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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte werden zur Bestimmung der Durchflussgeschwindigkeit und des Volumendurchflusses eines fließenden Mediums in einer Rohrleitung eingesetzt. Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät weist ein Magnetsystem auf, das ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des fließenden Mediums erzeugt. Dafür werden üblicherweise einzelne Spulen verwendet. Um ein überwiegend homogenes Magnetfeld zu realisieren, werden zusätzlich Polschuhe so geformt und angebracht, dass die Magnetfeldlinien über den gesamten Rohrquerschnitt im Wesentlichen senkrecht zur Querachse bzw. parallel zur Vertikalachse des Messrohres verlaufen. Ein an die Mantelfläche des Messrohres angebrachtes Messelektrodenpaar greift eine senkrecht zur Flussrichtung und zum Magnetfeld anliegende elektrische Messspannung bzw. Potentialdifferenz ab, die entsteht, wenn ein leitfähiges Medium bei angelegtem Magnetfeld in Flussrichtung fließt. Da die abgegriffene Messspannung laut Faraday'schem Induktionsgesetz von der Geschwindigkeit des fließenden Mediums abhängt, kann aus der induzierten Messspannung U die Durchflussgeschwindigkeit u und, mit Hinzunahme eines bekannten Rohrquerschnitts, der Volumendurchfluss V ermittelt werden.
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Im Gegensatz zu einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät werden magnetisch-induktive Durchflussmesssonden mit ihrem üblicherweise kreiszylindrischen Gehäuse in eine seitliche Öffnung einer Rohrleitung eingeführt und fluiddicht fixiert. Ein spezielles Messrohr ist nicht mehr notwendig. Die erwähnte Spulenanordnung auf der Mantelfläche des Messrohrs entfällt, da das Magnetfeld lediglich im Bereich des in das Fluid ragenden Frontendes der Durchflussmesssonde existiert bzw. von einem deren Spulenanordnung durchfließenden Strom in diesem Bereich erzeugt wird. Dafür wird üblicherweise das Magnetsystem im Inneren des Gehäuses und in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnet, so dass eine Symmetrieachse der erzeugten Magnetfeldlinien die Fläche zwischen den Messelektroden senkrecht schneidet. Die Messelektroden sind entweder an der Frontfläche oder an den Seitenflächen des Gehäuses angeordnet.
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Bisher gibt es nur wenige Durchflussmessgeräte, die sich das Faraday'sche Gesetz der magnetischen Induktion zu Nutze machen und gleichzeitig für sogenannte Single-Use Anwendungen geeignet sind, bei denen auswechselbare Messrohre vorausgesetzt werden.
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Die
DE 10 2016 118 064 A1 lehrt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, welches eine U-förmige Messrohraufnahme für austauschbare Messrohre aufweist. Dabei befindet sich das Magnetsystem im Messgerätegehäuse und die Gegenkontakte für die im Messrohr angebrachten Messelektroden in der Messrohraufnahme.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine alternative Lösung für Single-Use Anwendung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Messaufnehmer nach Anspruch 1, das Messrohr nach Anspruch 7 und die magnetisch-induktive Durchflussmessstelle nach Anspruch 13.
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Der erfindungsgemäße Messaufnehmer zum Erfassen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen, in einem fließenden Medium induzierten Messspannung, umfassend:
- - ein Gehäuse;
- - einen Frontkörper, welcher das Gehäuse stirnseitig abschließt;
- - ein zumindest teilweise im Gehäuse angeordnetes Feldsystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes,
wobei das Feldsystem einen Spulenkern und eine Spule aufweist, wobei die Spule um den Spulenkern angeordnet ist; und
- - eine Messschaltung zum Erfassen einer strömungsgeschwindigkeitsabhängigen und an Messelektroden induzierten Messspannung, wobei die Messschaltung im Gehäuse angeordnet ist;
und ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Frontkörper mindestens zwei Anschlusskontakte umfasst und
dass die Anschlusskontakte dazu eingerichtet sind Messelektroden elektrisch trennbar mit der Messschaltung zu verbinden.
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Herkömmliche magnetisch-induktive Durchflussmesssonden weisen Messelektroden auf, die an der Frontfläche des Frontkörpers oder an der Mantelfläche des Gehäuses angebracht sind und einen galvanischen Kontakt mit dem fließenden Medium bilden. Die Messelektroden und das Gehäuse sind üblicherweise mediumsberührend.
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Für Single-Use Anwendungen soll der Messaufnehmer montagefreundlich an ein austauschbares Messrohr bzw. Einweg-Messrohr anbringbar sein. Dabei soll der Messaufnehmer jedoch nicht in Kontakt mit dem fließenden Medium gelangen. Daher weist der Messaufnehmer erfindungsgemäß auch keine Messelektroden auf, die mediumsberührend sind. Die im Gehäuse angeordnete Messschaltung des Messaufnehmers ist jedoch dazu eingerichtet, eine an Messelektroden anliegende Messspannung abzugreifen, wobei die Messelektroden im Kontakt mit dem fließfähigen Medium sind. Dies wird durch eine trennbare Verbindung zwischen der Messschaltung und den Messelektroden realisiert. Dafür sind Anschlusskontakte im Frontkörper angebracht und dazu eingerichtet, die Messelektroden im Messrohr trennbar zu kontaktieren bzw. eine elektrische Verbindung zwischen den Messelektroden und der Messschaltung zu formen. Der Messaufnehmer wird an ein Messrohr mit Messelektroden angebracht. Der Messaufnehmer wird vorzugsweise mittels einer geradlinige Bewegung auf das Messrohr aufgesteckt. Dabei kommen die Anschlusskontakte in Kontakt mit den jeweiligen Endabschnitten der Messelektroden.
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Der Frontkörper kann als Scheibe, Platte oder als Teil des Gehäuses ausgebildet sein. Dementsprechend können das Gehäuse und der Frontkörper einteilig oder zweiteilig ausgebildet sein.
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Messschaltungen im Bereich der Durchflussmesstechnik sind hinlänglich bekannt. Die Aufgabe der Messschaltung ist es sehr kleine Absolutwerte und Änderungen der jeweiligen Messgröße zu detektieren. Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Ausgestaltungen, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. Eine Messschaltung umfasst daher einen Analog/Digital-Wandler, der die eingehende Signale, in dem Fall die aktuell an einem Messelektrodenpaar anliegende Messspannung in digitale Daten umwandelt, die dann durch eine Auswerteschaltung weiterverarbeitet oder gespeichert werden. Es sind aber auch andere Messumsetzer oder Messumformer der Digitalen Messtechnik bekannt und geeignet zum Detektieren einer Messspannung oder eines elektrischen Potentials.
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Bei herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten, die für Single-Use Anwendungen geeignet sind, wird das Messrohr in eine im Gehäuse angeordnete Aufnahme eingeführt. Erfindungsgemäß wird der Messaufnehmer an die Außenwandung eines Messrohres so angeordnet, dass die Anschlusskontakte die im Messrohr angeordneten Messelektroden kontaktieren und das durch das Feldsystem erzeugte Magnetfeld zwischen den Messelektroden in den Kanal des Messrohres eindringt, wobei eine Symmetrieachse des Magnetfeldes parallel zur Längsachse der Messelektroden verläuft. Demnach weist das Gehäuse des Messaufnehmers keine Aufnahme für das Messrohr in dem Sinne auf. Stattdessen ist das Messrohr so ausgestaltet, dass der Messaufnehmer formschlüssig anbringbar ist bzw. ist der Messaufnehmer derart ausgestaltet, dass das Messrohr formschlüssig anbringbar ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anschlusskontakte stiftförmig ausgebildet sind,
wobei die Anschlusskontakte aus einer Frontfläche des Frontkörpers hervorstehen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Anschlusskontakte stift- bzw. pinförmig ausgebildet sind und aus der Frontfläche des Frontkörpers hervorstehen, da sich dadurch eine formschlüssige Verbindung mit den Messelektroden des Messrohres realisieren lässt, welche dementsprechend jeweils im Endabschnitt eine Ausformung aufweisen, die ein Gegenstück zum Anschlusskontakt bilden. Gemäß dieser Ausgestaltung ist der Anschlusskontakt als Stecker und der Endabschnitt der Messelektroden als Buchse ausgebildet. Zusätzlich wird die Stabilität des Anschlusses durch formschlüssige Verbindungen zwischen Anschlusskontakte und Messelektroden gesteigert.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anschlusskontakte jeweils ein Vertiefung oder Ausformung aufweisen zum Aufnehmen eines stiftförmigen Gegenkontaktes.
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Als alternative Ausgestaltung kann der Anschlusskontakt eine Vertiefung bzw. Ausformung aufweisen, die das Gegenstück zum Endabschnitt der Messelektrode bildet. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Messelektrode als Stecker und der Endabschnitt der Anschlusskontaktes als Buchse ausgebildet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Anschlusskontakte federnd ausgebildet sind, so dass die Anschlusskontakte eine Federkraft auf Gegenkontakte der Messelektroden ausüben.
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Federnd ausgebildete Anschlusskontakte lassen sich bei Krafteinwirkung teilweise mechanisch verformen. Beispielsweise kann ein Anschlusskontakt eine Feder und einen Kontaktstift aufweisen, der bei mechanischen Druck gegen die Feder drückt und diese zusammenstaucht.
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Beim Anbringen des Messaufnehmers an das Messrohr bzw. beim Anbringen des Messrohres an den Messaufnehmer, wirkt beim Kontaktieren der Messelektroden eine Gegenkraft auf den Anschlusskontakt, der in die entgegengesetzte Richtung der Bewegungsrichtung des jeweils anzubringenden Teils zeigt. Durch federnde Anschlusskontakte kann die wirkende Kraft auf die Messelektroden und die Anschlusskontakte reduziert werden, da die Federn bei Krafteinwirkung gestaucht werden und die Anschlusskontakte sich teilweise entgegen die Bewegungsrichtung bewegen.
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Somit lassen sich weiche Kontakte herstellen und Schäden an den Anschlusskontakten vermeiden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Messaufnehmer einen dritten Anschlusskontakt aufweist,
wobei der dritte Anschlusskontakt dazu eingerichtet ist, eine Erdungselektrode mit einem Referenzpotential, insbesondere einem Erdungspotential elektrisch trennbar zu verbinden.
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Bei Anwendungen in denen Messrohre mit elektrisch isolierenden Messkörpern eingesetzt werden, ist eine Erdung des zu transpotierenden Mediums essentiell. Üblicherweise werden Messelektroden am Messrohr angebracht oder ein Erdungsring zwischen Messrohr und Rohrleitung eingesetzt. Es ist vorteilhaft, wenn der Frontkörper des Messaufnehmers einen dritten Anschlusskontakt aufweist, mit dem sich ein trennbarer Kontakt mit der Erdungselektrode realisieren lässt. Dadurch kann auf eine zusätzliche, separate Kontaktierung der Erdungselektrode verzichtet werden. Beim Anbringen des Messaufnehmers an das Messrohr wird demnach auch gleichzeitig der elektrische Kontakt zwischen Erdungspotential und Erdungselektrode gebildet.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der erste und der zweite Anschlusskontakt auf einer Verbindungslinie liegen,
wobei der dritte Anschlusskontakt auf einer Geraden liegt, die senkrecht zur Verbindungslinie steht.
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Üblicherweise sind die Erdungselektrode und die Messelektroden in einer Querschnittsebene angeordnet. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn der dritte Anschlusskontakt versetzt zur Verbindungslinie des ersten und zweiten Anschlusskontaktes an der Frontfläche des Frontkörpers angeordnet ist. Dadurch lässt sich der Spulenkern so zwischen den Anschlusskontakten anbringen, dass sich die Stirnseite des Spulenkerns besonders nah an der Frontfläche und den Bereich zwischen dem ersten und zweiten Anschlusskontakt befindet, wodurch sich die resultierende magnetische Flussdichte im Kanal des Messrohres steigern lässt.
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Das erfindungsgemäße Messrohr umfasst:
- - einen Messrohrkörper;
- - einen Kanal zum Führen eines fließfähigen Mediums;
- - mindestens zwei Messelektroden zum Bilden eines galvanischen Kontaktes mit dem Medium und zum Abgreifen einer im Medium induzierten Messspannung;
und ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Messelektroden einseitig der Längsebene angeordnet sind, die das Messrohr in zwei Teile einteilt.
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Dabei ist das Messrohr dermaßen ausgebildet, dass der erfindungsgemäße Messaufnehmer an das Messrohr anbringbar ist. Beim Anbringen werden die Messelektroden des Messrohr durch die Anschlusskontakte des Messaufnehmers kontaktiert, so dass die Messschaltung, welche im Gehäuse des Messaufnehmer angeordnet ist im elektrischen Kontakt mit den Messelektroden steht. Eine an den Messelektroden anliegende Messspannung kann somit mittels der Messschaltung detektiert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messelektroden jeweils eine Frontfläche aufweisen, die im galvanischen Kontakt mit dem Medium steht.
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Es werden bereits Messrohre für Single-Use Anwendungen vertrieben, die Messelektroden aufweisen, dessen Seitenflächen mediumsberührend sind und nicht die Frontflächen. Passend zur Messelektrodenanordnung sind zwei gegenüberliegende Polschuhe im Gehäuse des Messaufnehmers notwendig, die jeweils zwischen den Messelektrode angeordnet sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messelektroden jeweils eine Messelektrodenlängsachse aufweisen, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Frontflächen der Messelektroden mediumsberührend sind und die Messelektrodenlängsachsen der Messelektroden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Entsprechend der Messelektrodenanordnung reicht ein Feldsystem aus, das ohne Polschuhe oder nur mit einem Polschuh auskommt. Ein derartiges Feldsystem ist bereits von magnetisch-induktiven Durchflussmesssonden bekannt. Die üblichen Feldsystem umfassen eine Spule und einen Spulenkern. Diese sind so im Gehäuse des Messaufnehmers angeordnet, dass das erzeugte Magnetfeld zwischen den beiden Messelektroden durch die Gehäusewandung in das Medium verläuft.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messelektroden jeweils einen Endabschnitt aufweisen, der als Gegenkontakt zu einem Anschlusskontakt ausgebildet ist, insbesondere komplementär zum Anschlusskontakt gebildet ist.
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Dadurch lässt sich eine formschlüssige Verbindung zwischen Anschlusskontakt und Messelektrode realisieren. Demnach kann beispielsweise der Endabschnitt der Messelektrode als Buchse bzw. als Stecker und der Anschlusskontakt dementsprechend als Stecker bzw. als Buchse ausgebildet sein. Der Endabschnitt kann aber auch wannenförmig ausgebildet sein.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Messrohrkörper aus einem isolierenden Werkstoff, insbesondere einem Kunststoff und bevorzugt Polyetheretherketone, Polyaryletherketone, Polyphenylsulfone, Polyethersulfone, Polysulfone, Polyarylamide, Glas und/oder Keramik gefertigt ist.
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Es existiert eine Nachfrage an Durchflussmessgeräten mit Einweg-Messrohren für biopharmazeutische Anwendungen. Dafür müssen die Materialien, die in Kontakt mit dem Medium kommen biokompatibel und gammasterilisierbar sein. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn das Messrohr aus einem der oben genannten Materialien hergestellt ist, da diese die biopharmazeutischen Anforderungen erfüllen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Messrohr eine Erdungselektrode aufweist,
wobei die Erdungselektrode eine Längsachse aufweist, die im Wesentlichen parallel zu mindestens einer Längsachse einer Messelektrode verläuft.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Längsachse der Erdungselektrode parallel zur Längsachse der Messelektroden verläuft. Demnach lassen sich alle Elektroden durch ein geradliniges Anbringen des Messaufnehmers an das Messrohr einfach mit den Anschlusskontakten kontaktieren.
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Die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessstelle umfasst:
- - einen Messaufnehmer, insbesondere der erfindungsgemäße Messaufnehmer,
wobei der Messaufnehmer ein Gehäuse, eine Messschaltung, mindestens zwei Anschlusskontakte, eine Spule, einen Spulenkern und eine Frontfläche aufweist;
- - ein auswechselbares Messrohr, insbesondere das erfindungsgemäße Messrohr,
wobei das Messrohr einen Kanal, einen Messrohrkörper, und mindestens zwei Messelektroden aufweist;
und ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Messaufnehmer derart ausgebildet, um mit dem Messrohr trennbar verbunden zu werden, und
dass der Messaufnehmer an dem Messrohr angebracht ist,
wobei die Messelektroden jeweils einen Endabschnitt aufweisen,
wobei die Anschlusskontakte jeweils einen Kontaktabschnitt aufweisen,
wobei der Endabschnitt komplementär zum Kontaktabschnitt ausgebildet ist,
wobei der Messaufnehmer durch eine Trennwand vom Kanal getrennt ist.
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Magnetisch-induktive Durchflussmesssonden werden durch eine Öffnung in einer Rohrleitung geführt und fluiddicht befestigt. Das Feldsystem ist in dem Gehäuse angeordnet und wird durch den Frontkörper und die Gehäusewandung vor dem Medium geschützt. Das erzeugte Magnetfeld erstreckt sich durch Wandung des Gehäuses und des Frontkörpers hindurch und in das Medium hinein. Das Gehäuse der Durchflussmesssonde und die Messelektroden sind jedoch mediumsberührend. Somit müssten die mediumsberührenden Bereiche und Bauteile nach jeder Anwendung ersetzt oder aufwendig gereinigt werden. Aus dem Grund sind Durchflussmesssonden in der bekannten Form nicht für Single-Use Anwendungen geeignet.
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Für Single-Use Anwendungen ist es besonders vorteilhaft, wenn das Gehäuse des Messaufnehmers und die Messelektroden nicht in Kontakt mit dem Medium kommen. Dies wird durch eine Trennwand realisiert, die das Feldsystem vom fließenden Medium trennt. Anschlusskontakte, welche nicht mediumsberührend sind, sind dazu eingerichtet, trennbar mit den mediumsberührenden Messelektroden verbunden zu werden und somit eine trennbare Verbindung mit der Messschaltung zu bilden.
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Die Magnetfeldlinien treten zwischen den Messelektroden in den Kanal des Messrohres ein und treten anders als bei herkömmlichen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten nicht wieder auf der gegenüberliegenden Seite des Messrohres aus den Kanal aus, sondern werden über eine im Gehäuse angeordnete Rückführung zurückgeführt. Somit weisen die Magnetfeldlinien in einem Querschnitt des Messrohres nur eine Symmetrieachse auf, welche den Spulenkern schneidet und parallel zu den Längsachsen der Messelektroden verläuft. Anders als bei herkömmlichen Durchflussmessgeräten, dessen Magnetfeldlinien eine weitere Symmetrieachse aufweisen, die senkrecht zur vorhergehenden Symmetrieachse verläuft.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messelektroden durch die Anschlusskontakte mit der Messschaltung elektrisch verbunden sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Endabschnitt eine Vertiefung aufweist,
wobei der Kontaktabschnitt stiftförmiger ausgebildet ist,
wobei der Kontaktabschnitt formschlüssig mit dem Endabschnitt verbunden ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Anschlusskontakte jeweils mindestens einen Anschlusskopf und ein Federelement, insbesondere eine Schraubendruckfeder aufweisen, wobei das Federelement dazu eingerichtet ist sich bei auf eine Frontfläche des Anschlusskopfes wirkende Kräfte so zu verformen, dass sich der Anschlusskopf in Längsrichtung des Messaufnehmers bewegt.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Kanal einen einlaufseitigen Bereich, einen auslaufseitigen Bereich und einen zwischen einlaufseitigen und auslaufseitigen Bereich liegenden Messbereich aufweist, wobei die Aufnahmevorrichtung im Messbereich angeordnet ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Kanal im einlaufseitigen Bereich einen ersten Querschnitt mit einer ersten Querschnittsfläche aufweist, wobei der Kanal im Messbereich einen zweiten Querschnitt mit einer zweiten Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche kleiner ist als die erste Querschnittsfläche.
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Es ist vorteilhaft, wenn in der Einsteckvorrichtung ein O-Ring eingesetzt ist, der dazu ausgebildet, sich ist im Falle eines kraftschlüssigen Verbindens des Messaufnehmers an das Messrohr zu verformen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Anschlusskontakte jeweils eine Längsachse aufweisen, wobei die Längsachsen parallel zueinander verlaufen.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Messrohr eine Aufnahmevorrichtung aufweist, die mit dem Messrohrkörper einstückig ausgebildet ist. Der Messaufnehmer wird in die Aufnahmevorrichtung eingeführt, wodurch die Messelektroden kontaktiert werden und das Feldsystem in Position gebracht wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde nach dem Stand der Technik;
- 2: eine magnetisch-induktive Durchflussmesssonde in einer Rohrleitung nach dem Stand der Technik;
- 3: eine perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 4: ein Längsschnitt der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 5: eine Frontansicht der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers;
- 6: ein Längsschnitt einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres;
- 7: eine Draufsicht der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres;
- 8: ein Querschnitt der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres;
- 9: eine perspektivische Darstellung der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres;
- 10: ein Längsschnitt einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessstelle; und
- 11: eine Nahaufnahme der magnetisch-induktiven Durchflussmessstelle, insbesondere des Kontaktbereiches zwischen einer Messelektrode und einem Anschlusskontakt.
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Anhand der perspektivischen und teilweise geschnittenen Darstellung der 1 wird zunächst das der Erfindung zugrunde liegende Messprinzip erläutert. Eine Durchflussmesssonde 1.01 umfasst ein im allgemeinen kreiszylindrisches, einen vorgegebenen Außendurchmesser aufweisendes Gehäuse 1.03. Dieses ist an den Durchmesser einer Öffnung angepasst, die sich in einer Wand einer in 1 nicht, dagegen in 2 dargestellten Rohrleitung 1.13 befindet und in welche die Durchflussmesssonde 1.01 fluiddicht eingesteckt ist. In der Rohrleitung 1.13 strömt ein zu messendes Medium, in das die Durchflussmesssonde 1.01 praktisch senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eintaucht, die durch die gewellten Pfeile 1.12 angedeutet ist. Ein in das Medium ragendes Frontende 1.02 des Gehäuses 1.03 ist mit einem Frontkörper 1.06 aus Isoliermaterial fluiddicht verschlossen. Mittels einer im Gehäuse 1.03 angeordneten Spulenanordnung 1.09 lässt sich ein durch das Frontfläche hindurch, in das Medium hineinreichendes Magnetfeld 1.08 erzeugen. Ein mindestens teilweise aus einem weichmagnetischen Material bestehender, im Gehäuse 1.02 angeordneter Spulenkern 1.07 endet an oder in der Nähe des Frontendes. Eine Rückführung 1.10, die die Spulenanordnung 1.09 und den Spulenkern 1.07 umschließt, ist dazu eingerichtet das aus dem Frontende hindurchreichenden Magnetfeld 1.08 in das Gehäuse 1.03 zurückzuführen. Der Spulenkern 1.07, die Spulenanordnung 1.09 und eine Rückführung 1.10 bilden eine magnetfelderzeugende Vorrichtung. Eine erste und eine zweite galvanische Messelektrode 1.04, 1.05 sind in dem Frontkörper 1.06 angeordnet und berühren das Medium. An den Messelektroden 1.04, 1.05 lässt sich eine, aufgrund des Faraday'schen Induktionsgesetzes induzierte elektrische Messspannung mittels einer Mess- und/oder Auswerteeinheit 1.11 abgreifen. Die Messspannung ist maximal, wenn die Durchflussmesssonde so in die Rohrleitung 1.13 eingebaut ist, dass eine durch eine die beiden Messelektroden 1.04, 1.05 schneidende Gerade und eine Längsachse der Durchflussmesssonde aufgespannte Ebene senkrecht zu der Strömungsrichtung 1.12 bzw. Längsachse der Rohrleitung 1.21 verläuft.
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Die 2 stellt ein in eine Rohrleitung eingebaute Durchflussmesssonde 1.01 im Längsschnitt dar. Die Durchflussmesssonde 1.01 ist mittels einer Aufnahmevorrichtung, die eine Einschraubverbindung 1.14 umfasst, in die Wand der Rohrleitung 1.13 eingesetzt und mit ihr z.B. verschweißt ist, in der Rohrleitung 1.13 fluiddicht befestigt. Dieser Aufbau der Messstelle ist besonders zweckmäßig, da zunächst die Einschraubverbindung 1.14 in die Rohrleitung 1.13 eingesetzt und darin eingeschweißt werden kann und erst danach die Durchflussmesssonde 1.01 in die Einschraubverbindung 1.14 eingesteckt, ihrerseits darin eingeschraubt und mittels einer Dichtung 1.15 abgedichtet zu werden braucht. Die erste, und zweite Messelektrode 1.04, 1.05 sind auf dem Frontende 1.02 symmetrisch zu einem Zentrum 1.06 des Frontendes 1.02 angeordnet. Alle Messelektroden 1.04, 1.05 liegen auf einer gedachten Gerade. Die Einbautiefe D gibt an, wie tief die Durchflussmesssonde in das Medium bzw. in das Rohr hineinragt.
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Die 3 zeigt drei Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 1. Der Messaufnehmer 1 ist gemäß dieser Ausgestaltung durch eine angepasste magnetisch-induktive Durchflussmesssonde gebildet. Der Messaufnehmer 1 ist dazu eingerichtet, an ein austauschbares Messrohr, insbesondere in eine Aufnahmevorrichtung eines Messrohres (in 3 nicht, jedoch in 6 abgebildet) angebracht zu werden und einen Durchflussmesswert des durch das Messrohr fließenden Mediums zu bestimmen. Es umfasst ein Gehäuse 3, das sich bis zum Frontkörper 4 erstreckt und in der 3 nur teilweise dargestellt ist. Das abgebildete Gehäuse 3 und der Frontkörper 4 sind zweiteilig ausgebildet, sie könne jedoch auch einteilig ausgeformt sein. Im Gehäuse 3 ist ein Feldsystem angeordnet, umfassend mindestens einen Spulenkern 5 und mindestens eine Spule. Gemäß der ersten Ausgestaltung (links) und der zweiten Ausgestaltung (mittig) ist das Feldsystem ausschließlich im Gehäuse 3 angeordnet. Dabei ist das Feldsystem zumindest durch den Frontkörper 4 vom Medium beabstandet. Gemäß der dritten Ausgestaltung (rechts) erstreckt sich der Spulenkern 5 durch eine Öffnung 7 im Frontkörper 4 und steht aus der Frontfläche 8 des Frontkörpers 4 hervor. Die Längsachse des Spulenkerns 5 schneidet die Frontfläche 8 im Wesentlichen senkrecht. Der Frontkörper 4 ist in einem Verbindungskörper 9 befestigt, welcher gleichzeitig als Rückführungskörper 10 dient. Dafür ist er zumindest anteilig aus einem weichmagnetischen Material gebildet. Der Rückführungskörper 10 führt die Magnetfeldlinien, die aus dem Frontbereich des Spulenkerns 5 austreten zurück zum Endbereich des Spulenkerns 5. Der Frontbereich des Spulenkerns 5 ist der Teil, der aus dem Frontkörper 4 hervorsteht und der Endbereich des Spulenkerns 5 ist der Bereich, welcher sich im Gehäuse 3 befindet. Dabei kann der Spulenkern 5 und der Rückführungskörper 10 einstückig oder zweistückig geformt sein. Der Frontkörper 4 ist eine Scheibe mit einer zentralen Öffnung 7. Der Spulenkern 5 ist kreiszylindrisch und das Gehäuse 3 rohrförmig ausgebildet. Das Gehäuse 3 weist eine Verschlussvorrichtung 11 auf, die gemäß dieser Ausgestaltung als Bajonett-Verschluss ausgebildet ist. Gemäß der drei Ausgestaltungen weist der Messaufnehmer 1 Anschlusskontakte 26 auf, die mit einer nicht abgebildeten Messschaltung elektrisch verbunden sind und dazu eingerichtet sind, einen trennbaren Kontakt mit Messelektroden oder anderen Elektroden, die ein Messrohr aufweist herzustellen. Gemäß der ersten und dritten Ausgestaltung sind die Anschlusskontakte 26 federnd ausgebildet und an die Anordnung der Messelektroden bzw. der Anschlusskontakte im Messrohr angepasst. Gemäß der zweiten Ausgestaltung sind die Anschlusskontakte 26 als Buchsen für Pins, die an einer Leiterplatte angeordnet sind bzw. als Teil eines Steckverbinders ausgebildet.
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Die 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Ausgestaltung des Messaufnehmers 1. Im Inneren des Gehäuses 3 ist eine Spule 6 angeordnet, die auf den Spulenkern 5 aufgeschoben ist und diesen umgreift. Der Spulenkern 5 und der Rückführungskörper 10 sind einstückig ausgebildet. Der Spulenkern 5 weist drei charakteristische Bereiche auf. In einem ersten Bereich ist der Spulenkern 5 kreiszylindrisch geformt und weist einen ersten Querschnitt auf. In einem weiteren zweiten Bereich ist der Spulenkern 5 wiederum kreiszylindrisch geformt. In dem zweiten Bereich weist er jedoch einen zweiten Querschnitt auf. Es gilt, dass der zweite Querschnitt größer ist als der erste Querschnitt. Ein dritter Bereich des Spulenkerns 5 ist hohlzylindrisch ausgebildet. Dieser dritte Bereich wird durch den Rückführungskörper 10 gebildet. Alle drei Bereich sind konzentrisch zur Längsachse des Messaufnehmers angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung bilden die drei Bereich einen einstückigen Körper. Im Inneren des Gehäuses befindet sich eine Messschaltung 24, die dazu eingerichtet ist die zwischen zwei Messelektroden induzierte Messspannung zu messen. Der Frontkörper 8 und der Verbindungskörper 9 sind miteinander verpresst.
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Die 5 zeigt eine Frontansicht auf die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers 1. Der Spulenkern 5, der Frontkörper 4, der Rückführungskörper 10 bzw. der Verbindungskörper 9 und der hohlzylindrische Teil des Gehäuses 3 sind konzentrisch zur Längsachse des Messaufnehmers angeordnet. Das Gehäuse 3 umschließt den Verbindungskörper 9. Zwei Anschlusskontakte liegen auf einer gedachten Gerade.
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Die 6 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres 2. In 6, 7, 8, 10 und 11 sind die Messelektroden 14 zur übersichtlicheren Darstellung um 90° versetzt abgebildet. Um jedoch eine zur Strömungsgeschwindigkeit proportionale Messspannung im in Längsrichtung des Kanals 13 fließenden Medium abzugreifen, muss eine die beiden Messelektroden schneidende Gerade senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums verlaufen. Das Messrohr 2 weist einen Messrohrkörper 12 auf, welcher einen Kanal 13 bildet, durch den das Medium geleitet wird. Des Weiteren bildet der Messrohrkörper 12 eine Aufnahmevorrichtung 15. Diese weist ein Sackloch 16 auf, in welches der Spulenkern des Messaufnehmers (nicht dargestellt) eingeführt wird. Die Form des Sackloches 16 ist komplementär zur Form des Spulenkernes 5 gebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung weist das Sackloch 16 zumindest teilweise einen kreiszylindrischen Querschnitt auf. Zwischen Sackloch 16 und dem Messrohrinneren befindet sich eine Trennwand 18, die den eingesetzten Spulenkern 5 von dem Medium trennt. Des Weiteren weist die Aufnahmevorrichtung 15 eine Vertiefung 17 auf, die dazu ausgebildet ist eine Teil des Gehäuses des Messaufnehmers aufzunehmen und somit für eine stabile Anbringung des Messaufnehmers an das Messrohr zu sorgen. Die Vertiefung 17 ist komplementär zur Form des aufzunehmenden Teil des Gehäuses geformt. Gemäß dieser Ausgestaltung weist die Vertiefung 17 die Form eines Kreisringes auf. Der Messrohrkörper 12 ist aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise PEEK gebildet. Am bzw. im Messrohrkörper 12 sind zwei Messelektroden 14 angebracht.
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Der Kanal 13 weist unterschiedliche Querschnittsflächen entlang der Strömungsrichtung auf. Im einlaufseitigen und auslaufseitigen Bereich 19, 20 weist der Kanal eine erste Querschnittsfläche auf. Im mittleren Bereich des Kanals, der auch als Messbereich 21 bezeichnet wird, da sich in dem Bereich das Feldsystem und die Messelektroden 14 befinden, weist der Kanal eine zweite Querschnittsfläche auf, die kleiner ist als die erste Querschnittsfläche. Diese Form bezweckt, dass die mediumsberührenden Kontaktflächen der Messelektroden möglichst weit von der Messrohrwandung beabstandet sind.
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Die 7 zeigt eine Draufsicht auf die Ausgestaltung des Messrohres 2. Das Sackloch 16 weist einen kreisförmigen und die Vertiefung 17 einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Die Messelektroden 14 weisen einen zumindest teilweise runden Querschnitt auf.
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Die 8 zeigt eine Querschnitt im Messbereich durch das Messrohr 2 und die Aufnahmevorrichtung 15. Dabei nimmt der Kanal die Form eines Kreissegmentes an. Der Kanal 13 weist eine Längsebene auf, die durch eine Längsachse 23 der Aufnahmevorrichtung 15 senkrecht geschnitten wird. Diese Längsebene teilt den Kanal 13 in einen ersten und einen zweiten Abschnitt ein, wobei der erste Abschnitt entlang des einlaufseitigen Bereiches 19, des auslaufseitigen Bereiches 20 und des Messbereiches 21 als Halbzylinder ausgebildet ist.
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Die 9 zeigt eine perspektivische Darstellung der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres.
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Die 10 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung des Messaufnehmers 1, welcher an einer weiteren Ausgestaltung des Messrohres 2 angebracht ist und somit die erfindungsgemäße magnetisch-induktive Durchflussmessstelle bildet. Das Messrohr 1 ist in der Aufnahmevorrichtung 15 des Messrohres 1 eingesetzt und mittels des Bajonettverschlusses fixiert. Der Spulenkern 5 ist durch die Trennwand 18 von dem fließenden Medium im Kanal 13 beabstandet. Die Messelektroden 14 ragen in den Kanal 13 und sind dazu ausgebildet einen galvanischen Kontakt mit dem fließfähigen Medium zu bilden. Anschlusskontakte 26 sind trennbar mit den Messelektroden 14 verbunden und bilden eine elektrische Verbindung zwischen den Messelektroden 14 und der Messschaltung 24. Ein verformbares Abdichtungsmittel 26 in Form eines O-Ringes ist zwischen Bajonettverschluss und Trennwand 18 angeordnet und dient dazu eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Messaufnehmer 1 und dem Messrohr 2 zu realisieren. Beim Verdrehen des Bajonettverschlusses verformt sich der O-Ring und ein Teil des Bajonettverschlusses verhakt sich mit der Anschlussvorrichtung 15.
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Die 11 zeigt eine Nahaufnahme der Ausgestaltung der magnetisch-induktiven Durchflussmessstelle. Der im Frontkörper 4 des Messaufnehmers 1 angeordnete Anschlusskontakt 26 ist mit einer im Messrohr 2 angebrachten Messelektrode 14 im Kontakt. Die Anschlusskontakt 26 ist federnd ausgebildet, so dass beim Einführen des Kontaktabschnittes 30 des Anschlusskontaktes 26 in den Endabschnitt 29 der Messelektroden 14 der Kontaktabschnitt 20 verdrängt und somit ein weicher Kontakt realisiert wird. Der Kontaktabschnitt 30 ist pin- oder stiftförmig ausgebildet und der Endabschnitt 29 der Messelektrode 14 weist eine Vertiefung auf, die wannenförmig ausgebildet. Beide Abschnitte sind zumindest teilweise komplementär zueinander ausgeformt. Beim Kontaktieren wird ein Stift, welcher zum Anschlusskontakt 26 gehört verdrängt und eine Feder, die in dem Anschlusskontakt angeordnet ist wird komprimiert. Die Messelektrode 14 weisen Rillen auf die zum Abdichten gegen das Medium im Kanal dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.01
- Durchflussmesssonde
- 1.02
- Frontende
- 1.03
- Gehäuse
- 1.04
- erste Messelektrode
- 1.05
- zweite Messelektrode
- 1.06
- Frontkörper
- 1.07
- Spulenkern
- 1.08
- Magnetfeldlinien
- 1.09
- Spulenanordnung
- 1.10
- Rückführung
- 1.11
- Mess-, Betriebs- und/oder Auswerteeinheit
- 1.12
- Strömungsrichtung
- 1.13
- Rohrleitung
- 1.14
- Einschraubverbindung
- 1.15
- Dichtung
- 1.16
- Messelektrode
- 1.17
- Bezugsgerade
- 1
- Messaufnehmer
- 2
- Messrohr
- 3
- Gehäuse
- 4
- Frontkörper
- 5
- Spulenkern
- 6
- Spule
- 7
- Öffnung
- 8
- Frontfläche
- 9
- Verbindungskörper
- 10
- Rückführungskörper
- 11
- Verschlussvorrichtung
- 12
- Messrohrkörper
- 13
- Kanal
- 14
- Messelektrode
- 15
- Aufnahmevorrichtung
- 16
- Sackloch
- 17
- Vertiefung
- 18
- Trennwand
- 19
- einlaufseitiger Bereich
- 20
- auslaufseitiger Bereich
- 21
- Messbereich
- 22
- Längsachse des Kanals
- 23
- Längsachse der Aufnahmevorrichtung
- 24
- Messschaltung
- 25
- Abdichtungsmittel
- 26
- Anschlusskontakt
- 26.1
- erster Anschlusskontakt
- 26.2
- zweiter Anschlusskontakt
- 26.3
- dritter Anschlusskontakt
- 27
- Erdungselektrode
- 28
- Längsebene
- 29
- Endabschnitt
- 30
- Kontaktabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016118064 A1 [0004]
