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Die
Erfindung betrifft eine Auskleidung aus Kunststoff für
Durchflussarmaturen und für Armaturen von Durchflussmessgeräten
mit elektromagnetischen Mess-Systemen.
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Zur
Stabilisierung und Verstärkung von Auskleidungen aus Kunststoff
für eine metallische Durchflussarmatur, bzw. für
Armaturen von Durchflussmessgeräten mit elektromagnetischen
Mess-Systemen sind aus gelochtem Blech hergestellte metallische
Röhren schon vorgeschlagen worden. Die elektrisch isolierende
und hoch korrosionsbeständige Kunststoffschicht bedeckt
die zum Durchflusskanal zugewandte Innenseite der metallischen Röhre
und befindet sich auch in den Öffnungen des gelochten Blechs.
Damit auch zwischen der Metallröhre und der Innenwand der
Armatur eine Kunststoffschicht zur Ausbildung kommt, sind schon
Distanz- oder Abstandshalter vorgeschlagen worden. Dadurch lässt sich
auch zwischen Metallröhre und Innenwand der Armatur eine
einheitliche Schichtdicke ausbilden. Als Abstandshalter können
entweder Drähte auf der Außenseite der Metallröhre
aufgebracht (
US 5773723 ,
EP 0766069 B1 )
oder es können Rippen auf der Außenfläche
der Metallröhre vorhanden sein (
WO 2006050766 A1 ). In
der
GB 2402219 A werden
Abstandshalter erwähnt, ohne jedoch diese näher
zu spezifizieren.
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Nachteil
des Standes der Technik ist, dass eine Auskleidung – auch
mit metallischer Verstärkung – bei extremen Druckschwankungen
nicht genügend Halt aufweist. Insbesondere ein schneller Druckwechsel
von hohem Druck auf Unterdruck kann zur Ablösung der Auskleidung
von der Innenwand der Armatur führen, wodurch die Armatur
geschädigt und unbrauchbar wird. Insbesondere bei einer
als Messrohr eines Durchflussmessers ausgebildeten Armatur besteht
der Schaden im Kontakt und Kurzschluss der Messelektroden. Dieser
Nachteil ist auch vorhanden, wenn die Metallröhre an mehreren
Punkten ihres endseitigen Randes an die Armatur angeheftet ist,
wie auch im vorgenannten Stand der Technik erwähnt. Die
Befestigungsstellen am endseitigen Rand reichen nicht aus, um auch
im Inneren der Metallröhre genügend Halt bei starken
Druckschwankungen zu geben.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung eine mit einer metallischen
Röhre verstärkte Auskleidung für Durchflussarmaturen
oder für Armaturen von Durchflussmessgeräten anzugeben,
bei der auf Abstandshalter verzichtet werden kann und sich dennoch
einheitliche Schichtdicken sowohl auf der Innenseite der metallischen
Röhre als auch zwischen der Metallröhre und der
Innenwand der Armatur ausbilden lassen und weiterhin Ablösungen
der Auskleidung bei Druckschwankungen ausgeschlossen sind.
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Die
Lösung der Aufgabe findet sich im Kennzeichen des ersten
Anspruchs; weitere Unteransprüche schließen sich
an.
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Der
Kern der Erfindung besteht darin, dass die zur Verstärkung
der Auskleidung verwendete Metallröhre mehrere Aufweitungen
in radialer Richtung bis auf den Innendurchmesser des Rohrs der
Armatur aufweist, die zur Definition der Schichtdicke und als Befestigungspunkte
dienen. Es werden somit in den Aufweitungen Anschweißstellen
der Metallröhre an der Innenwand der Durchflussarmatur
geschaffen. Man könnte die Aufweitungen auch als ,Distanzanschweißbuckel'
bezeichnen. Der Halt der Auskleidung an der Innenwand des Rohrs
der Armatur wird auch für extreme Druckschwankungen sichergestellt.
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Neben
den genannten Vorteilen kommt hinzu, dass Abstandshalter (Drähte
oder Rippen) überflüssig sind. Weiterhin entsteht
durch die mehrfache Befestigung der Metallröhre im Inneren
des Rohrs der Armatur eine hohe Maßhaltigkeit des Strömungsquerschnitts,
was zu einer Dauerstabilität der Kalibrierung (oder Eichung)
der Armatur beiträgt. Dies führt auch zu einer
Optimierung der Messgenauigkeit bei Durchflussmessarmaturen. Die
Metallröhre liegt durch das Anschweißen in Inneren
ringsum effektiv an der Innenwand der Armatur an und gemeinsam mit
der Verwendung eines formstabilen Kunststoffs entsteht eine hohe
Maßgenauigkeit des zylindrischen Durchflusskanals.
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Wie
erwähnt, wird die Verschweißung der Metallröhre
an der Innenwand der Armatur im Inneren (und nicht – nur – im
Randbereich) vorgenommen. Bei diesem Verfahren wird Widerstandspunktschweißen,
oder genauer gesagt Buckelschweißen eingesetzt, wo nämlich
die Aufweitungen die Funktion der Buckel übernehmen. Hier
zeigt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung, nämlich
insbesondere dann, wenn der Schweißvorgang manuell gesteuert
wird. Mit der von Hand geführten Armatur (mit innenliegender,
vorerst lose eingelegter Metallröhre) rastet die Schweißelektrode
leicht in der Aufweitung ein, wodurch die Schweißlage relativ
einfach, aber auch sicher gefunden wird, ohne dass eine optische
Kontrolle beim Einführen notwendig ist. Wollte man eine
mit Abstandshaltern in Form von Drähten (beispielsweise
nach der
EP 0766069
B1 ) versehene Metallröhre im Inneren der Armatur
verschweißen, so ist dies ohne apparativen Aufwand oder
ohne optische Führung und Kontrolle der zu verbindenden
Teile unmöglich.
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Der
wesentliche Ansatz der Erfindung liegt in der Art und Weise der
Befestigung der metallischen Röhre im Inneren des Rohrs
der Armatur. Die Stabilität der Auskleidung lässt
sich selbstverständlich noch erhöhen, wenn auch
die flanschseitigen Enden der metallischen Röhre am Rohrende
der Armatur (punktuell) angeschweißt werden, wozu es dienlich
sein kann, wenn die flanschseitigen Ränder der Röhre
in der Vorfertigung konisch aufgeweitet sind.
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Als
Aufweitungen werden Auswölbungen oder Wülste vorgeschlagen,
die einzeln oder nebeneinander in Kombination miteinander ausgebildet sein
können.
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Mindestens
eine Aufweitung kann eine kleinflächige Auswölbung
oder ein kleinflächiger Buckel sein.
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Mehrere
Aufweitungen (sowohl kleinflächige Auswölbungen
als auch Wülste) können im regelmäßigen
oder unregelmäßigen Muster auf der Oberfläche
der Metallröhre ausgebildet sein. Die bevorzugte Struktur
ist eine regelmäßige Anordnung, beispielsweise
so, dass die Aufweitungen oder Auswölbungen ringförmig
umlaufend, senkrecht zur Achse der Metallröhre ausgebildet
sind. Oder sie können linear hintereinander – parallel
zur Achse der Metallröhre, oder schraubenförmig
auf der Oberfläche der Metallröhre ausgebildet
sein.
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Neben
kleinflächigen Auswölbungen kann mindestens auch
ein Wulst vorhanden sein. Ein solcher Wulst kann geradlinig oder
schraubenförmig auf der Metallröhre liegen. Vorzugsweise
werden Wülste vorgeschlagen, die ringförmig umlaufend,
senkrecht zur Zylinderachse der Metallröhre ausgebildet
sind. Es ist auch die Ausbildung von Wülsten möglich,
die parallel zur Zylinderachse der Metallröhre liegen.
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Als
Kunststoffe sollen formstabile und korrosionsresistente Kunststoffe
eingesetzt werden, vorzugsweise Fluorpolymere, insbesondere PFA.
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Die
Metallröhre sollte aus nichtmagnetischem Werkstoff, vorzugsweise
aus Edelstahl bestehen. Die Metallröhre kann aus gelochtem
Blech, aus Streckmetall oder aus Metallgewebe hergestellt sein. Für
eine Armatur, die nicht als Durchflussmesser eingesetzt wird, kann
der Werkstoff der Metallröhre auch einfacher Stahl sein,
da in diesem Fall die magnetische Eigenschaft des einfachen Stahls
nicht stört.
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Die
Durchbrechungen der Metallröhre sollten als regelmäßiges
Muster von Löchern ausgebildet sein. Wobei kreisförmige
Löcher, oder auch Langlöcher infrage kommen, die
in symmetrischer Rechteck- oder Diagonallage ein Muster in der Metallröhre bilden.
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Als
Verfahren zum Herstellen einer Auskleidung wird vorgesehen, dass
vorzugsweise aus einem Stück Metall (Streckmetall, gelochtes
Blech, Metallgitter, Metallgewebe; und im Rechteckformat) eine Metallröhre
durch Biegen und/oder Walzen gebildet wird und in die die Aufweitungen
eingearbeitet sind. Die einfachste Form der Metallröhre
(jedoch nicht unbedingt die einzige Form) ist eine solche, die eine
Naht in Längsrichtung (also parallel zur Zylinderachse)
hat. Wie erwähnt, wird durch das Anschweißen im
Inneren der Armatur eine stabile, feste Lage der Metallröhre
in der Armatur hergestellt. Dadurch ist es nicht notwendig, die
Längsnaht der Metallröhre materiell zu schließen
(beispielsweise die Längsnaht zu verschweißen).
Das enge Anliegen der Metallröhre ist ,Garantie' genug
für Maßhaltigkeit des Durchflusskanals. Das Verschweißen
der offenen Naht wäre somit kontraproduktiv, weil ein ringsum
geschlossener Metallzylinder maßgenauer hergestellt werden
muss, als es bei einer Metallröhre mit offener Naht gefordert
werden muss.
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Die
in der Armatur befestigte Metallröhre wird durch ein Press-
oder Gießverfahren derart vollständig von dem
Kunststoff umhüllt, dass Innen- und Außenseite
der Metallröhre von dem Kunststoff bedeckt und die Durchbrechungen
der Metallröhre mit dem Kunststoff durchdrungen sind.
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In
der einzigen Figur wird eine Ausführungsform der Erfindung
mit beispielhaft eingezeichneten Aufweitungen dargestellt. Sie zeigt
einen Schnitt durch eine Durchflussarmatur.
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Die
rohrförmige Armatur 10 ist aus Stahl und hat eine
Bedeckung der Innenseite (Auskleidung 14) aus Kunststoff
(als Isolator), wodurch ein zentraler, zylindrischer Durchflusskanal
entsteht. Die beiden Enden der Armatur sind mit Flanschen 12 versehen.
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Die
zylindrische Metallröhre 20 wird – wie noch
näher beschrieben – vorgefertigt. Sie ist so lang oder
etwas kürzer als die Länge der Armatur, so dass die
Enden der Metallröhre 20 nicht über die
Stirnseiten der Armatur hinaus überstehen.
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Die
Flansche 12 der Armatur 10 sind in der Regel aus
demselben Material wie die Armatur und dienen der Befestigung an
weiteren Strömungsrohren oder Armaturen, und haben entsprechende
Verschraubungsöffnungen (ebenfalls nicht dargestellt, weil
nicht unmittelbar zur Erfindung gehörig).
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung der Armatur besteht
in der metallischen Verstärkung der Auskleidung 14,
in Form einer zylindrischen Röhre 20 aus gelochtem
Blech, Streckmetall oder Metallgewebe, und welche Aufweitungen 22, 24 hat,
die zur Befestigung 26 mit der Innenseite der Armatur verwendet
werden. Die Kunststoff-Auskleidung 14 umhüllt die
metallische Röhre innen und außen und ebenso stirnseitig,
so dass die Metallröhre 20 an keiner Stelle mit
dem Durchflussmedium in Berührung kommt. Die Metallröhre 20 besteht
aus nichtmagnetischem Werkstoff, vorzugsweise aus Edelstahl. Die
Durchbrechungen oder Löcher sind – wie erwähnt – vom Auskleidungskunststoff
vollständig gefüllt.
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Zur
Herstellung der Metallröhre 20 wird ein rechteckiges
Stück (oder mehrere Stücke, zum Beispiel Halbschalen)
gelochten Blechs, eines Streckmetalls oder eines Metallgewebes verwendet,
das zu einem Zylinder geformt wird. Die Formung der zylindrischen
Röhre wird durch Biegen, Prägen oder Walzen vorgefertigt
und hergestellt. Das Blech oder das Streckmetall sollte 0,8 bis
1,0 mm (+/–0,2 mm) dick sein. Die Größe
der Durchbrechungen oder Löcher kann je nach geforderter
Stabilität der Metallröhre einige Millimeter betragen.
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Zur
Bildung des Zylinders mit dem Durchmesser D2 kann das flache Stück
Blech, Streckmetall oder Metallgewebe spiralig gebogen sein (beispielsweise
nach dem Vorbild der
EP
0766069 B1 ) oder zy lindrisch gebogen oder gewalzt werden,
so dass parallel zu den Rechteckseiten und in Längsrichtung
der Armatur verlaufende Stoßkanten (eine offene Naht) entstehen.
Die hierbei entstehenden spiraligen oder geradlinigen Stoßkanten
der Metallblech- oder Metallgewebeseiten müssen nicht materiell
geschlossen (verschweißt) sein. Der feste Halt und die
stabile Lage in der Armatur wird durch die erfindungsgemäße
Befestigung in der Armatur vermitteln.
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In
der Metallröhre 20 sind Aufweitungen 22 (auch
Wülste 24) in radialer Richtung ausgebildet durch
formgebende Bearbeitung aus dem Blech oder dem Metallgewebe. Die
Aufweitungen können kleinflächige, beispielsweise
kreisrunde Buckel, Dellen oder Wölbungen 22 sein.
In der Figur sind drei Buckel 22 in Aufsicht und zwei Buckel 22 im
Schnitt eingezeichnet. Ihre Lage ist unregelmäßig.
Weiterhin sind in der Figur zwei senkrecht zur Zylinderachse, rund umlaufende
Wülste 24 eingezeichnet. Als Bearbeitungstechnik
kann Drücken oder Prägen der Buckel oder Wölbungen
oder Prägen oder Walzen der Wülste eingesetzt
sein. Die Querschnittsformen der Aufweitungen (gesehen im Schnitt
durch eine Aufweitung und geschnitten durch die Achse der Metallröhre)
können je nach Herstellverfahren kugelförmig (siehe
Figur), trapezförmig, dreieckig, rechteckförmig mit
Abrundungen oder Mischformen davon sein. Die flächige Ausdehnung
der Aufweitungen (Durchmesser A', bzw. Breite A eines Wulstes) liegen
typischer Weise im Bereich von 10 bis 20 mm, in Abhängigkeit vom
Durchmesser D3 der Armatur. In der Figur sind zwei umlaufende Wülste 24 eingezeichnet,
von denen einer mittig in der Armatur und ein zweiter endseitig
(unten) angeordnet ist. Die Zahl der Aufweitungen und/oder Wülste
hängt von der Dimension (Länge und Durchmesser)
der Armatur ab. Beispielsweise können drei Wülste
bei kürzeren Armaturen und bis zu fünf Wülste
bei längeren Armaturen vorgesehen sein. Vorzugsweise sollten
zwei Wülste endseitig, das heißt relativ flanschnah
angebracht sein, beispielsweise im Abstand von 10 mm vom endseitigen Rand
der Armatur.
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Der
an der Oberfläche den Aufweitungen 22, 24 entstehende
Außendurchmesser der Metallröhre entspricht dem
Innendurchmesser D3 der Armatur. Die Höhe der Aufweitungen
hängt im Prinzip von der Dimension der Armatur (Länge
und Durchmesser) ab und entspricht der Dicke der Kunststoff-Schicht
zwischen Metallröhre und Innenwand der Armatur. Beispielsweise
kann eine Schichtdicke von 1 bis 3 mm in Abhängigkeit vom
Durchmesser D3 der Armatur vorgesehen sein. Die Höhe der
Aufweitungen entspricht der Größe (D3 – D2)/2.
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Die
Befestigung der Metallröhre geschieht in den Aufweitungswölbungen
durch Anschweißen vor dem Einbringen der Kunststoff-Auskleidung.
Das Einschweißen an den Befestigungspunkte 26 erfolgt
im Grund eines Wulstes oder im Grund einer Aufweitung. Damit erhält
die Metallröhre ihren stabilen Halt und feste Lage im Innern
der Armatur.
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Die
Kunststoffauskleidung 14 wird auf der Innenseite der Armatur 10 wie
folgt aufgebracht. Zunächst wird die Metallröhre 20 in
die Armatur eingeführt und an mehreren Aufweitungen (22, 24)
an der Innenwand der Armatur angeschweißt. Die Aufweitungen
stellen sicher, dass die Innenwand der Armatur und die äußere
Oberfläche der Metallröhre einen konstanten Abstand
gleich der Schichtdicke der inneren Kunststoff-Auskleidung aufweisen.
Die so vorbereite Armatur wird in ein Werkzeug eingebracht, welches
einen inneren zylindrischen Dorn hat, welcher den Innendurchmesser
D3 der Auskleidung 14 bildet.
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Als
nächstes wird der Kunststoff 14 in den verbleibenden
Zwischenraum eingegossen oder eingepresst, um nach Aushärtung
des Kunststoffes die Auskleidungsschicht auf beiden Oberflächen
der Metallröhre 20 und in ihren Durchbrechungen
zu bilden. Der Kunststoff dringt durch die Löcher des Blechs oder
durch die Maschen des Gewebes, um den Raum zwischen der Metallröhre
und der inneren Wand der Armatur auszufüllen, wobei auf
beiden Oberflächen der Metallröhre sich Schichten
von konstanter Dicke bilden. Der Kunststoff fließt ebenso
zu den Enden der zylindrischen Anordnung, wodurch (im Normalfall
der Anordnung) beide Stirnseiten 16 der Armatur 10 bedeckt
werden. Zur Erhöhung der Haftung des Kunststoffs auf der
oder den Stirnseite(n) sind in den Flanschen 12 Ringnute 13,
insbesondere mit Schwalbenschwanzquerschnitt ausgebildet, wohinein
der Kunststoff ebenfalls eingepresst wird.
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Die
Wahl des Kunststoffs hängt vornehmlich von der Verwendung
der Armatur ab. Vorzugsweise wird korrosionsfestes und temperaturstabiles
Auskleidungsmaterial gewählt. Besonders geeignet sind Fluorthermoplaste,
Fluorpolymere, Hochdruckpolyethylen, Polypropylen, Teflon (z. B.
PFA, PTFE, HDPE, PP, PVDF). Insbesondere in einer Armatur für
einen elektromagnetischen Durchflussmesser muss der Kunststoff elektrisch
hoch isolierende Eigenschaft aufweisen.
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Bei
einer Ausbildung einer Armatur als Durchflussmessrohr eines elektromagnetischen Durchflussmessers
werden Elektroden eingesetzt, um das elektrische Potential des durchströmenden Mediums
zu erfassen. Solche Elektroden sind in der Figur nicht dargestellt.
Dem Fachmann sind Ausbildung und Verwendung der Elektroden und Herstellung
eines Durchflussmessrohrs hinlänglich bekannt, so dass
an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden
muss. Beispielsweise muss berücksichtigt werden, dass in
der Metallröhre noch weiteren Öffnungen vorhanden
sind, die für den Durchtritt der Elektroden vorzusehen
sind.
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Die
Erfindung ist einsetzbar für alle gängigen Dimensionen
von Armaturen, beispielsweise für Armaturen mit Flansch-Nenndurchmessern
von DN 50 bis DN 500 mm. Die Verhältnisse von Innendurchmesser
D3 der Armatur zum Durchmesser D2 der Metallröhre und zum
Innendurchmesser D1 der Auskleidung sind in der Figur angedeutet,
jedoch nicht maßstabsgerecht eingezeichnet.
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- 10
- Durchflussarmatur
- 12
- Flansch
- 13
- Nut
- 14
- Kunststoffauskleidung
- 16
- stirnseitige
Beschichtung
- 20
- Metallröhre
- 22
- Aufweitung
(kleinflächig)
- 24
- Wulst
(linienförmig)
- 26
- Befestigungspunkt
(Anschweißung)
- A
- Ausdehnung
(Breite) eines Wulstes 24 in Längsrichtung der
Armatur
- A'
- Ausdehnung
der Aufweitung
- D1
- Innendurchmesser
der Auskleidung 14/Durchflusskanal
- D2
- Durchmesser
der Metallröhre 20
- D3
- Innendurchmesser
Armatur 10
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5773723 [0002]
- - EP 0766069 B1 [0002, 0008, 0025]
- - WO 2006050766 A1 [0002]
- - GB 2402219 A [0002]