfordert natürlich, dass die beiden Teilgehäuse des Messgerätgehäuses von einander weitgehend thermisch getrennt ausgeführt sind.
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Wenn es in Bezug auf die Lehre der Erfindung heißt, dass das Messgerätgehäuse funktional zweiteilig ausgeführt ist, dann wird dadurch zum Ausdruck gebracht, dass es nur auf die funktionale Zweiteilung ankommt, dass also das Messgerätgehäuse, die beiden Teilgehäuse umfassend, gleichwohl einstückig ausgeführt sein kann. Eine einstückige Ausführung des Messgerätgehäuses schließt nicht aus, dass das Messgerätgehäuse mindestens einen Gehäusedeckel, gegebenenfalls auch zwei Gehäusedeckel aufweist. Die einstückige Ausführung des Messgerätgehäuses schließt es also nicht aus, dass mindestens ein Gehäusedeckel, gegebenenfalls auch zwei Gehäusedeckel zum Messgerätgehäuse gehören.
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Die Tatsache, dass bei der funktionalen Zweiteiligkeit des Messgerätgehäuses auf die elektrische Verbindung zwischen den Messelektroden und der Auswerteeinheit einerseits und auf die Stromzuführung zur Magnetspule oder zu den Magnetspulen andererseits Rücksicht genommen werden muss und auch fertigungs- und / oder montagetechnische Vorgaben nicht unberücksichtigt bleiben können, kann dazu führen, dass die thermische Trennung zwischen dem ersten Teilgehäuse und dem zweiten Teilgehäuse nicht so stringent realisiert werden kann, wie das eigentlich gewünscht ist.
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Deshalb ist beim erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät zusätzlich vorgesehen, dass in dem halsförmigen Verbindungsteil zwischen dem ersten Teilgehäuse und dem zweiten Teilgehäuse eine thermische Barriere angeordnet ist. Die thermische Barriere soll die ansonsten gegebene Konvektion zwischen den beiden Teilgehäusen so weitgehend wie möglich verhindern.
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Damit nun statt der verhinderten Konvektion nicht in erheblichem Maße Wärmeleitung über die thermische Barriere auftritt, besteht in einer Ausgestaltung die thermische Barriere aus einem thermisch schlecht leitenden Material. In einer Ausgestaltung ist die thermische Barriere möglichst weich bzw. mechanisch verformbar realisiert, so dass die thermische Barriere das halsförmige Verbindungsteil zumindest abschnittweise möglichst vollständig verschließt.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass durch die thermische Barriere die elektrische Verbindung zwischen den Messelektroden und der Auswerteeinheit verläuft. Der elektrischen Verbindung dienen in einer Ausgestaltung Leiter oder Kabel usw., die durch die thermische Barriere hindurchgeführt sind.
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In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung verläuft eine Stromzuführung zur Magnetfelderzeugungseinrichtung durch die thermische Barriere hindurch. Ist mindestens eine Magnetspule als Teil der Magnetfelderzeugungseinrichtung vorhanden, so dient in dieser Ausgestaltung die Stromzuführung insbesondere der Energieversorgung der Magnetspule.
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Den beiden letztgenannten Ausgestaltungen ist gemein, dass die in aller Regel notwendigen Kontaktierungs- oder Übertragungselemente – wie beispielsweise elektrische Leiter – durch die thermische Barriere hindurchgeführt werden und somit nicht seitlich daran vorbei angeordnet sind. Hierdurch kann zum einen eine Fixierung der Leiter gegen mechanische Belastung erzeugt werden. Zum anderen wird der Raum um die thermische Barriere möglichst wenig durch weitere Elemente benötigt, durch die sich ein direkter Durchgang zwischen den beiden Teilgehäusen und damit ein Transportweg für die Wärme bilden könnte.
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In einer Ausgestaltung weist die thermische Barriere für die Realisierung der elektrischen Verbindung und/oder der Stromzuführung durchgehende Ausnehmungen, beispielsweise Schlitze, auf. Das gibt die Möglichkeit, im konkreten Fall die Ausnehmungen mit minimal möglichen Querschnitten zu versehen.
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In einer Ausgestaltung weist die thermische Barriere endseitig einen schwalbenschwanzartig umschlossenen Freiraum auf. In einer weiteren Ausgestaltung ist die thermische Barriere an dem dem Freiraum gegenüberliegenden Ende im Wesentlichen quaderförmig realisiert. Die Höhe des Quaders ist dabei in Abhängigkeit von der Höhe des halsförmigen Verbindungsteils gegeben.
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Dadurch, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die am Messrohr und / oder an der Magnetspule oder den Magnetspulen auftretenden hohen Temperaturen nicht auf die Auswerteeinheit, insbesondere auf die in der Auswerteeinheit vorgesehenen elektrischen und elektronischen Bauelemente "durchschlägt", wird vor allem erreicht, dass einerseits die temperaturabhängige Drift des Ausgangssignals so gering wie möglich ist, dass andererseits die Lebensdauer der in der Auswerteeinheit vorgesehenen elektrischen Bauelemente, insbesondere die Lebensdauer der dort vorgesehenen elektronischen Bauelemente so hoch wie möglich ist, also nicht negativ durch hohe Temperaturen der Messleitung und / oder der Magnetspule oder der Magnetspulen beeinflusst wird.
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Wie zuvor im Einzelnen dargelegt, gibt es verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 perspektivisch dargestellt, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts,
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2 in gegenüber der 1 vergrößerter Darstellung, wiederum perspektivisch dargestellt, eine Teilansicht des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts und
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3 in stark vergrößerter Darstellung, wiederum perspektivisch dargestellt, die zu dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts gehörende thermische Barriere.
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Wie einleitend ausgeführt, gehören zu magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten eine Messleitung 1, durch die das Medium strömt, eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 zur Erzeugung eines die Messleitung 1 wenigstens teilweise durchsetzenden Magnetfeldes, zwei – in der 1 hinsichtlich ihrer Position angedeutete – Messelektroden 14 zum Abgreifen einer in dem strömenden Medium induzierten Messspannung, eine Auswerteeinheit 3, eine elektrische Verbindung 15 zwischen den Messelektroden 14 und der Auswerteeinheit 3 und ein Messgerätgehäuse 4. Im Ausführungsbeispiel gehören zu der Magnetfelderzeugungseinrichtung zwei Magnetspulen 5.
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Das Messgerätgehäuse 4 ist funktional zweiteilig ausgeführt und besteht aus einem ersten Teilgehäuse 6 und einem zweiten Teilgehäuse 7. In dem ersten Teilgehäuse 6 sind die Messleitung 1 und die wesentlichen Teile der Magnetfelderzeugungseinrichtung 2 angeordnet, nämlich die Magnetspulen 5 und Magnetfeldführungselemente 8. Im zweiten Teilgehäuse 7 befindet sich die Auswerteeinheit 3.
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Damit eine gute thermische Trennung zwischen der Messleitung 1 und den Magnetspulen 5 einerseits sowie der Auswerteeinheit 3 andererseits sichergestellt ist, sind die beiden Teilgehäuse 6, 7 des Messgerätgehäuses 4 voneinander weitgehend thermisch getrennt ausgeführt.
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Dargestellt ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem das Messgerätgehäuse 4, die beiden Teilgehäuse 6, 7 umfassend, einstückig ausgeführt ist. Die einstückige Ausführung schließt aber nicht aus, dass das Messgerätgehäuse 4, was nicht dargestellt ist, mindestens einen Gehäusedeckel aufweist. Die 1 macht das deutlich, lässt nämlich erkennen, dass zum Abschluss des Messgerätgehäuses 4 noch ein Gehäusedeckel gehört.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gehen die beiden Teilgehäuse 6, 7 in einem halsförmigen Verbindungsteil 9 ineinander über. Dabei ist der Durchgangsquerschnitt zwischen den beiden Teilgehäusen 6, 7 des Messgerätgehäuses 4, also der Durchgangsquerschnitt im Bereich des halsförmigen Verbindungsteils 9 so gering wie möglich ausgeführt. Berücksichtigt ist, dass einerseits die elektrische Verbindung 15 zwischen den Messelektroden 14 und der Auswerteeinheit 3 und andererseits die Stromzuführung 10 zu den Magnetspulen 5 durch den halsförmigen Verbindungsteil 9 durchgeführt werden müssen.
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Schließlich ist in dem halsförmigen Verbindungsteil 9 zwischen den Teilgehäusen 6, 7 eine thermische Barriere 11 vorgesehen, die aus einem thermisch schlecht leitenden Material besteht.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die thermische Barriere 11 mit die elektrische Verbindung 15 durchlassenden Ausnehmungen 12 versehen. Darüber hinaus ist die thermische Barriere 11 mit die Stromzuführung 10 zu den Magnetspulen 5 durchlassenden Ausnehmungen 12 versehen. Im Übrigen endet im dargestellten Ausführungsbeispiel die thermische Barriere 11 schwalbenschwanzartig. Dabei ist die Stromzuführung 10 zu den Magnetspulen 5 durch einen Freiraum 13 geführt, der bei der schwalbenschwanzartigen Ausführung der thermischen Barriere 11 vorhanden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69232633 C2 [0012]
- DE 19907864 A1 [0012]
- DE 10064738 B4 [0012]
- DE 10243748 A1 [0012]
- DE 102008005258 A1 [0012]
- DE 102011112703 A1 [0012]
- EP 0704682 A1 [0012]
- EP 0834057 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Technische Durchflussmessung" von Prof. Dr.-Ing. K.W. Bonfig, 3. Auflage, Vulkan-Verlag Essen, 2002, Seiten 123 bis 167 [0002]
- "Grundlagen Magnetisch-Induktiver Durchflussmessung" von Dipl.-Ing. Friedrich Hoffmann, 3. Auflage, 2003 [0002]
- Michael Faraday zurück, der im Jahre 1832 [0003]
