DE102018107017A1

DE102018107017A1 - Muffe mit Sensoranschluss und Verfahren zum Anbringen eines Sensors an einer Rohrleitung

Info

Publication number: DE102018107017A1
Application number: DE102018107017.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Selzer; Ricardo Andre Dias Assis
Original assignee: Witzenmann GmbH
Current assignee: Witzenmann GmbH
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-09-26
Also published as: CN110296282A; JP2019191157A

Abstract

In einer Muffe (7) sind eine Sensorgehäuse-Aufnahme (3) und eine Muffenbohrung (5), welche die Sensorgehäuse-Aufnahme (3) mit dem Inneren der Muffe (7) verbindet, integriert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Muffe mit Sensoranschluss gemäß Anspruch 1, auf eine Rohrleitung mit solcher Muffe gemäß Anspruch 6 und auf ein Verfahren zum Anbringen eines Sensors an einer Rohrleitung gemäß Anspruch 13.
Fluidströme in Rohren müssen mittels Sensoren überwacht werden, um beispielsweise die Temperatur, den Druck oder die Zusammensetzung zu kontrollieren. Hierzu werden gemäß dem Stand der Technik die Sensoren mit dem Fluidstrom zumindest indirekt in Berührung gebracht. Der Sensor wird über einen Stutzen mit dem Rohr verbunden. Der Stutzen weist eine Bohrung auf, durch welche die Sensorspitze geführt werden kann. Damit die Sensorspitze mit dem Fluid in Kontakt treten kann, wird der Stutzen auf das Rohr aufgesetzt und anschließend über die Bohrung des Stutzens eine Bohrung in das Rohr eingebracht, so dass später die Sensorspitze durch beide Bohrungen im Stutzen und im Rohr in das Innere des Rohrs bzw. in das darin geführte Fluid ragen kann.
Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass die beim Anbohren des Rohrs oder einer Rohrleitung entstehenden Späne und ein beim Bohrvorgang ggf. verwendetes Schmiermittel in das Innere des Rohres gelangen, wodurch es zu einer Verunreinigung des Rohres und zu einer Anreicherung des Fluids mit diesen Verunreinigungen kommt. Deshalb können derartige Sensoranschlüsse bei bestimmten Anwendungen mit hohen Reinheitsanfordernissen, beispielsweise bei Wasserstoffleitungen für Brennstoffzellen, gar nicht oder nur nach aufwändiger und teurer Reinigung eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensoranschluss für Rohre zu schaffen, bei welchem keine Späne in das Rohr gelangen, sodass der Sensoranschluss auch bei Anwendungen mit hohen Reinheitsanfordernissen, beispielsweise bei Wasserstoffleitungen für Brennstoffzellen, und ohne aufwändige und teure Nachbearbeitung eingesetzt werden kann. Außerdem soll eine Rohrleitung mit Sensoranschluss angegeben werden, die sich für Anwendungen mit hohen Reinheitsanfordernissen eignet. Schließlich soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich ein Sensor in eine Rohrleitung integrieren lässt, ohne dass diese dabei verschmutzt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mittels einer Muffe mit integriertem Sensoranschluss mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mittels einer Rohrleitung mit den Merkmalen des Anspruch 6 und mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Muffe dadurch gekennzeichnet, dass in der Muffe eine Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme und eine Muffenbohrung, welche die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme mit dem Inneren der Muffe verbindet, integriert sind.
Muffen sind hülsenförmige Bauelemente zur unterbrechungsfreien Verbindung zweier Rohre oder Rohrleitungselemente, zu welchem Zweck die Rohrleitungselemente in die Muffe eingesteckt und so (fluidleitend) verbunden werden. Die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme ist durch eine Bohrung mit dem Inneren der Muffe verbunden. Wird das Rohr an der Stelle des Sensoranschlusses in zwei Teilstücke geteilt und diese mittels der Muffe verbunden, so besteht die vorgenannte Gefahr der Verunreinigung nicht: Einerseits ist die Bohrung in der Muffe bereits vorhanden, muss also nicht mehr mit Schmutz erzeugenden Bearbeitungsverfahren hergestellt werden. Andererseits lassen sich mögliche Verschmutzungen der Rohrteile an der Trennstelle deutlich leichter entfernen, als beim Anbohren einer durchgängigen Rohrleitung anfallende Späne und dgl.
Nachfolgend wird im Text nicht mehr zwischen Sensoraufnahme und Sensorgehäuse-Aufnahme unterschieden. Falls nicht anders ausgeführt, soll sich die Beschreibung also immer auf beide Ausführungen (Aufnahme für einen Sensor mit oder ohne Gehäuse) beziehen.
Erfindungsgemäß ist eine Rohrleitung dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung in ihrer axialen Erstreckung (Längserstreckung) in zwei Rohrstücke geteilt ist, welche Rohrstücke durch eine erfindungsgemäße Muffe verbunden sind, wobei die Rohrstücke in der Muffe in einem Abstand, a, voneinander angeordnet sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anbringen eines Sensors an einer Rohrleitung, um Eigenschaften eines in der Rohrleitung geführten Fluids mittels des Sensors zu bestimmen, ist dadurch gekennzeichnet, dass a) die Rohrleitung in zwei Rohrstücke getrennt oder aus zwei getrennten Rohrstücken gebildet wird; b) die Rohrstücke in eine erfindungsgemäße Muffe eingesteckt werden, sodass zwischen den Rohrstücken ein Abstand, a, verbleibt; und c) ein Sensor in die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme der Muffe eingesetzt wird.
Bei einer ersten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Muffe kann vorgesehen sein, dass die Muffenbohrung senkrecht zu einer axialen Erstreckungslinie bzw. einer Längserstreckung der Muffe verläuft, um einen Sensor in herkömmlicher Weise durch die Muffe in einen Fluidstrom einzubringen.
Verlaufen bei entsprechender Weiterbildung der erfindungsgemäßen Muffe die Sensorgehäuse-Aufnahme und die Muffenbohrung koaxial senkrecht zu einer axialen Erstreckungslinie der Muffe, so ist eine besonders einfache Fertigung mittels Bohren möglich.
Verfügt die erfindungsgemäße Muffe bei entsprechender Weiterbildung auf beiden Seiten der Mündung der Muffenbohrung im Inneren der Muffe über jeweils einen querschnittsverengenden Anschlag für ein Rohrstück, so ist eine einfache Montage der Rohrstücke möglich, ohne die Mündung für den Sensor zu verschließen, indem die Rohrstücke bis gegen den jeweiligen Anschlag in die Muffe eingeschoben bzw. eingesteckt werden.
Weist die erfindungsgemäße Muffe bei anderer Weiterbildung im Bereich der Muffenbohrung einen Innendurchmesser auf, welcher dem Innendurchmesser einzusetzender Rohrstücke entspricht, so entstehen keine Turbulenzen an den Enden der Rohrstücke, was Druckverluste begrenzt und eine Verfälschung von Messergebnissen des Sensors vermeiden hilft.
Wenn beispielsweise Wasserstoff oder andere aggressive Medien in der Muffe und den Rohren fließen soll, eignen sich vor allem nickelstabilisierte Edelstähle, vorzugsweise mit der Werkstoffnummer 1.4435, zur Herstellung der Muffe und/oder der Rohre bzw. Rohrstücke. Auf diese Weise kann speziell eine Resistenz gegen Wasserstoffversprödung erreicht werden. Neben dem Werkstoff 1.4435 kann auch der Werkstoff 1.4404 vorteilhafte Verwendung finden.
Soll ein Sensor in eine Rohrleistung eingesetzt werden, so kann die Muffe in die Rohrleitung integriert werden, indem die Rohrleitung in ihrer axialen Erstreckung in zwei Rohrstücke geteilt wird, wobei beide Rohrstücke durch die Muffe verbunden werden. Die beiden Rohrstücke sind mit ihren in die Muffe eingesteckten Enden in einem bestimmten Abstand, a, angeordnet und bilden so zwischen ihren Enden einen (Ring-)Spalt. In diesem Spalt sollte sich die Öffnung der Muffenbohrung befinden. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den beiden Rohrstücken mindestens so groß wie der Durchmesser der Muffenbohrung, und die beiden Rohrstücke enden in der Muffe auf beiden Seiten der Muffenbohrung, vorzugsweise indem sie jeweils an einem (insbesondere demselben) querschnittsverengenden Anschlag anliegen.
Die Sensorgehäuse-Aufnahme kann mit einem Sensor oder einem Blindstopfen zum Verschließen verbunden werden. Vorzugsweise weist sie ein Innengewinde auf, in das der Sensor (das Sensorgehäuse) eingeschraubt oder einschraubbar ist.
Um die Rohrstücke und die Muffe sicher zu verbinden, kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Rohrstücke stoffschlüssig mit der Muffe verbunden sind, vorzugsweise durch jeweils eine umlaufende Schweißnaht, hergestellt höchst vorzugsweise durch WIG-Schweißen mit Zusatz-Werkstoff 1.4430.
Bei der Herstellung werden in eine Muffe eine Bohrung für die Sensorgehäuse-Aufnahme und eine Muffenbohrung, welche die Sensorgehäuse-Aufnahme mit dem Inneren der Muffe verbindet, eingebracht. Wird zunächst die Muffenbohrung gebohrt und anschließend die Sensorgehäuse-Aufnahme ausgebildet, ist eine koaxiale Herstellung in einfacher Weise gewährleistet.
Auch die Herstellung der Muffe in einem 3D-Druckverfahren kommt in Betracht.
Die Erfindung wird anschließend exemplarisch anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigt:

1 einen Sensoranschluss an einem Rohr gemäß dem Stand der Technik;
2 eine erfindungsgemäße Muffe in Verbindung mit einer zweigeteilten Rohrleitung im Schnitt;
3 eine komplette Rohrleitung mit erfindungsgemäßer Muffe gemäß 2; und
4 eine andere Ansicht der Rohrleitung aus 3.

1 zeigt ein Rohr oder eine Rohrleitung 1 gemäß Stand der Technik mit einem aufgesetzten, separaten Sensorstutzen 2, welcher derart gestaltet ist, dass er formschlüssig an das Rohr 1 angesetzt und (stoffschlüssig) mit dem Rohr 1 verbunden werden kann. In dem Sensorstutzen 2 befindet sich eine Sensorgehäuse-Aufnahme 3 als Sackbohrung mit Innengewinde 4. Koaxial zu der Sensorgehäuse-Aufnahme 3 durchdringt eine Bohrung 5 den Sensorstutzen 2. Ist der Sensorstutzen 2 mit dem Rohr 1 verbunden, so mündet die Bohrung 5 auf der dem Sensorstutzen 2 abgewandten Seite am Rohr 1. Gemäß dem Stand der Technik wird nun bei einer derartigen Verbindung eine Rohrbohrung 6 in das Rohr 1 gebohrt, vorzugsweise durch die Bohrung 5 im Sensorstutzen 2, so dass später ein eingebauter Sensor in Kontakt mit einem Fluid in dem Rohr 1 gelangen kann. Hierbei können jedoch Späne und andere Verschmutzungen in das Rohr 1 gelangen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Muffe 7 in Verbindung mit einem zweigeteilten Rohr 1 im Schnitt. Das Rohr 1 besteht aus zwei Rohrstücken 1.1, 1.2. Beide Rohrstücke 1.1, 1.2 sind durch die Muffe 7 verbunden, wobei die beiden Rohrstücke 1.1, 1.2 mit ihren in die Muffe 7 eingesteckten Enden in einen Abstand a zueinander angeordnet sind. In der Muffe 7 befindet sich senkrecht zur Einführrichtung der Rohrstücke 1.1, 1.2 eine Sensorgehäuse-Aufnahme 3; diese besteht aus einem Sackloch und einem Innengewinde 4 zur Verschraubung mit einem nicht dargestellten Sensor oder Sensorgehäuse. Koaxial zur Sensorgehäuse-Aufnahme 3 verläuft eine Muffenbohrung 5, welche das Innere der Muffe 7, in welches (Muffen-)Innere die Rohrstücke 1.1, 1.2 eingesteckt sind, mit der Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme 3 verbindet. Der Abstand a zwischen den beiden Rohrstücken 1.1, 1.2 ist vorzugsweise mindestens so groß wie der Durchmesser der Muffenbohrung 5, damit ein Sensorkopf in Kontakt mit einem Fluid in dem Rohr 1 gelangen kann. Hierzu ist es auch notwendig, dass die beide Rohrstücke 1.1, 1.2 in der Muffe 7 auf beiden Seiten der Muffenbohrung 5 enden, wie dargestellt.
Optional, jedoch nicht dargestellt, können hierzu in der Muffe 7 auf beiden Seiten der Mündung der Muffenbohrung 5 querschnittsverengende Anschläge vorgesehen sein. Der Anschlag bzw. die Anschläge kann/können dadurch entstehen, dass das Innere der Muffe nur im Außenbereich einen Durchmesser aufweist, welcher die Aufnahme der Rohrstücke 1.1, 1.2 ermöglicht, während der Durchmesser im Bereich der Muffenbohrung 5 geringer ist. Ist der Durchmesser im Bereich der Muffenbohrung 5 etwa so groß wie der Innendurchmesser der Rohrstücke 1.1, 1.2, so entstehen keine Turbulenzen durch etwaige kantige Aufweitung und Verengung. Bei der Muffe 7 kann es sich um eine Steckmuffe, Klebemuffe, Pressmuffe oder Gewindemuffe handeln.
3 und 4 zeigen die erfindungsgemäße Muffe 7 in einem gekrümmten Rohr 1, insbesondere in Form einer Wasserstoffleitung für Brennstoffzellen. Die Darstellung verdeutlicht die Schwierigkeiten, welche sich gemäß dem Stand der Technik ergäben. Würde das Rohr 1 an der Stelle der Sensoraufnahme angebohrt, so könnten nur mit erheblichem Aufwand die Späne und Schmiermittel nachträglich wieder aus dem Rohr 1 entfernt werden. Da die erfindungsgemäße Muffe 7 vor dem Einbau gut gereinigt werden kann, besteht die Gefahr, dass Schmutz in das Rohr 1 gelangt, nicht. Gleiches gilt für die Enden der Rohrstücke 1.1, 1.2, sofern diese - wie im Rahmen der Erfindung vorteilhafter Weise möglich ist - durch Trennen eines zuvor durchgängigen Rohres hergestellt werden.
Für die Herstellung der Muffe 7 im Zusammenhang mit einer Verwendung bei wasserstoffführenden Leitungen, beispielsweise für Brennstoffzellenanlagen, eignen sich insbesondere nickelstabilisierter Edelstähle der Werkstoffnummer 1.4435 oder 1.4404.
Zur Herstellung wird vorzugsweise in eine gegossene und/oder gedrehte Muffe 7 außen senkrecht zur Einführrichtung der Rohrstücke 1.1, 1.2 eine Sackbohrung gebohrt. Zentrisch wird durch die Sackbohrung eine Muffenbohrung 5 kleineren Durchmessers durch die Muffe 7 gebohrt. Die Bohrungen können auch in der umgekehrten Reihenfolge ausgebildet werden. In die Sackbohrung wird ein Innengewinde 4 geschnitten. Anschließend kann die Muffe 7 von Spänen und Schmiermitteln gereinigt werden.
Die beiden Rohrstücke 1.1, 1.2 werden von beiden Seiten so in die Muffe 7 geschoben, dass die Muffenbohrung 5 frei bleibt. Anschließend werden vorzugsweise die beiden Rohrstücke 1.1, 1.2 mit der Muffe 7 an den axial äußeren Rändern der Muffe 7 verlötet oder verschweißt, vgl. Schweißnähte 8 in 2. Hierbei kann ein WIG-Schweißverfahren mit dem Werkstoff 1.4430 als Schweißzusatz Anwendung finden. Ein Sensor(-Gehäuse) mit Außengewinde kann nun in das Innengewinde 4 eingeschraubt werden. Bei entsprechenden Temperatursensoren kann der Sensorkopf durch die Muffenbohrung 5 bis in das Innere der Muffe 7 vorgeschoben werden. Bei Drucksensoren genügt die Verbindung des Muffeninneren durch die Muffenbohrung 5 mit der Sensorgehäuse-Aufnahme 3.
Optional können die Sensorgehäuse-Aufnahme 3 und die Muffenbohrung 5 auch nicht koaxial und/oder nicht parallel verlaufen. Insbesondere mittels 3-D-Druck lassen sich vielfältige Geometrien fertigen. Ein weiterer Vorteil des 3-D-Drucks ist, dass keine Späne entstehen und kein Bohrmittel benötigt wird, so dass entsprechende Reinigungsschritte entfallen können.
Bezugszeichenliste

1: Rohr
1.1: Rohrstück
1.2: Rohrstück
2: Sensorstutzen
3: Sensorgehäuse-Aufnahme
4: Innengewinde
5: Muffenbohrung
6: Rohrbohrung
7: Muffe
8: Schweißnaht
a: Abstand

Claims

Muffe (7), dadurch gekennzeichnet, dass in der Muffe (7) eine Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) und eine Muffenbohrung (5), welche die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) mit dem Inneren der Muffe (7) verbindet, integriert sind.
Muffe (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muffenbohrung (5) senkrecht zu einer axialen Erstreckungslinie der Muffe (7) verläuft.
Muffe (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Muffenbohrung (5) und die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) eine parallele, vorzugsweise koaxiale Erstreckung aufweisen.
Muffe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Muffe (7) auf beiden Seiten einer Mündung der Muffenbohrung (5) im Inneren der Muffe (7) jeweils einen querschnittsverengenden Anschlag für ein Rohrstück (1.1, 1.2) aufweist.
Muffe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Muffe (7) aus einem nickelstabilisierten Edelstahl, vorzugsweise Werkstoffnummer 1.4435 oder 1.4404, gefertigt ist.
Rohrleitung (1) mit einer Muffe (7) gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (1) in ihrer axialen Erstreckung in zwei Rohrstücke (1.1, 1.2) geteilt ist, beide Rohrstücke (1.1, 1.2) durch die Muffe (7) verbunden sind, wobei beide Rohrstücke (1.1, 1.2) in einem Abstand, a, voneinander angeordnet sind.
Rohrleitung (1) mit Muffe (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand, a, zwischen den beiden Rohrstücken (1.1, 1.2) mindestens so groß wie ein Durchmesser der Muffenbohrung (5) ist und die beiden Rohrstücke (1.1, 1.2) in der Muffe (7) auf beiden Seiten der Muffenbohrung (5) enden.
Rohrleitung (1) mit Muffe (7) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Muffe (7) im Bereich der Muffenbohrung (5) einen reduzierten Innendurchmesser aufweist, welcher einem Innendurchmesser der Rohrstücke (1.1, 1.2) im Wesentlichen entspricht.
Rohrleitung (1) mit Muffe (7) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) ein Sensor verbunden ist, wobei vorzugsweise die Sensorgehäuse-Aufnahme (3) ein Innengewinde (4) aufweist, in das der Sensor eingeschraubt oder einschraubbar ist.
Rohrleitung (1) mit Muffe (7) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (1) eine Wasserstoffleitung ist, vorzugsweise für eine Brennstoffzelle.
Rohrleitung (1) mit Muffe (7) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (1.1, 1.2) stoffschlüssig mit der Muffe (7) verbunden sind, vorzugsweise durch jeweils eine umlaufende Schweißnaht (8), höchst vorzugsweise hergestellt durch WIG-Schweißen mit Zusatz-Werkstoff 1.4430.
Verfahren zur Herstellung eines Sensoranschlusses in einer Muffe (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Muffe (7) eine Bohrung für die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) und eine Muffenbohrung (5), welche die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) mit dem Inneren der Muffe (7) verbindet, gebohrt werden, oder dass die Muffe mittels 3-D-Druck hergestellt wird.
Verfahren zum Anbringen eines Sensors an einer Rohrleitung (1), um Eigenschaften eines in der Rohrleitung (1) geführten Fluids mittels des Sensors zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Rohrleitung (1) in zwei Rohrstücke (1.1, 1.2) getrennt oder aus zwei getrennten Rohrstücken (1.1, 1.2) gebildet wird; b) die Rohrstücke (1.1, 1.2) in eine Muffe (7) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 eingesteckt werden, sodass zwischen den Rohrstücken (1.1, 1.2) ein Abstand (a) verbleibt; c) ein Sensor in die Sensor- oder Sensorgehäuse-Aufnahme (3) der Muffe (7) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (1.1, 1.2) und die Muffe (7) stoffschlüssig miteinander verbunden werden, vorzugsweise jeweils durch eine umlaufende Schweißnaht (8).