DE10347879A1 - Field measurement assembly, to give a measured value of a material flow within a pipe for process control, has coverings on the material and the environment sides with compound fiber layers between them for embedded sensors - Google Patents

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Hans-Werner Dipl.-Ing. Schwiderski
Andreas Thöne
Wolfgang Dr.-Ing. Scholz
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Abstract

The field measurement assembly (1a), to give a measured value of a material flowing (S) within an enclosed pipe (2) at a processing assembly, has a covering (4) on the side towards the material and a cover (6) on the side towards the ambient environment. The monitor is between the two coverings, to give measurements with or without contact with the material. The space between the coverings is filled with layers (19) of a compound fiber material using glass, carbon or synthetic fibers. A connector (8) gives the power supply and signal transmission connections. Three thermal sensors (56-58) are embedded within the layers, together with a signal processing unit (24). In other configurations, the sensors can register pressures, or inductive magnetic flows.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät zur Ermittlung des Wertes einer Messgröße eines Stoffes innerhalb eines umgrenzten Raumes in einer verfahrenstechnischen Anlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Messgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The The invention relates to a measuring device for determining the value of a measured quantity of a substance within a bounded space in a process plant according to the preamble of claim 1, and a method for producing such meter according to the preamble of Claim 8.

Gattungsgemäße Messgeräte werden oft auch als „Feldgeräte" bezeichnet, zur Abgrenzung insbesondere gegenüber Labormessgeräten, da sie im „Feld", in einer verfahrenstechnischen Anlage als Teil eines Prozessmess- und Leitsystems eingesetzt werden. Ihre Aufgabe ist die Aufnahme einer den Messwert repräsentierenden physikalischen oder chemischen Größe, deren Weiterleitung und/oder Umformung und die Ausgabe des gesuchten Messwertes an ein übergeordnetes Prozessmess- und Leitsystem. Zu den verwendeten Begrifflichkeiten und dem technischen Hintergrund zu den gattungsgemäßen „Feldgeräten" siehe auch das Lexikon der Mess- und Automatisierungstechnik, Herausgegeben von Elmar Schrüfer, VDI-Verlag Düsseldorf 1992, S. 364 ff und die jeweiligen Einträge dort zu speziellen Messgerätearten. Der dort beschriebene Stand der Technik soll der vorliegenden Anmeldung zugrundegelegt werden.Generic measuring devices are often referred to as "field devices", for Demarcation in particular against Laboratory instruments, since they are in the "field", in a procedural Plant can be used as part of a process measuring and control system. Their task is to record a value representing the measured value physical or chemical size, their forwarding and / or transformation and the output of the sought measured value to a higher-level process measuring and control system. To the terms used and the technical Background to the generic "field devices" see also the lexicon Measurement and Automation Technology, Edited by Elmar Schrüfer, VDI-Verlag Dusseldorf 1992, P. 364 ff and the respective entries there for special measuring device types. The prior art described there is intended to be based on the present application become.

Gattungsgemäße Messgeräte werden insbesondere für die Ermittlung der Messgrößen Druck, Temperatur, Füllstand, Volumen- oder Massenstrom und Zusammensetzung von fluiden Stoffen in Rohrleitungen oder Behältern eingesetzt. Unabhängig von der jeweils zu erfassenden Messgröße ist ihnen gemeinsam, dass sie eine stoffseitige Gerätebegrenzungsfläche aufweisen, das ist bei einer Rohrleitung die Rohrinnenwand und bei einem Behälter die Behälterinnenwand, und eine umgebungsseitige Gerätebegrenzungsfläche, das ist jeweils die mit der Umgebung in Kontakt stehende Außenfläche des Messgerätes. Dabei sind gattungsgemäße Messgeräte heute je nach Gerätetyp und Messgröße sehr unterschiedlich aufgebaut, besonders hinsichtlich des Gehäuseaufbaus und des Einbringens des Messaufnehmers und möglicher Signalwandler in das Gehäuse. Der heute übliche Herstellungsprozess ist geprägt von relativ kleinen Seriengrößen pro Gerätevariante einerseits und einer hohen Anzahl an Gerätevarianten andererseits, sowie einer weitgehend handwerklichen und daher aufwändigen und kostenintensiven Fertigung.Generic measuring devices are especially for the determination of the measured quantities pressure, temperature, level, Volume or mass flow and composition of fluids in pipelines or containers used. Independently from the respective measured variable to be detected is common to them that they have a material-side device boundary surface, this is the pipe inner wall in a pipeline and the case of a container Container inner wall, and an environment-side device boundary surface that is in each case in contact with the environment in the outer surface of the Meter. These are generic measuring devices today depending on the device type and measure very much constructed differently, especially with regard to the housing structure and the introduction of the sensor and possible signal converter in the Casing. The usual today Manufacturing process is shaped of relatively small series sizes per device variant on the one hand and a high number of device variants on the other hand, as well a largely manual and therefore complex and costly Production.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Messgerät zu schaffen, das kostengünstig und unter Verwendung modularer Fertigungsmethoden gebaut und auf einfache Weise bei der Fertigung für unterschiedliche Messgrößen konfiguriert werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gattungsgemäßen Messgerätes anzugeben.It The object of the present invention is to provide a generic measuring device which economical and built using modular manufacturing methods and on simple way configured during production for different measurands may be, as well as to provide a method for producing a generic measuring device.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Messgerätes gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1, und hinsichtlich des Verfahrens zu dessen Herstellung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8.The Task is solved with regard to the measuring device by the characterizing Features of claim 1, and in terms of the method for its Production by the characterizing features of claim 8.

Erfindungsgemäß also ist der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch Schichten eines Faserverbundwerkstoffes gebildet. Der Messaufnehmer kann dabei vorteilhafterweise – unter Freilassung seiner gegebenenfalls stoffberührenden Teile – in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff eingebettet sein.Thus, according to the invention the space between the fabric side and the environment side Device limitation area completely or partially formed by layers of a fiber composite material. The sensor can advantageously - while leaving his if necessary, substance-contacting Parts - in the layers of fiber composite material to be embedded.

Die Bildung des Zwischenraums zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch Schichten eines Faserverbundwerkstoffes schafft ein Grundmodul als Geräteplattform, in das andere Teil-Systeme wie insbesondere der Messaufnehmer, aber auch Signalwandler und eventuell benötigte Abschirmschichten eingebettet werden können, und die darüber hinaus auch nach außen hin die Schutzfunktion des Gehäuses übernehmen kann.The Forming the gap between the material side and the environment side Device limitation area completely or partially by laminating a fiber composite a basic module as a device platform, in the other part systems like in particular the sensor, but Also embedded signal converter and possibly required shielding can be and the above also outwards take over the protective function of the housing can.

Erfindungsgemäße Messgeräte können ihren unterschiedlichen Messaufgaben also dadurch angepasst werden, dass jeweils der für die vorgesehene Messaufgabe geeig nete Messaufnehmer, möglicherweise zusammen mit einem Signalwandler, bei der Fertigung des Messgerätes an geeigneter Stelle im Fertigungsprozess in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff eingebettet wird. Faserverbundwerkstoff eignet sich als Basismaterial für die Messgeräteplattform insbesondere deshalb, weil es eine hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit mit großer chemischer Beständigkeit verbindet.Inventive measuring devices can their different measurement tasks so be adapted by that each for the intended measuring task is suitable sensor, possibly together with a signal converter, in the manufacture of the meter at a suitable Place in the manufacturing process in the layers of fiber composite material is embedded. Fiber composite is suitable as a base material for the instrumentation platform especially because it has a high mechanical stability and load capacity with great chemical resistance combines.

In vorteilhafter Weise kann der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche insbesondere ganz oder teilweise durch glasfaser-verstärktes oder kohlenfaser-verstärktes oder Aramidfaser-verstärktes oder PE-Faser-verstärktes oder Kevlar-verstärktes Kunststoffmaterial gebildet sein.In Advantageously, the gap between the fabric side and the environment-side device boundary surface in particular completely or partially by glass fiber reinforced or carbon fiber reinforced or Aramid fiber reinforced or PE fiber reinforced or kevlar-reinforced Be formed plastic material.

Erfindungsgemäße Messgeräte können beispielsweise gebildet werden, indem als Messaufnehmer ein Temperaturfühler und/oder ein Drucksensor und/oder ein induktiver Durchflussaufnehmer und/oder ein Ultraschall-Durchflussaufnehmer und/oder ein Füllstandsaufnehmer eingebettet sind.Inventive measuring devices can, for example be formed by a temperature sensor and / or as a sensor a pressure sensor and / or an inductive flow sensor and / or an ultrasonic flow sensor and / or a level sensor are embedded.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche in einem an der stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche angrenzenden ersten Teilraum durch ein Messrohr aus Metall, Keramik, Glas, Faserverbundwerkstoff oder Kunststoff und in einem an der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche angrenzenden zweiten Teilraum durch Schichten wenigstens eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin, dass das Messrohr als Standardteil aus der bestehenden Fertigung verwendet werden kann, und die anderen Teilsysteme eines gattungsgemäßen Messgerätes dann in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff eingebettet sind.A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the space between the fabric side and the surrounding device limiting surface is formed in a adjacent to the fabric-side device boundary surface first subspace by a measuring tube made of metal, ceramic, glass, fiber composite material or plastic and in an adjacent to the environmental device boundary surface second subspace by layers of at least one fiber composite material. The advantage of such an embodiment is that the measuring tube can be used as a standard part of the existing production, and the other subsystems of a generic measuring device are then embedded in the layers of fiber composite material.

Das erfindungsgemäße Messgerät zeichnet sich somit außerdem durch eine sehr hohe Flexibilität hinsichtlich der Einbeziehung bestehender Fertigungsteile und Fertigungsschritte aus.The inventive measuring device is characterized thus also due to a very high flexibility regarding the inclusion of existing production parts and production steps out.

Eine sehr vorteilhafte Variante des Herstellungsverfahrens für ein gattungsgemäßes Messgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffsei tigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch schichtweises Aufwickeln von Faserverbund-Halbzeug gebildet wird.A very advantageous variant of the manufacturing method for a generic measuring device is characterized characterized in that the space between the stoffsei term and the environment-side device boundary surface completely or partially by layering winding fiber composite semifinished product is formed.

Der Messaufnehmer kann dann unter Freilassung seiner gegebenenfalls stoffberührenden Teile in die Schichten aus Faserverbundhalbzeug eingewickelt werden.Of the Sensor can then be released, if necessary material contact Parts are wrapped in the layers of fiber composite semi-finished product.

Beim Wickeln kann in einer vorteilhaften Variante des Verfahrens der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche zunächst aus Schichten von harzgetränktem Faserhalbzeug gewickelt und anschließend ausgehärtet werden. In einer anderen vorteilhaften Variante kann der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche auch zunächst aus Schichten von trockenem Faserhalbzeug gewickelt und anschließend unter Vakuum das Harz eingezogen werden.At the Winding can in an advantageous variant of the method of Space between the fabric side and the environment side Device boundary surface initially off Layers of resin impregnated Wrapped semifinished fiber and then cured. In another advantageous Variant may be the space between the fabric side and the environment-side device boundary surface too first wound from layers of dry semi-finished fiber and then under Vacuum the resin to be retracted.

Bereichsweise können auch unterschiedliche Faserverbundwerkstoffe aufgewickelt werden. So können beispielsweise elektrisch nicht leitfähige Faserverbundwerkstoffe und elektrisch leitfähige Faserverbundwerkstoffe aufeinanderfolgend aufgewickelt werden.range way can also different fiber composites are wound up. So can For example, electrically non-conductive fiber composites and electrically conductive Fiber composites are wound up successively.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung und weitere Vorteile sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments and improvements of the invention and Further advantages can be found in the further subclaims.

Anhand der Zeichnungen, in denen 5 Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden.Based of the drawings, in which 5 embodiments the invention are shown, the invention and others advantageous embodiments and improvements of the invention and others Advantages closer explained and described.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes als Temperaturmessgerät, 1 A first embodiment of a measuring device according to the invention as a temperature measuring device,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes als Ultraschall-Durchflussmesser, 2 A second embodiment of a measuring device according to the invention as an ultrasonic flowmeter,

3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes als Druckmessgerät, 3 A third embodiment of a measuring device according to the invention as a pressure gauge,

4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes als optischer Prozessanalysator, und 4 A fourth embodiment of a measuring device according to the invention as an optical process analyzer, and

5 bis 20 die einzelnen Schritte zur erfindungsgemäßen Herstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Messgerätes als magnetisch induktiver Durchflussmesser. 5 to 20 the individual steps for producing a fifth embodiment of a measuring device according to the invention as a magneto-inductive flow meter according to the invention.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messgerät 1, das ein von dem zu messenden Stoff in Pfeilrichtung des Pfeiles S durchströmtes Messrohr 2 mit einer stoffseitigen und einer umgebungsseitigen Gerätebegrenzung 4, 6 umfasst. Zwischen der stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche 4 und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche 6 ist das Messgerät 1 aus einer Schichtfolge 19 von Faserverbundwerkstoff gebildet. 1 shows a measuring device according to the invention 1 , which is a measuring tube through which the substance to be measured flows in the direction of the arrow S 2 with a fabric-side and an environmental device boundary 4 . 6 includes. Between the fabric-side device boundary surface 4 and the environment-side device boundary surface 6 is the measuring device 1 from a sequence of layers 19 formed by fiber composite material.

Teilweise in die umgebungsseitige Gerätebegrenzung eingelassen ist eine Anschlussvorrichtung 8. Die Anschlussvorrichtung 8 kann dabei entweder lediglich zur Kontaktierung dienen und selbst keine elektronischen Baugruppen enthalten, sondern nur Anschlusselemente, mit denen das Messgerät elektrisch an seine Systemumgebung angeschlossen wird (Energieversorgung und Signalableitung). Sie kann aber auch bereits vielfältige funktionelle Baugruppen zur Signalverarbeitung, Filterung, Speicherung und Übertragung – entweder über Buskabel oder auch drahtlos mittels Radiosender, Bluetooth oder anderer gängiger Signalübertragungsprotokolle – enthalten und wird dann üblicherweise als Transmitter bezeichnet. In der 1 ist eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle eingebaut, die drahtlose Kommunikation ist durch den Pfeil P angedeutet.Partly embedded in the environment-side device limit is a connection device 8th , The connection device 8th can either serve only for contacting and even do not contain electronic components, but only connection elements with which the meter is electrically connected to its system environment (power supply and signal dissipation). But it can also already contain a variety of functional modules for signal processing, filtering, storage and transmission - either via bus cable or wirelessly using radio stations, Bluetooth or other common signal transmission protocols - and is then commonly referred to as a transmitter. In the 1 If a wireless communication interface is installed, the wireless communication is indicated by the arrow P.

Das Messrohr 2 ist durch eine Faserverbund-Wickeltechnik hergestellt. Die Oberflächenkontur des Messrohres 2 kann aufgrund der Wickeltechnik in weiten Grenzen gestaltet werden. So zeigt 1 als Beispiel ein Messrohr mit einer Aufdickung zu den beiden seitlichen Dichtflächen 5 und zur Mitte hin, dazwischen liegt je eine konvexe Einschnürung. Die Anschlussvorrichtung 8 ist teilweise in die Messrohwand eingelassen und darin festgeklebt oder verpresst.The measuring tube 2 is made by a fiber composite winding technique. The surface contour of the measuring tube 2 can be designed within wide limits due to the winding technique. So shows 1 as an example a measuring tube with a thickening to the two lateral sealing surfaces 5 and towards the middle, in between there is a convex constriction. The connection device 8th is partially embedded in the measuring raw wall and glued or pressed into it.

In die Schichtfolge 19 aus Faserverbundwerkstoff sind drei Temperatursensoren 56, 57, 58 und eine elektronische Signalverarbeitungsbaugruppe 24 eingebettet. Die Signalverarbeitungsbaugruppe 24 ist elektrisch mit den Temperatursensoren 56, 57, 58 und der Anschlussvorrichtung 8 verbunden und bewirkt eine sensornahe Vorverstärkung und Singalwandlung auf ein standardisiertes Sensorsignal, beispielsweise 4–20mA, das dann der Anschlussvorrichtung 8 zugeführt wird.In the sequence of layers 19 made of fiber composite material are three temperature sensors 56 . 57 . 58 and an electronic signal processing module 24 embedded. The signal processing board 24 is electric with the temperature sensors 56 . 57 . 58 and the connection device 8th and causes a sensor-near preamplification and signal conversion to a standardized sensor signal, for example, 4-20mA, which then the connection device 8th is supplied.

Ein erster Temperatursensor 56 ist sehr nahe an der stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche 4 eingebettet, ein zweiter Temperatursensor 57 ist sehr nahe an der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche 57 eingebettet, und ein dritter Temperatursensor 58 ist nahe an der stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche 4, aber in Strömungsrichtung um eine Strecke x von dem ersten Temperatursensor 56 entfernt eingebettet.A first temperature sensor 56 is very close to the fabric-side device boundary surface 4 embedded, a second temperature sensor 57 is very close to the environmental device boundary surface 57 embedded, and a third temperature sensor 58 is close to the fabric-side device boundary surface 4 but in the flow direction by a distance x from the first temperature sensor 56 embedded away.

Mit den Temperatursensoren 56 und 58 lässt sich die Temperatur des durch das Rohr 2 strömenden Stoffes messen. Aus der Differenz der von den beiden Temperatursensoren 56, 57 ermittelten Temperaturwerte lässt sich unter Kenntnis der Geometrie und der Materialeigenschaften des Faserverbundmaterials der thermische Wärmestrom und daraus die zwischen dem Messstoff und der Umgebung ausgetauschte Energie berechnen. Aus der Differenz der von den beiden Temperatursensoren 56, 58 ermittelten Temperaturwerte lässt sich unter Kenntnis der Wärmekapazität und der Dichte des strömenden Stoffes die Strömungsgeschwindigkeit nach bekannten Methoden der thermischen Strömungsmesstechnik bestimmen. Das Messgerät nach 1 ist somit ein erfindungsgemäßes Mehrfachmessgerät zur Messung von Temperatur, Durchfluss und Wärmestrom.With the temperature sensors 56 and 58 lets the temperature of the pipe through 2 to measure flowing substance. From the difference of the two temperature sensors 56 . 57 determined temperature values can be calculated with knowledge of the geometry and the material properties of the fiber composite material, the thermal heat flow and from this the energy exchanged between the medium and the environment. From the difference of the two temperature sensors 56 . 58 determined temperature values can be determined with knowledge of the heat capacity and the density of the flowing substance, the flow velocity by known methods of thermal flow measurement. The meter after 1 is thus an inventive multiple measuring device for measuring temperature, flow and heat flow.

2 zeigt eine Variante eines erfindungsgemäßen Messgerätes, bei dem mit Ausnahme der Messaufnehmer der Aufbau und die Herstellungsmethode die gleichen sind wie bei dem in 1 gezeigten Messgerät. Bei dem Messgerät nach 2 wurde auf Basis derselben Technologieplattform wie bei dem Gerät nach 1 ein Ultraschalldurchflussmesser realisiert. Anstelle der Temperatursensoren 56, 57, 58 aus 1 wurden hier ein Ultraschallsender 67 und je ein erster, stromaufwärts gelegener Ultraschallempfänger 66 und ein zweiter, stromabwärts zum Sender gelegener Ultraschallempfänger 68 an der stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche 4 in die Schichtfolge aus Faserverbundwerkstoff eingebettet. Mit dem so realisierten Messgerät lässt sich nach dem in der Messtechnik bekennten Verfahren der Laufzeitdifterenzmessung die Strömungsgeschwindigkeit des Stoffes im Messrohr 2 messen. Man nutzt dabei den Effekt aus, dass sich der Schall entgegen der Strömungsgeschwindigkeit S mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreitet als mit der Strömungsgeschwindigkeit. Wird nun vom Ultraschallsender 67 ein Signal gleichzeitig entgegen und in Strömungsrichtung abgegeben, so lässt sich aus der Zeitdifferenz, mit der das Signal an jedem der beiden Empfänger 66, 68 registriert wird, unter zu Hilfenahme bekannter Berechnungsmethoden die Strömungsgeschwindigkeit des Stoffes im Messrohr 2 ermitteln. 2 shows a variant of a measuring device according to the invention, in which, with the exception of the sensor, the structure and the production method are the same as in the 1 shown measuring device. At the meter after 2 was based on the same technology platform as the device 1 realized an ultrasonic flowmeter. Instead of the temperature sensors 56 . 57 . 58 out 1 here were an ultrasonic transmitter 67 and each a first, upstream ultrasonic receiver 66 and a second ultrasonic receiver located downstream of the transmitter 68 on the fabric-side device boundary surface 4 embedded in the layer sequence of fiber composite material. With the measuring device realized in this way, the flow velocity of the substance in the measuring tube can be determined according to the method of transit time difference measurement known in metrology 2 measure up. One uses the effect that the sound propagates contrary to the flow velocity S at a different speed than with the flow velocity. Now from the ultrasound transmitter 67 a signal simultaneously delivered against and in the direction of flow, as can be deduced from the time difference with which the signal at each of the two receivers 66 . 68 is registered, with the aid of known calculation methods, the flow velocity of the substance in the measuring tube 2 determine.

Eine dritte, auf Basis derselben Technologieplattform wie bei den Messgeräten nach 1 oder 2 beschrieben hergestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgerätes zeigt 3 am Beispiel eines Druckmessgerätes. Als Messaufnehmer sind hier ein Absolutdrucksensor 76 und ein aus zwei mittels eines Verbindungsröhrchens 79 verbundenen Drucksensoren 78 und 79 gebildeter Differenzdrucksensor in die Schichtfolge 19 aus Faserverbundwerkstoff eingebettet.A third, based on the same technology platform as the gauges 1 or 2 described embodiment of a measuring device according to the invention shows 3 the example of a pressure gauge. As a sensor here are an absolute pressure sensor 76 and one of two by means of a connecting tube 79 connected pressure sensors 78 and 79 formed differential pressure sensor in the layer sequence 19 embedded in fiber composite material.

Der Absolutdrucksensor kann beispielsweise ein kommerziell erhältlicher mikromechanisch gefertigter Drucksensorchip sein, wie er in großen Stückzahlen und in verschiedenen Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsklassen von der Sensorindustrie gefertigt und geliefert wird und beispielsweise auch in der Kraftfahrzeugtechnik zur Reifendruckmessung während der Fahrt oder zur Messung des Zylinderdruckes im Motor eingesetzt wird. Bei der Einbettung in die Schichtfolge 19 aus Faserverbundwerkstoff des Messgerätes nach 3 ist darauf zu achten, dass die hydraulische Kopplung zwischen dem druckempfindlichen teil des Drucksensors 76 und dem Stoff im Inneren des Messrohres 2 nicht blockiert ist.The absolute pressure sensor may be, for example, a commercially available micromechanically manufactured pressure sensor chip, as it is manufactured and supplied in large quantities and in various accuracy and reliability classes of the sensor industry and used for example in automotive technology for tire pressure measurement while driving or to measure the cylinder pressure in the engine becomes. When embedding in the sequence of layers 19 made of fiber composite material of the measuring device 3 Care must be taken that the hydraulic coupling between the pressure-sensitive part of the pressure sensor 76 and the substance inside the measuring tube 2 is not blocked.

Der Differenzdrucksensor umfasst einen ersten Teil-Sensor 78 in hydraulischem Kontakt mit dem Stoff im Inneren des Messrohres 2 und einem zweiten Teil-Sensor 77 in hydraulisch/pneumatischem Kontakt mit der Umgebung, beide sind verbunden durch ein Verbindungsröhrchen 79. Der drucksensitive Teil des Differenzdrucksensors befindet sich im Inneren des Röhrchens 79, so dass auf diese Weise die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Messrohres und der Umgebung des Messgerätes 1c gemessen wird.The differential pressure sensor comprises a first part sensor 78 in hydraulic contact with the substance inside the measuring tube 2 and a second part sensor 77 in hydraulic / pneumatic contact with the environment, both connected by a connecting tube 79 , The pressure-sensitive part of the differential pressure sensor is located inside the tube 79 , so that in this way the pressure difference between the inside of the measuring tube and the environment of the meter 1c is measured.

Ein viertes Beispiel, das zeigt, wie relativ unkompliziert sich auf der Basis der erfindungsgemäßen Technologieplattform verschiedenste Messgeräte durch Einbettung unterschiedlicher Messaufnehmer in ansonsten gleiche, aus Faserverbundwerkstoff gebildete Schichtfolgen zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Geräte grenzfläche realisieren lassen, ist in 4 ein optischer Analysator. Hier sind in die Schichtfolge 19 aus Faserverbundwerkstoff ein Lichtsender 86, beispielsweise eine auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmte Laserdiode oder eine LED mit einem schmalbandigen optischen Filter oder auch eine konventionelle Kaltlichtlampe mit einem entsprechenden Filter, und stromabwärts von dem Sender ein optischer Empfänger 88 in die Schichtfolge 19 eingebettet. Lichtquelle 86 und Lichtempfänger 88 können dabei auch im nicht-sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums arbeiten, beispielsweise im Infraroten oder im Ultravioletten. Die stoffseitige Gerätebegrenzungsfläche 4 ist zwischen der Lichtquelle 86 und dem Lichtempfänger verspiegelt. Das wird so erreicht, dass zwei spiegelnde Metallfolien oder -bleche in die Schichtfolge aus Faserverbundwerkstoff eingebettet sind, entweder indirektem Kontakt mit dem Inneren des Messrohres 2 oder durch eine sehr dünne, optisch transparente erste Wickelschicht vom Stoff im Innern des Messrohres 2 getrennt und damit geschützt. Das von der Lichtquelle 86 ausgehende Licht wird an den Verspiegelungen 4a und 4b mehrfach reflektiert, so dass sich die wirksame optische Weglänge des Lichtes im Messstoff vergrößert. Auf diese Art ist beispielsweise ein Absorptionsmessgerät realisiert, das die Lichtabsorption im Messstoff aus dem Verhältnis zwischen der am Lichtempfänger 88 registrierten Lichtintensität und der von der Lichtquelle 86 ausgesandten Lichtintensität nach dem bekannten Lambert-Beer'schen Gesetz (siehe einschlägige Lehrbücher der Physik) ermittelt und damit Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Stoffes zulässt. Selbstverständlich können in entsprechender Weise auch andere aus dem Stand der Technik bekennte optische Messverfahren, wie beispielsweise Laser-Doppler-Anemometrie zur Geschwindigkeitsmessung, so realisiert werden.A fourth example, which shows how relatively uncomplicated on the basis of the technology platform according to the invention a variety of measuring instruments by embedding different sensors in the same same, formed of fiber composite layer sequences between the material side and the environment side device interface let realize is in 4 an optical analyzer. Here are in the sequence 19 made of fiber composite a light emitter 86 For example, a laser diode tuned to a particular wavelength or an LED with a narrow band optical filter or even a conventional cold light lamp with a corresponding filter, and an optical receiver downstream of the transmitter 88 in the sequence of layers 19 embedded. light source 86 and light receiver 88 can also work in the non-visible part of the electromagnetic spectrum, for example in the infrared or ultraviolet. The material-side device boundary surface 4 is between the light source 86 and the light receiver mirrored. This is accomplished by sandwiching two reflective metal foils or sheets in the fiber composite layer sequence, either indirect contact with the interior of the measuring tube 2 or by a very thin, optically transparent first winding layer of the substance inside the measuring tube 2 separated and thus protected. That from the light source 86 Outgoing light is at the mirroring 4a and 4b reflected several times, so that increases the effective optical path length of the light in the medium. In this way, for example, an absorption meter is realized, the light absorption in the medium from the ratio between the at the light receiver 88 registered light intensity and that of the light source 86 emitted light intensity according to the known Lambert-Beer's law (see relevant textbooks of physics) determined and thus allows conclusions about the composition of the substance. Of course, other known from the prior art optical measuring methods, such as laser Doppler anemometry for speed measurement, can be realized in a similar manner.

Die 5 bis 20 zeigen am Beispiel eines magnetisch induktiven Durchflussmessers, der auf Basis derselben Technologieplatform hergestellt wird, schrittweise den Aufbau und die Herstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes.The 5 to 20 show the example of a magnetic inductive flow meter, which is manufactured on the basis of the same technology platform, gradually the construction and the production of a measuring device according to the invention.

Als erster Schritt wird ein Zylindrischer Kern K vorbereitet (1). Der Kern K kann aus Metall, beispielsweise Aluminium, oder auch aus einem durch Überdruck in formgebrachten Kunststoffschlauch bestehen.As a first step, a cylindrical core K is prepared ( 1 ). The core K may be made of metal, such as aluminum, or from a formed by overpressure in molded plastic tube.

Direkt auf den Kern K werden in einem zweiten Schritt (6) erste Elektroden 23, hier zur elektrischen Kopplung an den Messstoff, zusammen mit den elektrischen Ableitun gen 26 aufgebracht und durch Klebepunkte fixiert. Die Elektroden können aus biegbarem Blech, Metallfolie oder auch aus leitfähigem Kunststoff bestehen.Immediately to the core K, in a second step ( 6 ) first electrodes 23 , here for electrical coupling to the medium, together with the electrical Ableitun gene 26 applied and fixed by adhesive dots. The electrodes may consist of bendable sheet metal, metal foil or also of conductive plastic.

Nun wird im dritten Schritt (7) eine erste, innere Schicht 19a aufgewickelt. Diese kann entweder aus harzgetränkten Fasern in Form eines sog. Rovings oder aus Faserhalbzeug in Form z.B. eines auf die Gesamtbreite des Messrohres zugeschnittenen sog. Geleges mit geeigneten einzelnen Faserschichten bestehen.Now in the third step ( 7 ) a first, inner layer 19a wound. This can consist either of resin-impregnated fibers in the form of a so-called roving or semi-finished fiber products in the form of, for example, a tailor-made fabric with suitable individual fiber layers tailored to the total width of the measuring tube.

Auf dieser ersten Schicht 19a werden im vierten Schritt (8) Messelektroden 20, 20a mit den entsprechenden elektrischen Zuleitungen 26 fixiert und im fünften Schritt (9) von einigen weiteren Faserhalbzeugschichten 19b umwickelt.On this first layer 19a in the fourth step ( 8th ) Measuring electrodes 20 . 20a with the appropriate electrical leads 26 fixed and in the fifth step ( 9 ) of some other semi-finished fiber layers 19b wrapped.

Entsprechend wird anschließend im sechsten Schritt (10) mit den Schirmelektroden 22, 22', 22a, 22a' und den Signalzuleitungen 26 verfahren. Anschließend wird im siebten Schritt (11) die Wandung durch einige weitere Schichten 19c aufgedickt.Accordingly, in the sixth step ( 10 ) with the shield electrodes 22 . 22 ' . 22a . 22a ' and the signal leads 26 method. Subsequently, in the seventh step ( 11 ) the wall through a few more layers 19c thickened.

Im achten Schritt (12) wird eine Signalwandlerbaugruppe 24 mit ihrer Zuleitung 26 fixiert und im neunten Schritt (13) von einer weiteren Schicht 19d bedeckt.In the eighth step ( 12 ) becomes a signal converter assembly 24 with their supply line 26 fixed and in the ninth step ( 13 ) from another layer 19d covered.

Als nächstes werden nun die Teile des Magnetsystems, der ferromagnetische Kern 32 in Schritt 10 (14) und die Erregerspulen 30, 30a in Schritt 11 (15), wiederum zunächst provisorisch fixiert, und anschließend mit einigen weiteren Schichten 19e eingewickelt und damit endgültig befestigt (Schritt 12, 16). Die Erregerspulen werden so angebracht, dass das Magnetfeld im Rohrinnenraum senkrecht zur Rohrmittelachse 3 und senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen den Messelektroden 20, 20a verläuft.Next are the parts of the magnet system, the ferromagnetic core 32 in step 10 ( 14 ) and the excitation coils 30 . 30a in step 11 ( 15 ), again initially fixed provisionally, and then with a few more layers 19e wrapped and finally attached (step 12 . 16 ). The excitation coils are mounted so that the magnetic field in the tube interior perpendicular to the tube center axis 3 and perpendicular to the connecting line between the measuring electrodes 20 . 20a runs.

Bei dem Magnetsystem kommt es auf eine sehr hohe Positioniergenauigkeit an, insbesondere auf eine geringe Verdrehung, wenn eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden soll. Bei entsprechend vorsichtigem Wickeln ist die erreichbare geometrische Präzision sehr hoch. So kann man eine Verdrehung der Spulen und des Kerns von weniger als 1° erreichen.at The magnet system has a very high positioning accuracy in particular to a low twist, if a high accuracy should be achieved. In accordance with careful winding is the achievable geometric precision very high. So you can do a twisting of the coils and the core reach less than 1 °.

Anschließend wird noch in Schritt dreizehn (17) eine Abschirmschicht 40 aus leitfähigem Material, beispielsweise aus einem Faserhalbzeug aus elektrisch leitfähigem Material wie z.B. aus leitfähigen Kohlenstofffasern, aufgewickelt, und diese in Schritt vierzehn (18) wieder mit einigen letzten äußeren Schutzschichten 19f umwickelt. Die äußeren Schutzschichten 19f schützen vor allen äußeren Einflüssen, so dass das Messgerät als Ganzes der entsprechenden Schutzklasse, beispielsweise IP 68, genügt. Sie können dabei auch aus anderem Halbzeug bestehen, beispielsweise aus Aramidfaserverstärktem Material, wenn das Messrohr aus GFK Halbzeug aufgebaut ist.Then, in step thirteen ( 17 ) a shielding layer 40 of conductive material, for example of a semi-finished fiber of electrically conductive material such as conductive carbon fibers, wound up, and these in step fourteen ( 18 ) again with some last outer protective layers 19f wrapped. The outer protective layers 19f protect against all external influences, so that the meter as a whole the appropriate protection class, for example IP 68 , enough. You can also consist of other semi-finished, for example, aramid fiber reinforced material when the measuring tube is made of GFK semifinished product.

Beim Wickeln müssen die Messsignalleitungen 26 und die Zuleitungen zu den Spulen 30 und zu der Signalwandlerbaugruppe 24 zwischen den einzelnen Wicklungsschichten hindurchgeführt werden.When winding, the measuring signal lines must 26 and the leads to the coils 30 and to the transducer assembly 24 be passed between the individual winding layers.

Wenn die Faserverbundschichten aus trockenem Halbzeug aufgebaut wurden, dann wird jetzt in Schritt 15 (19) das Harz unter Vakuum eingezogen und anschließend ausgehärtet.If the fiber composite layers were built up of dry semifinished product, then now in step 15 ( 19 ) The resin drawn under vacuum and then cured.

Auf dem fertig gewickelten Messrohr wird dann noch im Schritt 16 (20) die Anschlussvorrichtung 8 befestigt. Dies kann entweder durch Schrauben oder Kleben geschehen, oder auch wieder durch Einwickeln mit bandförmigem Halbzeug, so dass die Anschlussbuchsen und ggf. die Bedien- und Anzeigeelemente frei bleiben. Abschließend wird der Kern wieder entfernt.On the finished wound measuring tube is then still in the step 16 ( 20 ) the connection device 8th attached. This can be done either by screwing or gluing, or again by wrapping with band-shaped semifinished product, so that the connection sockets and possibly the operating and display elements remain free. Finally, the core is removed.

Auch bei der Herstellung anderer denkbarer erfindungsgemäßer Messgeräte bleibt die Herstellungsreihenfolge im Prinzip so, wie in den 5 bis 20 beschrieben. Lediglich die Art der einzubettenden Messaufnehmer und anderer Teilsysteme ändert sich je nach Art des zu bauenden Messgerätes.Also in the production of other conceivable inventive measuring devices, the production order remains in principle as in the 5 to 20 described. Only the type of sensors to be embedded and other subsystems will change depending on the type of instrument to be built.

Die im Vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispiele geben nicht abschließend alle möglichen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Messgeräten wieder. Auch alle hier nicht erwähnten, aber sich durch Kombinationen aus den hier beschriebenen Ausführungsformen oder Teilen daraus ergebenden weiteren Ausführungsformen sollen daher von der vorliegenden Anmeldung mit erfasst sein.The Embodiments described above do not give finally all possible embodiments of measuring devices according to the invention again. Also all not mentioned here, but themselves by combinations of the embodiments described herein or parts thereof resulting further embodiments are therefore intended to be be included in the present application.

Claims (17)

Messgerät zur Ermittlung des Wertes einer Messgröße eines Stoffes innerhalb eines umgrenzten Raumes in einer verfahrenstechnischen Anlage, mit einer stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche und einer umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche und mit wenigstens einem zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche angebrachten, berührend oder berührungslos arbeitenden, Messaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch Schichten eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist.Measuring device for determining the value of a measured variable of a substance within a bounded space in a process plant, with a material-side device boundary surface and an environmental device boundary surface and at least one attached between the fabric side and the surrounding device boundary surface, touching or non-contact, measuring sensor, characterized in that the space between the fabric side and the environment side device boundary surface is formed wholly or partly by layers of a fiber composite material. Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer unter Freilassung seiner gegebenenfalls stoffberührenden Teile in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff eingebettet ist.gauge according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sensor is released if necessary, substance-contacting Parts embedded in the layers of fiber composite material. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Messaufnehmer verbundener Signalwandler vollständig oder teilweise in die Schichten des Faserverbundwerkstoffes eingebettet ist.gauge according to claim 1 or 2, characterized in that a with the Sensor of connected signal converter completely or partially in the Layers of fiber composite material is embedded. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch glasfaser-verstärktes oder kohlenfaser-verstärktes oder Aramidfaser-verstärktes oder PE-Faser-verstärktes oder Kevlar-verstärktes Kunststoffmaterial gebildet ist.gauge according to claim 3, characterized in that the intermediate space between the fabric-side and the environment-side device boundary surface completely or partially by glass fiber reinforced or carbon fiber reinforced or aramid fiber reinforced or PE fiber reinforced or Kevlar reinforced Plastic material is formed. Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffseitige Gerätebegrenzungsfläche eine geschlossene Rohrinnenfläche ist.gauge according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the material-side device boundary surface a closed pipe inner surface is. Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer ein Temperaturfühler und/oder ein Drucksensor und/oder ein induktiver oder Coriolis- oder Vortex – oder Ultraschall – Durchflussaufnehmer und/oder ein kapazitiver oder Ultraschall- oder Mikrowellen-Füllstandsaufnehmer und/oder ein optischer Analysator ist.gauge according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor is a temperature sensor and / or a pressure sensor and / or an inductive or Coriolis or vortex or ultrasonic flow sensor and / or a capacitive or ultrasonic or microwave level sensor and / or an optical analyzer. Messgerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerä tebegrenzungsfläche in einem an der stoffseitigen Gerätebegrenzungsfläche angrenzenden ersten Teilraum durch ein Messrohr aus Metall, Keramik, Glas, Faserverbundwerkstoff oder Kunststoff und in dem an der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche angrenzenden zweiten Teilraum durch Schichten wenigstens eines Faserverbundwerkstoffes gebildet ist.gauge according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the space between the fabric side and the environment side device tebegrenzungsfläche in one adjacent to the fabric-side device boundary surface first subspace through a measuring tube made of metal, ceramic, glass, fiber composite material or plastic and in the adjacent to the environmental device boundary surface second subspace by layers of at least one fiber composite material is formed. Verfahren zur Herstellung eines Messgerätes für die Ermittlung des Wertes einer Messgröße eines Stoffes innerhalb eines umgrenzten Raumes in einer verfahrenstechnischen Anlage, welches eine stoffseitige Gerätebegrenzungsfläche und eine umgebungsseitige Gerätebegrenzungsfläche sowie wenigstens einen zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche angebrachten, berührend oder berührungslos arbeitenden, Messaufnehmer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch Schichten eines Faserverbundwerkstoffes gebildet wird.Method for producing a measuring device for the determination the value of a measurand of a substance within a bounded space in a procedural Plant, which has a material-side device boundary surface and an environment-side device boundary surface as well at least one between the fabric side and the environment side Device boundary surface attached, touching or contactless working, comprises sensor, characterized in that the space between the fabric side and the environment side Device limitation area completely or partially formed by layers of a fiber composite material becomes. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer unter Freilassung seiner gegebenenfalls stoffberührenden Teile in die Schichten aus Faserverbundwerkstoff eingebettet wird.Method according to claim 8, characterized in that that the sensor, releasing its possibly material contacting Parts embedded in the layers of fiber composite material. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Messaufnehmer verbundener Signalwandler vollständig oder teilweise in die Schichten des Faserverbundwerkstoffes eingebettet wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that a signal converter connected to the sensor is completely or partially embedded in the layers of the fiber composite material. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch glasfaser-verstärktes oder kohlenfaser-verstärktes oder Aramidfaser-verstärktes oder PE-Faser-verstärktes oder Kevlar-verstärktes Kunststoffmaterial gebildet wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized that the space between the material side and the environment side Device limitation area completely or partially by glass fiber reinforced or carbon fiber reinforced or Aramid fiber reinforced or PE fiber reinforced or kevlar-reinforced Plastic material is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche ganz oder teilweise durch schichtweises Aufwickeln von Faserverbund-Halbzeug gebildet wird.Method according to one of claims 8 to 11, characterized that the space between the material side and the environment side Device limitation area completely or partially by layering winding fiber composite semifinished product is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer unter Freilassung seiner gegebenenfalls stoffberührenden Teile in die Schichten aus Faserverbundhalbzeug eingewickelt wird.Method according to one of claims 8 to 12, characterized that the sensor, releasing its possibly material contacting Parts wrapped in the layers of fiber composite semi-finished product. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche aus Schichten von harzgetränktem Faserhalbzeug gewickelt und anschließend ausgehärtet wird.Method according to one of claims 8 to 13, characterized that the space between the material side and the environment side Device boundary surface off Layers of resin impregnated Semi-finished fiber wound and then cured. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum zwischen der stoffseitigen und der umgebungsseitigen Gerätebegrenzungsfläche aus Schichten von trockenem Faserhalbzeug gewickelt und anschließend unter Vakuum das Harz eingezogen wird.Method according to one of claims 8 to 13, characterized that the space between the material side and the environment side Device boundary surface off Wrapped layers of dry semi-finished fiber and then under Vacuum the resin is retracted. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise unterschiedliche Faserverbundwerkstoffe aufgewickelt werden.Method according to one of claims 8 to 15, characterized that in some areas different fiber composite materials are wound up. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bereichsweise elektrisch nicht leitfähige Faserverbundwerkstoffe und elektrisch leitfähige Faserverbundwerkstoffe aufgewickelt werden.Method according to claim 16, characterized in that that partially electrically non-conductive fiber composites and electrically conductive Fiber composites are wound up.
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