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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fertigungsverfahren zur Herstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit einem sogenannten verminderten Querschnitt sind seit vielen Jahrzehnten bekannt. Sie werden beispielsweise benutzt um eine zuverlässige Messung bei einer verminderten Einlaufstrecke, z.B. nach einem 90°-Rohrkrümmer, zu gewährleisten.
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Magnetisch-induktive Durchflussmesser (MID) der vorgenannten Art mit einem eingeschnürten Durchmesser sind aus den Druckschriften
EP 2 187 180 A1 ,
EP 2 196 779 A1 ,
DE 10 2006 060 442 A1 ,
JP H04 295 722 A ,
DE 197 08 857 A1 ,
EP 1 666 849 A1 ,
EP 1 151 251 A1 und
US 4 899 592 A bekannt. Diese Art der Durchflussmesser umfasst meist ein druckstabiles Metallrohr als Messrohr mit einem darin eingebrachten, z.B. eingezogenen, Liner als elektrisch isolierende Schicht. Auf dem Messrohr aufgebaut befinden sich die üblichen elektronischen Bauteile eines MID, wie z.B. Magnetspulen und ggf. auch Leiterplatten, Anzeigemodule und dergleichen.
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Ein weiteres typisches Beispiel für einen solchen Aufbau ist ein Durchflussmesser, wie er aus der Druckschrift
DE 10 2012 213 507 B3 bekannt ist. In einem bausatzartigen Aufbau werden alle Bauteile um ein Messrohr mit vermindertem Querschnitt angeordnet
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Weiterhin gattungsgemäß sind die
EP 3 237 848 A1 und die
WO 90/07694 A2 in welchen ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Messrohr mit eingeschnürtem Querschnitt auf Basis eines Kunststoffmaterials eingesetzt wird. Auch in diesen Messrohren erfolgt der Aufbau des Magnetsystems auf ein bestehendes Messrohr.
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Weiterhin zum Stand der Technik zählen sogenannte Wafer-MID's, wie aus der
DE 42 17 714 A1 und der
US 5 540 103 A bekannt sind. In letzterer Druckschrift erfolgt der Aufbau ebenfalls auf einem Rohr unter anschließender Ausschäumung des Bauraums.
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Eine Einbettung der gesamten Bauteile eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes wird in der
DE 198 31 894 A1 beschrieben, in welcher alle wesentlichen Elemente eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes in einem Vergussblock vergossen werden. Sodann wird eine Durchgangsbohrung in den Vergussblock eingebohrt. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil dass lediglich Rohrquerschnitte mit einem einheitlichen Querschnitt fertigbar sind.
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Ausgehend von diesem umfangreichen Stand der Technik ist es nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein unkompliziertes Verfahren zur Fertigung eines magnetisch-induktives Durchflussmessgerätes und ein einfach zu fertigendes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit eingeschnürtem Querschnitt bereitzustellen.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
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Ein erfindungsgemäßes Fertigungsverfahren zur Herstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes umfassend ein Messsystem umfassend zumindest zwei Magnetspulen und zwei Messelektroden, zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
- a) Bereitstellen einer Vergussform und einem Vergusskern zur Ausbildung einer Vergusswandung mit einem Fluidkanal;
- b) Einsetzen des Messsystems in die Vergussform;
- c) Einfüllen der Vergussmasse in die Vergussform unter Ausbildung eines Vergusskörpers mit einem fluidführenden Kanal;
- d) Trennen des Vergusskörpers von der Vergussmasse und dem Vergusskern.
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Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst einen fluidführenden Kanal, eine den Kanal begrenzende Wandung und ein in die Wandung eingebettetes Messsystem umfassend zumindest zwei zumindest bereichsweise eingebetteten Magnetspulen und zumindest zwei Messelektroden zum Abgriff einer Messspannung, wobei der fluidführende Kanal einen Ein- und Auslaufbereich mit einem ersten Querschnitt aufweist und wobei der fluidführende Kanal ein Mittelsegment zwischen dem Ein- und Auslaufbereich aufweist, welches einen zweiten Querschnitt aufweist, wobei in dem Mittelsegment des fluidführenden Kanals die Messelektroden angeordnet sind, wobei der die Wandung aus einem Vergussmaterial gebildet ist.
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Das eingebettete Messsystem ist zumindest bereichsweise, nämlich im Bereich der Magnetspulen eingebettet. Die Messelektroden hingegen müssen nicht zwingend eingebettet sein, sondern als Stiftelektroden können auch nachträglich eingesetzt werden.
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Allerdings sind in vielen Fällen Elektroden mit Elektrodenköpfen, z.B. sogenannte Pilzkopfelektroden, für den Einsatz in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät bevorzugt. Diese können vorteilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung während der Fertigung bei Ausbildung des Materials der Wandung vergossen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Magnetsystem kann zumindest bereichsweise, insbesondere im Bereich der Spulenkörper, vorteilhaft eine wärmeisolierende Ummantelung aufweisen.
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Die Ummantelung kann als ein Schaummaterial, insbesondere ein Epoxidschaum (z.B. Fa. Epoxonic-Epoxonic 336- A+B), Polyurethanschaum (Fa. BASF, Fa. Rampff, Fa. Ströhle) ausgebildet sein. Dadurch werden auch Materialspannungen beim Abkühlen des Vergusses durch das komprimierbare Schaummaterial ausgeglichen. Das Durchflussmessgerät kann zudem eine Mess- und/oder Auswerteeinheit aufweist, welche zur Vermeidung von Temperaturschocks durch das Vergussmaterial bei der Fertigung außerhalb der Wandung angeordnet ist.
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Es ist zudem von Vorteil, wenn Energie- und/oder Signalleitungen zumindest innerhalb des Vergussmaterials eine wärmeisolierende Ummantelung aufweisen.
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Das Vergussmaterial kann vorteilhaft ein Polyamid oder ein Polyethylen, insbesondere ein Polyamid mit der Lebensmittelzulassung ISO 22000 als weltweiter Standard für Managementsysteme zur Lebensmittelsicherheit bzw. Zertifizierungen für den Einsatz solcher Vergussmaterialien in Kontakt mit Trinkwasser
USA: NSF 61
UK: WRC - BS6920 and DWI
Deutschland: DVGW KTW und W270
Frankreich: DGS VS4
sein. Die Angaben der vorgenannten Normen beziehen sich auf die aktuellen Normen zum Zeitpunkt Dezember 2017.
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Zumindest die Wandung und das darin eingebettete Messsystem sind vorteilhaft von entlang einer zur umweltbegrenzenden Oberfläche der Wandung durch ein Außengehäuse geschützt sind.
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Zum zusätzlichen Schutz vor Druckstößen kann eine ringförmige Armierung außerhalb des Messsystems allerdings in der Wandung eingebettet sein. Der Abstand zum Messsystem sollte dabei vorteilhaft jedoch weniger als 10 cm, vorzugsweise weniger als 5 cm betragen.
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Das Messsystem kann zudem einen oder mehrere Rückführbleche umfassen, welcher oder welche ringförmig in der Wandung um den fluidführenden Kanal herum eingebettet sind. Diese helfen zusätzlich bei der Positionierung des Messsystems in der Vergussform bei der Fertigung des Vergusskörpers umfassend die Wandung und das darin eingebettete Messsystem.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren mittels eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 erste Seitenansicht eines Messsystems eines erfindungsgemäßen Messgerätes;
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Der Aufbau eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 ist in 1 dargestellt.
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Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes sind grundsätzlich bekannt. Gemäß dem Faraday'schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch ein Magnetsystem erzeugt. Dabei kann es sich vorzugsweise um zwei Feldspulen handeln, die diametral zueinander auf gleicher Höhe der Messrohrachse A eines Messrohres am Messrohr angeordnet sind. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei oder mehr Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen bekannt und anderer geometrischer Anordnung bekannt. Die Anmelderin stellt seit mehreren Jahrzehnten magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte in unterschiedlichen Abmessungen und Ausgestaltungen beispielsweise unter dem Namen „Promag“ her.
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Das Durchflussmessgerät 1 umfasst einen fluidführenden Kanal 2 mit eingeschürtem Durchmesser. wobei der fluidführende Kanal 2 einen Ein- und Auslaufbereich 7, 8 mit einem ersten Querschnitt aufweist und wobei der fluidführende Kanal 2 ein Mittelsegment 9 zwischen dem Ein- und Auslaufbereich 7, 8 aufweist, welches einen zweiten Querschnitt aufweist, wobei in dem Mittelsegment 10 des fluidführenden Kanals 2 Messelektroden 6 angeordnet sind.
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1 zeigt ein Messsystem 4 welches in der Form bereits bekannt ist. Es umfasst u.a. zwei Magnetspulen 5 zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Diese liegen sich diametral am Kanal 2 gegenüber. Weiterhin umfasst das Messsystem zwei Messelektroden 6 zum Abgriff der durch das Magnetsystem induzierten Spannung.
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Der Kanal 2 wird durch eine Wandung 3 begrenzt. Das besondere an der Konstruktion der 1 ist, dass die Wandung 3 zugleich auch das Einfassungsmaterial für das Meßsystem, also die für die Magnetspulen und die Messelektroden ist, so dass ein Messrohr in dieser Konstruktionsvariante vorteilhaft entfallen kann. Konkret ist die kanalbildende Wandung 3 aus einer Vergussmasse gebildet in welcher auch die Magnetspulen 5 einbettet. Ein zusätzliches Messrohr kann somit bei dieser Konstruktion vorteilhaft entfallen.
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Als Material der Vergussmasse kommt ein elektrisch-isolierender Kunststoff, insbesondere Polyethylen oder Polyamid-Verbindungen, in Betracht.
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Durchflussmessgerät kann wie in 1 dargestellt endständig Flansche 10 aufweisen oder flanschlos, z.B. als sogenanntes Wafer-MID ausgebildet sein.
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Der Kanal 2 kann im Einlauf- und Auslaufbereich 7 und 8 vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt verändert sich des Kanals 2 entlang seiner Längsachse.
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Der Kanal 2 weist dabei ein Mittelsegment 9 auf, in welchem ein minimaler Rohrdurchmesser zumindest um 20%, vorzugsweise um 50% geringer ist als der Rohrdurchmesser im Einlaufbereich 7 oder Auslaufbereich 8. Der maximale Rohrdurchmesser ist gegenüber dem minimalen Rohrdurchmesser zumindest um 20%, vorzugsweise 50% größer.
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Das Medium übt einen gewissen Druck auf das Messrohr aus. Besonders intensiv wird dieser Mediumsdruck in dem Bereich der Verengung, also im Mittelsegment 9. Gerade bei Messrohren aus Kunststoff ist eine Querschnittsaufweitung oft schon ab Mediumsdrücken von 3 bar oder höher zu beobachten. Dies ist ein grundsätzliches Problem, da der Abstand der Messelektroden 6 bei einer Querschnittsaufweitung geändert wird, wodurch Fehlmessungen auftreten. Die Querschnittsverengung vergrößert dieses Problem zusätzlich. Um druckbedingten Querschnittsaufweitungen dieses Querschnitts des Mittelbereichs entgegenzuwirken kann das Durchflussmessgerät Armierungen, z.B. metallische Verstärkungsringe, benachbart zum Messsystems 4 aufweisen zur zusätzlichen Stabilisierung bei höheren Mediumsdrücken. Da die Dicke des Vergussmaterials gerade im Bereich der Querschnittsverengung allerdings auch höher ist, wirkt dies auch einer Querschnittsaufweitung entgegen.
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Zusätzliche Stabilität kann das Messgerät durch nicht-dargestellte eingegossene Armierungen, z.B. Metallringen oder dergleichen erhalten, oder besonders vorteilhaft durch ein Außengehäuse 13, wie in 1 dargestellt.
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Bei einem Verguss kann zudem das Material der Magnetspulen und ggf. auch weitere elektronische Bauteile stark thermisch belastet werden. Zu Verhinderung dieses Effekts können insbesondere die Magnetspulen mit Wärmedämmmaterial als bereichsweise oder vollständige thermisch isolierende Ummantelung 14 gegen übermäßigen Temperaturschock der Spulen versehen werden. Dabei kann es sich z.B. um ein Schaummaterial handeln. Die Ummantelung kann z.B. durch Umschäumen der Magnetspulen 6 erfolgen.
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Es empfiehlt sich zudem ein Minimum an Elektronik im Bereich des Vergussmaterials anzuordnen. Daher sollte eine nicht-dargestellte Mess- und Auswerteeinheit 15 als sogenannte Abgesetzt-Variante erst nach der Bereitstellung des Gießkörpers auf diesen aufgesetzt werden.
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Weiter empfiehlt sich auch die thermisch isolierende Ummantelung von Signalleitungen zur Energieversorgung und zum Datentransfert zumindest innerhalb des Vergussmaterials.
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Die Magnetspule 5 weist üblicherweise aus einem Spulenkörper und einem darumgewickelten Draht, z.B. Kupferdraht, auf. Zentral in der Magnetspule 2 ist ein Spulenkern angeordnet. Dessen Funktion besteht im Wesentlichen darin, in Verbindung mit der Feldspule, den magnetischen Fluss zu bündeln und die Induktivität und die magnetische Flussdichte zu vergrößern. Zur Vermeidung von Wirbelströmen innerhalb des Spulenkerns werden hierbei oft Spulenkerne aus zusammengesetzten einzelnen Metallblechen genutzt. Es empfiehlt sich lediglich die Spulenkörper zu ummanteln und zumindest das zu Mediums gewandte Ende des Spulenkerns frei von der Ummantelung zu halten.
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Die Magnetspule kann zudem auf einem Polschuh 11 aufsitzen. Dieser dient dabei dem definierten Heraustreten und der Verteilung der magnetischen Feldlinien. Das Durchflussmessgerät weist zudem eine magnetische Rückführung in Form eines oder mehrerer Rückführbleche 12 zur Führung des durch das Spulensystem erzeugten Magnetfeldes auf. Dieses Rückführblech oder diese Rückführbleche bilden ein ringförmiges Blechsegment und sind ebenfalls Teil des Messsystems 4. Sie helfen zusätzlich bei der Fertigung zur besseren Positionierung der Magnetspulen und des Messsystems insgesamt.
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Neben den Messelektroden, die zum Abgriff eines Messsignals dienen, werden oftmals zusätzliche Elektroden in Form von Bezugs- oder Erdungselektroden in das Messrohr eingebaut, die dazu dienen, ein elektrisches Referenzpotential zu messen oder teilgefüllte Messrohre zu erkennen oder die Mediumstemperatur mittels eingebautem Temperaturfühler zu erfassen.
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1 stellen lediglich eine Ausführungsvariante eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes dar. Es sind auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen bekannt und anderer geometrischer Anordnung bekannt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
- 2
- Kanal
- 3
- Wandung
- 4
- Messsystem
- 5
- Magnetspule
- 6
- Messelektrode
- 7
- Einlaufbereich
- 8
- Auslaufbereich
- 9
- Mittelsegment
- 10
- Flansch
- 11
- Polschuh
- 12
- Rückführblech
- 13
- Außengehäuse
- 14
- Thermische Ummantelung
- 15
- Mess- und/oder Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2187180 A1 [0003]
- EP 2196779 A1 [0003]
- DE 102006060442 A1 [0003]
- JP H04295722 A [0003]
- DE 19708857 A1 [0003]
- EP 1666849 A1 [0003]
- EP 1151251 A1 [0003]
- US 4899592 A [0003]
- DE 102012213507 B3 [0004]
- EP 3237848 A1 [0005]
- WO 9007694 A2 [0005]
- DE 4217714 A1 [0006]
- US 5540103 A [0006]
- DE 102014115871 A1 [0007]
- DE 102013102544 A1 [0007]
- DE 102012110665 A1 [0007]
- DE 10347878 A1 [0007]
- DE 102014105645 A1 [0007]
- EP 1207374 A1 [0008]
- DE 19831894 A1 [0009]
