DE4217714A1

DE4217714A1 - Elektromagnetischer durchflussmesser

Info

Publication number: DE4217714A1
Application number: DE4217714A
Authority: DE
Inventors: Masatsugu Arai; Akiomi Kohno; Kazuaki Yokoi; Yuuji Yoshitomi; Yutaka Sakurai; Tamio Ishihara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2012-05-30
Also published as: DE4217714C2; JP2931931B2; JPH04351925A; US5307687A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Durchflußmesser des Typs, der ein Meßrohr, an dem Meßrohr ausgebil dete Elektroden, eine die Elektroden umgebende Magnetfeld-Erzeugungs einrichtung und ein Gehäuse hat, welches das Meßrohr, die Elektroden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem elektromagnetischen Durch flußmesser, der sich auszeichnet durch eine spezifische Gestalt des Meß rohrs, was eine Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beaufschlagung bewirkt, und eine neuartige Konstruktion des Elektroden abschnitts, was eine äußerst gute Gasdichtheit liefert.

Ein elektromagnetischer Durchflußmesser ist eine Vorrichtung, in welcher ein Magnetfeld senkrecht an ein leitendes Fluid angelegt wird, das in einem Meßrohr fließt, so daß ein elektrischer Strom induziert wird, wobei die Strömungsrate des Fluids durch Signale von Elektroden gemes sen wird, die den induzierten elektrischen Strom erfassen.

Wie in einer Zeitschrift MEASUREMENT AND CONTROL, Band 29, Nr. 9, Seiten 27-34 diskutiert, hat ein typischer herkömmlicher elek tromagnetischer Durchflußmesser ein Meßrohr, das aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem Material hergestellt ist und das an seiner Innenseite mit einem isolierenden Beschichtungsmaterial beschichtet ist, wie z. B. natürli chem Gummi, synthetischem Gummi oder einem fluorhaltigen Harz. In den letzten Jahren wurden auch Meßrohre weitgehend verwendet, die aus nichtleitenden Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid hergestellt sind (im folgenden als Al₂O₃ bezeichnet), um größere Widerstandsniveaus gegen Wärme, Korrosion und Abnützung zu erzielen. In dem bekannten Meß rohr aus rostfreiem Stahl werden Elektroden an dem Meßrohr befestigt, indem man die Elektroden in Löcher einführt, die in der Rohrwand ausgebildet sind, und sie dann mittels eines Klebstoffes fixiert, um Gas dichtheit zu erzielen. Wenn Al₂O₃ als das Rohrmaterial verwendet wird, werden dem Rohr zugeordnete Elektroden aus Platin gefertigt, das eine ausreichende Widerstandsfähigkeit sowohl gegen Hitze als auch Korrosion hat bei Temperaturen, bei denen Al₂O₃ passenderweise gesintert wird. Derartige Elektroden können gasdicht an dem Rohr befestigt werden z. B. durch ein Verfahren, welches in der Patentschrift WO 83/02 000 (PCT/EP82/00 097) offenbart ist, wobei Löcher gleichen Durchmessers wie die Elektroden in der Wand des Al₂O₃-Meßrohres vor dem Sintern ausgebildet werden, die Platinelektroden in die Löcher eingeführt werden und dann das Al₂O₃-Rohr und die Elektroden gesintert werden, wodurch sie integriert werden.

Diese bekannten elektromagnetischen Durchflußmesser wurden nicht entworfen unter ausreichender Berücksichtigung der Notwendigkeit, die Temperaturdifferenz zu verringern, die sich durch das strömende Fluid während der Messung zwischen der inneren und äußeren Oberfläche des Meßrohres aufbaut. Als eine Folge trifft man auf ein Risiko, daß das Keramikmeßrohr Risse bekommen kann aufgrund des Anlegens über mäßig starker thermischer Spannungen. Keramikmeßrohre konnten daher in Anlagen nicht verwendet werden, in denen große thermische Spannun gen an dem Meßrohr verursacht werden. Aus dem gleichen Grund blieb es Keramikmeßrohren versagt, in Gebieten verwendet zu werden, die schädliche Stoffe handhaben.

In dem Fall, wo die Meßrohre aus rostfreiem Stahl gefertigt sind, war es schwierig, die Gasdichtheit für eine lange Zeit aufrecht zu erhalten, weil die Elektroden an dem Meßrohr einfach durch einen Klebstoff befestigt sind. Andererseits, in dem Fall eines Keramikmeßrohres, in dem die Elektroden durch ein Aufschrumpfen aufgrund eines Schrumpfen des Rohres nach dem Sintern gehalten werden, wird eine unzulässig hohe thermische Spannung in den Abschnitten des Keramikmeßrohres erzeugt, welche die Elektroden halten, was zu dem Ergebnis führt, daß die Festigkeit des Keramikmeßrohres beeinträchtigt wird. Weiterhin verursacht jeglicher Defekt in der Grenze zwischen dem Meßrohr und der Elek trode eine Verringerung in der Gasdichtheit. Es sollte auch bemerkt werden, daß das Keramikmeßrohr nicht für eine Verwendung in einer Umgebung bereitstehen kann, wo Wärmezyklen an das Rohr angelegt werden, da eine Wiederholung der Wärmezyklen in ungewünschter Weise die Aufschrumpfungskraft verringert, mit der die Elektroden gehalten werden, was zu dem Ergebnis führt, daß die Gasdichtheit nach nicht allzu langer Zeit verloren geht.

Entsprechend ist es ein Ziel der vor liegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Durchflußmesser bereit zu stellen, in welchem eine in dem Meßrohr verursachte thermische Span nung aufgrund der Wärme des in dem Rohr fließenden Fluids minimiert wird, um die Dauerhaftigkeit zu verbessern.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektromagneti schen Durchflußmesser bereit zu stellen mit einer Elektrodenmontier struktur, die eine verbesserte Gasdichtheit aufweist.

Zu diesen Zwecken wird gemäß der Erfindung ein elektromagnetischer Durchflußmesser bereit gestellt zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein aus Keramik gefertigtes und einen Fluid durchtritt darin für das Fluid definierendes Meßrohr, Elektroden mit Enden, die dem Innenraum des Meßrohres durch Löcher exponiert sind, die in der Wand des Meßrohres ausgebildet sind, eine um die Elek troden angeordnete Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elektroden und die Magnetfeld-Erzeugungs vorrichtung umschließt, wobei die Verbesserung aufweist, daß das Ver hältnis t/R zwischen der Wanddicke t und dem mittleren Radius R des Meßrohrs derart bestimmt ist, daß die in dem Meßrohr erzeugte resultie rende Spannung durch den Druck und die Wärme von dem Fluid in dem Meßrohr nicht die Bruchspannung des Meßrohrs übersteigt.

Vorzugsweise fällt der Wert des Verhältnisses t/R in den Bereich zwi schen 0,1 und 0,2.

Das Meßrohr kann an seinen beiden axialen Enden Flansche haben, wobei die radiale Höhe des Flansches von der äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als die Wanddicke des Rohrs, wenn das Rohr aus Al₂O₃ gefertigt ist, und nicht größer als ein Wert dreimal so groß wie die Rohrwanddicke, wenn das Rohr aus Siliziumnitrit (im folgenden als Si₃N₄ bezeichnet) gefertigt ist.

Das Meßrohr kann aus Si₃N₄ oder einem Ingenieurkunststoff mit über legener Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Beaufschlagung gefertigt sein, wobei das Meßrohr einem höheren Niveau von thermischer Spannung widerstehen kann, wodurch sich eine verbesserte Zuverlässigkeit zeigt.

Die thermische Spannung, welche in dem Meßrohr durch die Tempera turdifferenz zwischen der inneren und äußeren Oberfläche des Meßrohres verursacht wird, kann auch mittels einer Heizvorrichtung verringert werden, die an der äußeren Oberfläche des Meßrohres oder in der Meßrohrwand eingebettet bereitgestellt ist.

Ein hoher Grad von Gasdichtheit in den Gebieten um die Elektroden herum kann erreicht werden, indem man Ni oder eine Ni-Legierung als das Elektrodenmaterial verwendet und die Elektroden in Durchgangs löchern durch Druck einpaßt, welche in der Wand des Meßrohres ausge bildet sind, oder durch ein Verbinden, z. B. durch Löten.

Dadurch wird gemäß der Erfindung das Verhältnis t/R zwischen der Wanddicke und dem mittleren Radius R des Meßrohres derart bestimmt, daß die resultierende Spannung, die in dem Meßrohr durch die Wärme und Druck von dem Fluid in dem Meßrohr erzeugt wird, nicht die Bruchspannung des Meßrohres überschreitet. Daher zeigt das Meßrohr ein hohes Niveau an Steifheit, um jeglicher Kraft zu widerstehen, die durch den Druck des darin strömenden Fluids erzeugt wird, und kann mit verbesserter Zuverlässigkeit arbeiten, da das Niveau der thermischen Spannung gesenkt ist.

Wenn Flansche an beiden axialen Enden des Meßrohrs bereitgestellt sind, werden die Festigkeit und Zuverlässigkeit des Meßrohres sicherge stellt, indem man eine Konzentration von thermischer Spannung an den Basisabschnitten der Flansche eliminiert kraft der Tatsache, daß die radiale Höhe des Flansches von der äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als die Wanddicke des Rohres, wenn das Rohr aus Al₂O₃ gefertigt ist, und nicht größer als ein Wert dreimal so groß wie die Rohrwanddicke, wenn das Rohr aus Si₃N₄ gefertigt ist.

Die Verwendung von Si₃N₄ oder Ingenieurkunststoff mit einer überlege nen Widerstandsfähigkeit gegen thermische Beaufschlagung erlaubt, wenn es als das Material des Meßrohres verwendet wird, daß das Meßrohr größeren thermischen Spannungen widersteht, wodurch auch zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Meßrohres beigetragen wird, was den Durchflußmesser für Messungen von Fluiden höherer Temperaturen anpaßt.

Wenn das Meßrohr mit einer Heizvorrichtung an der äußeren Oberfläche oder in deren Wand eingebettet versehen ist, ist es möglich, die Tempe raturdifferenz zwischen der inneren und äußeren Oberfläche des Meßroh res zu verringern. Folglich wird die in dem Meßrohr erzeugte thermische Spannung verringert, selbst wenn ein Fluid einer hohen Temperatur schlagartig in das Meßrohr eingeführt wird. Folglich werden die Festigkeit und die Zuverlässigkeit des Meßrohres besonders verbessert, wenn das Meßrohr eine große Änderung der internen Fluidtemperatur erfährt. Dies ermöglicht es, den Durchflußmesser in Anlagen zu verwenden, die Fluide hoher Temperaturen handhaben.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden aus Ni oder einer Ni-Legierung gefertigt und sind an dem Meßrohr befestigt, indem sie durch Druck in Löcher eingepaßt werden, die in der Wand des Meßrohrs ausgebildet sind, oder durch ein Verbinden. Folglich sind die Elektroden an dem Meßrohr mit hochgradiger Gasdichtheit befestigt. Wenn die Elektroden durch eine Verbindung befestigt werden, wird die Erzeugung von übermäßiger Spannung in dem Meßrohr verhin dert.

Das obige und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, wenn man sie in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung liest.

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht des ersten Ausführungsbeispiels des elektromagnetischen Durchflußmessers der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A und 2B sind Schnittansichten eines Meßrohres, welches in dem ersten Ausführungsbeispiel eingebaut ist;

Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem t/R-Faktor des Meßrohres und in dem Rohr auftretender Spannung zeigt;

Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Höhe h des Flansches des Meßrohres und dem normalisierten Spannungsverhältnis K zeigt;

Fig. 5 ist eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels, die ins besondere den Befestigungszustand einer Elektrode darstellt; und

Fig. 6 ist eine Rohranordnung in einer Lebensmittelherstellungsanlage, die den elektromagnetischen Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung verwendet.

Elektromagnetische Durchflußmesser als bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf Fig. 1 bis 6 sowie auf Tabelle 1 beschrieben. Fig. 1 ist eine partiell unterteilte Perspektiv ansicht des elektromagnetischen Durchflußmessers als dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, während die Fig. 2A eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Abschnitts eines Durchflußmessers mit einer Erregerspule ist, und zwar einer der üblichen Fälle, aufgenommen entlang einer Ebene senkrecht zu der Achse des zylindrischen Abschnitts und Fig. 2B eine axiale Schnittansicht des selben Abschnitts aufgenommen entlang der Linie A-O-A ist.

Der elektromagnetische Durchflußmesser dieses Ausführungsbeispiels hat so ein im wesentlichen zylindrisches Meßrohr 1, welches darin einen Durch tritt durch ein Fluid festlegt, ein Paar von Elektroden 3 mit Enden, die dem Innenraum des Rohres durch Löcher exponiert sind, die in der Wand des Meßrohres 1 ausgebildet sind, eine die Elektrode umgebende und als ein Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt dienende Erregerspule 2, seinen die Erregerspule 2 abdeckenden Kern 21, ein Gehäuse 4, welches das Meßrohr 1, die Elektroden 3, die Erregerspule 2 und den Kern 21 beherbergt, und einen Anschlußkasten 5, durch den Signale von den Elektroden 3 an einen Wandler 6 geliefert werden. Die Erregerspule 2 als der Magnetfeld-Erzeugungsabschnitt legt ein Magnetfeld an das in dem Meßrohr fließende Fluid an, während das Paar von Elektroden 3 eine elektromotorische Kraft durch das Fluid unter dem Einfluß des Magnetfeldes erfaßt.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Meßrohr 1 aus Si₃N₄ gefertigt. Ein Flansch einer Höhe h ist an der äußeren Peripherie jedes longitudinalen Endes des Meßrohres 1 ausgebildet. Der Flansch ist im wesentlichen bündig mit einem dickwandigen Abschnitt (Dicke t) jeder Endoberfläche des Meßrohres 1. Diese bündigen Oberflächen sind senkrecht zu der longitudinalen Achse des Meßrohres 1.

Das Meßrohr 1 ist so entworfen, daß das Verhältnis t/R zwischen der Dicke t und dem mittleren Radius R, der der halbe mittlere Durch messer Dr des äußeren und inneren Hauptdurchmessers D und d ist, in den Bereich zwischen 0,1 und 0,2 fällt. Die Flanschhöhe h ist zu 2t bestimmt. Somit sind der mittlere Durchmesser Dr, der mittlere Radius R und die Wanddicke t bestimmt, um die folgenden Bedingungen zu erfüllen:

Dr = (D+d)/2
R = Dr/2
t = (D-d)/2

Wie in Fig. 2B gezeigt, ist eine Heizvorrichtung 33 angeordnet, um das Meßrohr 1 zu umgeben, so daß das Meßrohr 1 auf eine im wesentlichen gleiche Temperatur wie die des in dem Meßrohr 1 fließenden Fluids erwärmt wird.

Fig. 5 veranschaulicht die Art und Weise, auf die die Elektroden 3 montiert sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Durchgangs löcher von 1,55 mm Durchmesser in der Wand des Meßrohres 1 ausge bildet, und zwar im wesentlichen in der longitudinalen (axialen) Mitte des Rohres. Jedes Durchgangsloch nimmt die Elektrode 3 auf, die in diesem Fall aus rostfreiem Stahl SUS 316 von 1,55 mm Durchmesser gefertigt und an ihrer Oberfläche mit einer Ni-P-Überzugsschicht 7 von 20 µm Dicke überzogen ist, so daß das Ende der Elektrode 3 der inneren peripheren Oberfläche des Meßrohres 1 exponiert ist. Das Meß rohr 1 mit den daran befestigten Elektroden 3 wurde in einem Heizofen, in dem das Vakuum einen Grad von 10^-3 Pa erreicht, auf 900°C er wärmt, so daß die Elektroden 3 fest an dem Meßrohr 1 befestigt sind. Das Meßrohr 1 mit den so daran fixierten Elektroden 3 wurde einer Untersuchung der Gasdichtheit unterworfen, die durchgeführt wurde unter Verwendung eines He-Leckdetektors. Der Betrag des ausgetretenen Gases zwar kleiner als der minimale Betrag (10^-10 Torr × l/s), der durch den He-Leckdetektor aufspürbar ist, wodurch sich das Meßrohr als in hohem Grade gasdicht erweist. Das Meßrohr wurde auch einem thermischen Zyklustest unterworfen, bei dem 100 Wärmezyklen an das Meßrohr 1 angelegt wurden, die jeweils ein Erwärmen von 20°C auf 180°C und ein Abkühlen von 180°C auf 20°C beinhalten. Es wurde keine Ver ringerung der Gasdichtheit beobachtet, selbst nach Anlegen von 100 Wärmezyklen.

Bezugnehmend auf Fig. 2A und 2B ist der elektromagnetische Durch flußmesser von dem beschriebenen Typ in einer verfahrenstechnischen Leitung 24 eingebaut. Insbesondere sind beide axiale Enden des Durch flußmessers mit Flanschen 26 an die Endoberflächen gegenüberliegender Segmente des Rohrs 24 über Dichtungen 20 und Erdringe 22 mit Hilfe von Bolzen 23 verbunden.

Der zuvor erwähnte bevorzugte Wert des Verhältnisses zwischen der Dicke t und dem mittleren Radius R wurde bestimmt auf der Grundlage von Ergebnissen einer FEM-Analyse und einer Messung der Spannung des Meßrohrs 1. Der Grund für die Bestimmung des bevorzugten Be reichs dieses Verhältnisses wird erklärt unter Bezugnahme auf Fig. 3, in der die Abszissenachse das Verhältnis t/R darstellt, während die Ordinatenachse die in dem Meßrohr erzeugte Spannung a anzeigt. In Fig. 3 zeigt eine Kurve 31 die Beziehung zwischen dem Verhältnis t/R eines Al₂O₃-Meßrohres mit Innen- und Außendurchmessern d und D von 50 mm und 75 mm und einer in dem Meßrohr verursachten Umfangs spannung, wie sie beobachtet wird, wenn ein innerer Druck von 0,4 kgf/mm² an das Meßrohr 1 angelegt wird. Die Kurven 32A und 32B zeigen jeweils die Beziehungen zwischen dem Verhältnis t/R und den maximalen axialen - und Umfangsspannungen, wie sie beobachtet werden, - wenn ein Fluid der Temperatur 180°C und einem Druck von 0,4 kgf/ mm² bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s in Meßrohren fließt, die einen Innendurchmesser von 50 mm und 75 mm haben, und die auf 20°C gehalten werden. Aus dieser Figur sieht man, daß die axiale- und Umfangsspannung in dem Meßrohr 1 drastisch ansteigt, wenn das Ver hältnis t/R 0,2 überschreitet. Man versteht auch, daß die Umfangsspan nung schnell ansteigt aufgrund des Innendrucks, wenn das Verhältnis t/R unterhalb 0,1 liegt. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Meßrohr 1 aufgrund von thermischer Spannung Risse bekommen, wenn das Verhält nis t/R 0,2 überschritt, und das Meßrohr zerbrach durch den inneren Druck, wenn das Verhältnis unterhalb 0,1 war. Der Riß aufgrund thermi scher Spannung erschien typischerweise in der radialen Richtung in dem Gebiet in der Nähe des Flansches an der Fluideinlaßseite des Rohrs, während der Riß aufgrund des Druckes typischerweise axial in dem dickwandigen Teil (t) des Meßrohres auftrat. Es wurde bestätigt, daß sich kein Riß bildet, so daß die Messung stabil durchgeführt werden kann, wenn das Verhältnis t/R des Meßrohres 1 in dem Bereich von 0,1 bis 0,2 liegt. Ein ähnliches Experiment wurde durchgeführt, indem man ein Meßrohr 1 aus Al₂O₃ verwendete mit einem Innendurchmesser von 100 mm und einem Verhältnis t/R von 0,1. Auch in diesem Fall wurde keine Rißbildung des Rohres 1 gefunden, was sicherstellt, daß die Mes sung sicher durchgeführt werden kann. Somit bietet der elektromagneti sche Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung eine bemerkenswerte Verbesserung sowohl der Festigkeit als auch Zuverlässigkeit.

Fig. 4 ist ein Graph, der die Beziehung zeigt zwischen der Flanschhöhe h und dem normalisierten Spannungsverhältnis K (Verhältnis von thermi scher Spannung zu Bruchspannung), wie man es in einem zweiten Aus führungsbeispiel des elektromagnetischen Durchflußmessers der vorliegen den Erfindung beobachtet hat. Insbesondere zeigt eine Kurve 41 die oben erwähnte Beziehung zwischen der Flanschhöhe h und dem normali sierten Spannungsverhältnis K, und zwar beobachtet in Meßrohren 1 aus Al₂O₃ mit Durchmessern D von 60 mm und 80 mm und Dicken d von 5 mm und 6,5 mm. In ähnlicher Weise zeigt eine Kurve 42 die oben erwähnte Beziehung und zwar wie man sie beobachtet mit Meßrohren 1 aus Si₃N₄ mit Durchmessern D von 60 mm und 80 mm und Dicken t von 5 mm und 6,5 mm. Diese Kurven wurden erzielt, indem man Werte plottete, die berechnet wurden durch ein FEM-Analyseverfahren im nichtstationären Zustand, unter einer Annahme, daß ein Fluid mit Tem peratur 180°C und Druck 0,4 kgf/mm² bei einer Geschwindigkeit von 2 m/s in dem Meßrohr 1 strömte, während letzteres auf einer Tempera tur von 20°C gehalten wurde. Die Kurven 41 und 42 zeigen jeweils, daß unter der Voraussetzung, daß das gleiche Meßrohrmaterial verwendet wird, die Beziehung zwischen der Flanschhöhe h, ausgedrückt als ein Vielfaches der Dicke t, und dem normalisierten Spannungsverhältnis K im wesentlichen die gleiche ist unabhängig jeglicher Differenz des Rohr durchmessers und der Dicke. Aus Fig. 4 versteht man, daß ein Bruch des Rohres nicht auftritt, wenn die Flanschhöhe h des aus Al₂O₃ gefer tigten Meßrohres 1 unterhalb der Wanddicke t liegt. Man versteht auch, daß im Falle des aus Si₃N₄ gefertigten Meßrohres 1 das Rohr ohne Risiko eines Bruches verwendet werden kann, wenn die Flanschhöhe h nicht größer ist als 3t.

Mit diesem Wissen wurden Testmeßrohre jeweils aus Al₂O₃ und Si₃N₄ vorbereitet, bei denen die Flanschhöhe h in dem Fall der Al₂O₃-Rohre zwischen 0,5 t und 1,5 t variiert wurde und in dem Fall der Si₃N₄-Rohre zwischen 1t und 4t variiert wurde. Die Meßrohre wurden einem Test unterworfen unter den zuvor erwähnten FEM-Analysebedingungen. Al₂O₃ Meßrohre 1 mit Flanschhöhen h nicht kleiner als t brachen, wobei Al₂O₃-Meßrohre 1 mit kleinerer Flanschhöhe sicher verwendet werden konnten. In dem Fall, wo die Meßrohre 1 aus Si₃N₄ gefertigt sind, wurde ein Bruch beobachtet, wenn die Flanschhöhen h 3t überschritten, aber kein Bruch wurde gefunden, wenn die Flanschhöhen 3t waren oder weniger. Man versteht somit, daß die Festigkeit und Zuverlässigkeit des elektromagnetischen Durchflußmessers verbessert sind, um eine sichere und stabile Messung zu gewährleisten, wenn die Flanschhöhen h nicht größer sind als t bzw. 3t, wenn Al₂O₃ bzw. Si₃N₄ als Material des Meßrohres 1 verwendet werden.

Es wird nun eine Beschreibung eines dritten Ausführungsbeispiels gege ben. Elektromagnetische Durchflußmesser mit Meßrohren 1 aus Si₃N₄ wurden einem Experiment unterworfen, welches durchgeführt wurde mit dem Ziel der Untersuchung der thermischen Beaufschlagungswiderstands fähigkeit des Meßrohres. Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Meßrohre hatten einen Durchmesser D von 60 mm und eine Wanddicke t von 5 mm. Das Verhältnis t/R war 0,18. Im Gegensatz zu den Meß rohren in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen hatten die Meßrohre in dem dritten Ausführungsbeispiel keine Flansche an beiden axialen Enden. Dadurch hatte das Meßrohr 1 eine konstante Querschnittsgestalt über seine gesamte Länge. Das Meßrohr aus Si₃N₄ wurde gleichförmig auf 220°C erwärmt und Wasser von 20°C wurde durch dieses Rohr 1 zirkuliert. Die gesamte Oberfläche des Meßrohres 1 wurde untersucht, aber kein Riß wurde gefunden. Meßrohre der gleichen Größe und Konfiguration wie die der oben erwähnten Si₃N₄-Meßrohre wurden aus Al₂O₃ vorbereitet und unter den gleichen Bedingungen wie oben getestet. In diesem Fall wurden Risse in dem Meßrohr 1 erzeugt. Dies läßt sich auf die Tatsachen zurückführen, daß Si₃N₄ im Vergleich mit Al₂O₃ kleinere Werte des linearen Expansionskoeffizienten und longitudinalen Elastizitätsmoduls aufweist und daß daraus eine kleinere thermische Spannung resultiert, obwohl die Biegefestigkeit größer ist, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Somit ist es möglich, einen hochzuverlässigen elektromagnetischen Durch flußmesser zu erhalten, unter Verwendung von Si₃N₄ als dem Material des Meßrohres, welches derartige Eigenschaften hat, daß die in dem Meßrohr 1 auftretende thermische Spannung verringert wird sowie eine hohe Festigkeit. Ein ähnlicher Vorteil kann auch erzielt werden, wenn das Meßrohr 1 aus einem Material, wie z. B. ZrO₂ oder Ingenieurkunst stoff gefertigt ist.

Nun wird eine Beschreibung eines vierten Ausführungsbeispiels gegeben. Das vierte Ausführungsbeispiel verwendet ein Meßrohr 1 aus Si₃N₄ mit der gleichen Konfiguration wie das in dem dritten Ausführungsbeispiel verwendete. Das vierte Ausführungsbeispiel des Durchflußmessers der vorliegenden Erfindung wurde erzeugt durch Vorbereiten eines Rohstücks des Si₃N₄-Meßrohres, Ausbilden von Durchgangslöchern mit 1,5 mm Durchmesser, um die Rohrwand im wesentlichen an dem axialen oder longitudinalen Mittelabschnitt des Rohrrohstücks zu durchdringen, Ein fügen von aus Si-Stahl gefertigten Elektroden 3 mit einem Durchmesser von 1,5 mm in die Durchgangslöcher und Erwärmen des Rohrrohstücks zusammen mit den Elektroden 3 in einem Ofen auf 850°C für 10 Minuten unter einem verringerten Druck von 10^-3 Pa, wodurch die Elektroden 3 mit dem Rohr 1 integriert wurden. Um die Gasdichtheit des so hergestellten Meßrohres zu bestätigen, wurde ein Lecktest mittels eines He-Leckdetektors durchgeführt. Ein Betrag des Lecks war unterhalb dem minimalen Betrag (10^-10 Torr × l/s), der durch den He-Leckdetektor aufspürbar ist, wodurch ein hoher Grad an Gasdichtheit angezeigt wird. Die mit dem Fluid kontaktierbaren Abschnitte der Elektroden 3 können durch ein passendes Material beschichtet werden, um die Korrosions beständigkeit der Elektroden 3 zu verbessern.

Es ist auch möglich, jede Elektrode 3 aus zwei Teilen zusammenzuset zen: An dem ersten Teil, der mit dem Fluid nicht in Berührung kommt und der an dem Meßrohr 1 auf die gleiche Art wie in dem ersten oder fünften noch später zu beschreibenden Ausführungsbeispiel befestigt ist, und einem zweiten mit dem Fluid kontaktierbaren und aus einem korro sionsbeständigen Material gefertigten Teil, welches mit dem ersten Teil durch z. B. eine Einpassung durch Druck passend verbunden ist. Obwohl Ni-Stahl als das Elektrodenmaterial in diesem Ausführungsbeispiel ver wendet wird, diente dies nur der Veranschaulichung, und die Elektrode kann aus einem anderen Material als dem Nickelstahl, z. B. Nickel, einer von dem Nickelstahl unterschiedlichen Nickellegierung oder einem mit Nickel überzogenen metallischen Material ausgebildet werden. Es ist auch möglich, die Elektroden an das Meßrohr durch Löten zu befestigen. Wenn die Elektroden durch Löten befestigt werden, wird vorzugsweise eine metallische Schicht auf den zusammengefügten Oberflächen jedes Durchgangslochs zum Aufnehmen der Elektrode ausgebildet, und zwar durch Flammsprühen oder Dampfablagerung eines Metalls.

Das fünfte Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Durchflußmessers der vorliegenden Erfindung verwendet ein Meßrohr 1 der gleichen Kon figuration wie das in dem dritten Ausführungsbeispiel und aus Si₃N₄. In dem fünften Ausführungsbeispiel wurden die im wesentlichen bei dem axialen Mittelabschnitt des Meßrohrrohstücks ausgebildeten Durchgangs löcher von 1,5 mm Durchmesser zuerst mit Sialonpulver beaufschlagt, das elektrisch leitend ist, und das Meßrohrrohstück wurde auf 1750°C in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt, so daß das Sialon mit dem Rohrroh stück zusammengesintert wurde, um mit ihm einstückig zu werden. Nach dem Sintern wurde eine Lötmasse vom Ti-Cu-Ag-Typ auf die Oberfläche des Sialon aufgebracht, gefolgt durch ein Erwärmen in einem Ofen auf 900°C. Daraufhin wurde Leitungsdraht an die Ti-Cu-Ag-Lötoberfläche angelötet, wodurch die Elektrode gebildet wurde. Eine Austrittsmenge wurde auf die gleiche Art wie zuvor beschrieben unter Verwendung eines He-Leckprüfers gemessen. Der Umfang des Austritts war unter dem minimalen durch den He-Leckprüfer aufspürbaren Wert, wodurch ein hoher Grad an Gasdichtheit nachgewiesen wird.

In den im vorigen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Ende jeder Elektrode 3 dem Innenraum des Meßrohres 1 exponiert. Dies ist jedoch nicht ausschließlich, und das Durchgangsloch zum Aufnehmen einer Elektrode kann durch ein Blindloch ersetzt werden, das bei der halben Dicke der Meßrohrwand endet. In einem solchen Fall wird das Ende der Elektrode innerhalb der Dicke der Meßrohrwand positioniert anstatt dem Innenraum des Meßrohres exponiert zu werden. Es ist sogar möglich, jede Elektrode an der äußeren Oberfläche der Meßrohrwand bereitzustellen, ohne daß man irgendein in der Meßrohrwand ausgebil detes Loch benötigt. Es ist offensichtlich, daß die Eliminierung von Durchgangslöchern einen Austritt des inneren Fluids von den Bereichen um die Elektroden herum verringert oder vollständig vermeidet, wodurch ein höherer Grad an Zuverlässigkeit des Durchflußmessers geboten wird.

Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des elektromagnetischen Durchflußmessers der vorliegenden Erfindung. Dieser Durchflußmesser hat ein Meßrohr 1 aus Si₃N₄ mit einem Durchmesser D von 60 mm und einer Wanddicke t von 5 mm, wobei das Verhältnis t/R auf 0,18 einge stellt ist, mit Elektroden 3, die daran durch das gleiche Verfahren wie in dem ersten Ausführungsbeispiel befestigt sind. Der so gebildete elek tromagnetische Durchflußmesser, allgemein durch 10 bezeichnet, ist in einem Rohr einer Produktionsleitung einer Lebensmittelherstellungsanlage angeschlossen. Die Anlage hat einen Tank 8, der ein Lebensmittel in Form einer wäßrigen Lösung beinhaltet, eine an den Tank 8 angeschlos sene Pumpe 9, die angepaßt ist, um das Lebensmittel zu einer Leitung 13 zu pumpen, wobei der elektromagnetische Durchflußmesser 10 in einen Abschnitt der Leitung 13 eingefügt und angepaßt ist zum Messen der Strömungsrate des Lebensmittels in der Leitung 13, wobei ein Kessel 12 in dem Abschnitt der Leitung zwischen der Pumpe 9 und dem Durchflußmesser 10 angeschlossen und angepaßt ist zum Zuführen von Sterilisationsdampf in die Leitung, und ein Ventil 11 mit einer Leitung angeordnet ist, durch das der Kessel 12 mit der Leitung 13 verbunden ist. Somit werden das Lebensmittel in Form eines Fluids normaler Temperatur und der Sterilisierungsdampf mit einer Temperatur von 180°C und einem Druck von 0,4 kgf/mm² abwechselnd dem elektromagneti schen Durchflußmesser 10 der Erfindung zugeführt. Es wurde bestätigt, daß der Durchflußmesser 10 die Strömungsrate mit einer hochgradigen Genauigkeit messen kann ohne jegliche Rißbildung des Meßrohres 1 und ohne eine Verringerung der Gasdichtheit aufgrund eines Lecks durch die Elektrodenabschnitte zu erleiden selbst unter solchen Benützungsbedingun gen. Der elektromagnetische Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung kann nicht nur in der beschriebenen Lebensmittelherstellungsanlage verwendet werden, sondern auch in Anlagen eines anderen Typs, wie z. B. chemischen Anlagen, sowie Wasseraufbereitungs- oder Kläranlagen.

Obwohl Al₂O₃ und Si₃N₄ spezifisch als die Materialen des Meßrohres erwähnt wurden, sind diese Materialen nicht ausschließlich, und verschie dene andere Materialien wie z. B. SiC, Zirkonoxid und Sialon können gleichermaßen gut verwendet werden.

In dem ersten Ausführungsbeispiel wie beschrieben ist die Heizvorrich tung so angeordnet, daß sie das Meßrohr 1 umschließt. Die Heizvor richtung kann jedoch auf die innere Oberfläche des Rohstücks des Meßrohres 1 aufgebracht werden oder kann in die Wand des Meßrohres 1 während dem Sintern eingebettet werden, so daß sie mit dem Meßrohr 1 durch das Sintern integriert wird. Als das Material einer solchen Heizvorrichtung werden dünne Drähte aus Tantal in Betracht gezogen. Ein Positionieren der Heizvorrichtung innerhalb des Meßrohrs kann vorteilhaft jegliches Risiko physikalischer Interferenz zwischen der Heiz vorrichtung und der Erregerspule verhindern, was sonst auftreten könnte, wenn die Heizvorrichtung außerhalb des Meßrohres angeordnet ist.

Wie man aus der vorhergehenden Beschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung versteht, ist es möglich, thermische Spannung zu verringern, die in dem Meßrohr aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen der inneren und äußeren Oberfläche dieses Rohrs auftritt. Folglich werden die Festigkeit und Zuverlässigkeit des Meßrohres verbessert, um einen höheren Grad an Zuverlässigkeit des elektromagnetischen Durchflußmes sers anzubieten. Da weiterhin das Meßrohr aus einem Material gefertigt ist, welches eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen eine thermi sche Beaufschlagung hat, kann der elektromagnetische Durchflußmesser der vorliegenden Erfindung sicher und zuverlässig verwendet werden, selbst in den Fällen, wo eine schwere thermische Last an das Meßrohr angelegt wird.

Es sollte auch verstanden werden, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Elektroden mit dem Meßrohr einfach durch ein Einpassen durch Druck oder Verbinden angeschlossen werden können, ohne daß man dem Meßrohr eine exzessive Spannung verleiht, wodurch ein hoher Grad an Gasdichtheit in den Bereichen um die Elektroden herum garantiert wird, wodurch auch der Verbesserung der Zuverlässigkeit des Durchflußmessers beigetragen wird.

Claims

1. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr aus Keramik, welches einen Fluiddurchtritt darin für das Fluid festlegt; Elektroden mit Enden, die einem Innenraum des Meßrohres durch Löcher exponiert sind, welche in einer Wand des Meßrohres ausgebildet sind; eine um die Elektroden angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnet feldes; und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elektroden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt; wobei ein Verhält nis t/R zwischen einer Wanddicke t und einem mittleren Radius R des Meßrohres derart festgelegt ist, daß eine in dem Meßrohr durch das Fluid in dem Meßrohr erzeugte Spannung eine Bruchspannung des Meßrohres nicht überschreitet.

2. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr aus Keramik, welches einen Fluiddurchtritt darin für das Fluid festlegt; Elektroden mit Enden, die einem Innenraum des Meßrohres durch Löcher exponiert sind, welche in einer Wand des Meßrohres ausgebildet sind; eine um die Elektroden angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnet feldes; und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elektroden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt; wobei ein Verhält nis t/R zwischen einer Wanddicke t und einem mittleren Radius R des Meßrohres in einem Bereich von 0,1 bis 0,2 festgelegt ist.

3. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr aus Keramik, welches einen Fluiddurchtritt darin für das Fluid festlegt; Elektroden mit Enden, die innerhalb einer Dicke einer Wand des Meßrohres an geordnet sind; eine um die Elektroden angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes; und ein Gehäuse, welches das Meß rohr, die Elektroden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt; wobei ein Verhältnis t/R zwischen einer Wanddicke t und einem mittleren Radius R des Meßrohres in einem Bereich von 0,1 bis 0,2 festgelegt ist.

4. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr, welches einen Fluid durchtritt darin für das Fluid festlegt; an einer äußeren Oberfläche der Wand des Meßrohres bereitgestellte Elektroden; eine um die Elektroden angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnet feldes; und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elektroden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt; wobei ein Verhält nis t/R zwischen einer Wanddicke t und einem mittleren Radius R des Meßrohres in einem Bereich von 0,1 bis 0,2 festgelegt ist.

5. Elektromagnetischer Durchflußmesser gemäß Anspruch 1, wobei die Elektroden im wesentlichen an einem axialen Mittelabschnitt des Meßrohres angeordnet sind.

6. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 2, wobei die Elektroden im wesentlichen an einem axialen Mittelabschnitt des Meßrohres angeordnet sind.

7. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 3, wobei die Elektroden im wesentlichen an einem axialen Mittelabschnitt des Meßrohres angeordnet sind.

8. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 4, wobei die Elektroden im wesentlichen an einem Mittelabschnitt des Meßrohres angeordnet sind.

9. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 1, wobei das Meßrohr aus Al₂O₃ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, die eine Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres haben, die nicht größer ist als eine Wanddicke des Meßrohres.

10. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 2, wobei das Meßrohr aus Al₂O₃ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als eine Wanddicke des Meßrohres.

11. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 3, wobei das Meßrohr aus Al₂O₃ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als eine Wanddicke des Meßrohres.

12. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 4, wobei das Meßrohr aus Al₂O₃ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als eine Wanddicke des Meßrohres.

13. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 1, wobei das Meßrohr aus Si₃N₄ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als ein Wert, der dreimal so groß ist wie die Wanddicke des Meßrohres.

14. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 2, wobei das Meßrohr aus Si₃N₄ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als ein Wert, der dreimal so groß ist wie die Wanddicke des Meßrohres.

15. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 3, wobei das Meßrohr aus Si₃N₄ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als ein Wert, der dreimal so groß ist wie die Wanddicke des Meßrohres.

16. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 4, wobei das Meßrohr aus Si₃N₄ gefertigt ist und an seinen beiden Enden mit Flanschen versehen ist, deren Höhe von einer äußeren Oberfläche des Meßrohres nicht größer ist als ein Wert, der dreimal so groß ist wie die Wanddicke des Meßrohres.

17. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr aus Keramik, welches einen Fluiddurchtritt darin für das Fluid bestimmt; Elektroden mit Enden, die einem Innenraum des Meßrohres durch Löcher exponiert sind, die in einer Wand des Meßrohres ausgebildet sind; eine um die Elektroden herum angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes; und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elek troden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt; wobei die Elektroden aus Ni- oder einer hauptsächlich aus Ni bestehenden Legierung gefertigt sind.

18. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr aus Keramik, welches einen Fluiddurchtritt für das Fluid darin festlegt; Elektroden mit Enden, die einem Innenraum des Meßrohres durch Löcher exponiert sind, welche in einer Wand des Meßrohres ausgebildet sind; eine um die Elektroden herum angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes; und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elek troden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umhüllt; wobei die Elektroden mit Ni überzogen sind.

19. Elektromagnetischer Durchflußmesser zum Messen der Strömungsrate eines Fluids, welcher aufweist: ein Meßrohr aus Keramik, welches einen Fluiddurchtritt für das Fluid darin festlegt; Elektroden mit Enden, die einem Innenraum des Meßrohres durch Löcher exponiert sind, welche in einer Wand des Meßrohres ausgebildet sind; eine um die Elektroden herum angeordnete Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes; und ein Gehäuse, welches das Meßrohr, die Elek troden und die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung umschließt; wobei die Elektroden aus leitendem Sialon gefertigt und mit dem Meßrohr zusammengesintert sind.

20. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 17, wobei das Material des Meßrohres aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, ZrO₂ und Sialon besteht.

21. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 18, wobei das Material des Meßrohres aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, ZrO₂ und Sialon besteht.

22. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 19, wobei das Material des Meßrohres aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Al₂O₃, Si₃N₄, SiC, ZrO₂ und Sialon besteht.

23. Elektromagnetischer Durchflußmesser nach Anspruch 2, wobei eine Heizvorrichtung in die Wand des Meßrohres einstückig mit dem Meßrohr gesintert wird.

24. Eine Anlage, welche aufweist: einen Tank zum Speichern einer wäßrigen Lösung, eine mit dem Tank verbundene Leitung, eine in der Leitung angeschlossene Pumpe, welche zum Pumpen der wäß rigen Lösung zu der Leitung angepaßt ist, und einen elektromagneti schen Durchflußmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 20, der in der Leitung angeschlossen ist.