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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Volumen- oder
Massestroms eines Mediums in einer Rohrleitung, mit einem Messrohr,
das von dem Medium in Richtung der Längsachse des Messrohres durchströmt wird,
mit einem Magnetsystem, das ein das Messrohr durchsetzendes, im
wesentlichen quer zur Längsachse
des Messrohres verlaufendes Magnetfeld erzeugt, mit zumindest zwei mit
dem Medium koppelnden Messelektroden, die in einem im wesentlichen
senkrecht zum Magnetfeld liegenden Bereich des Messrohres angeordnet
sind, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der in die
Messelektroden induzierten Messspannung Information über den
Volumen- oder Massestrom des Mediums in der Rohrleitung liefert.
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Magnetisch-induktive
Durchflussmessgeräte nutzen
für die
volumetrische Strömungsmessung
das Prinzip der elektrodynamischen Induktion aus: Senkrecht zu einem
Magnetfeld bewegte Ladungsträger des
Mediums induzieren in gleichfalls im wesentlichen senkrecht zur
Durchflussrichtung des Mediums und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes
angeordnete Messelektroden eine Messspannung. Die in die Messelektroden
induzierte Messspannung ist proportional zu der über den Querschnitt des Messrohres
gemittelten Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums; sie ist also proportional zum Volumenstrom. Ist die
Dichte des Mediums bekannt, lässt
sich der Massestrom in der Rohrleitung bzw. in dem Messrohr bestimmen.
Die Messspannung wird üblicherweise über ein
Messelektrodenpaar abgegriffen, das bezüglich der Koordinate entlang
der Messrohrachse in dem Bereich maximaler Magnetfeldstärke angeordnet
ist, also dort, wo die maximale Messspannung zu erwarten ist. Die
Messelektroden sind üblicherweise galvanisch
mit dem Medium gekoppelt; es sind jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit kapazitiv
koppelnden Messelektroden bekannt geworden.
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Das
Messrohr kann entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material,
z. B. Edelstahl, gefertigt sein, oder es besteht aus einem elektrisch
isolierenden Material. Ist das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material
gefertigt, so muss es in dem mit dem Medium in Kontakt kommenden
Bereich mit einem Liner aus einem elektrisch isolierenden Material
ausgekleidet sein. Der Liner besteht üblicherweise aus einem thermoplastischen,
einem duroplastischen oder einem elastomeren Kunststoff. Es sind
jedoch auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit einer
keramischen Auskleidung bekannt geworden.
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Die
Messelektroden sind neben dem Magnetsystem die wesentlichen Komponenten
eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts. Bei der Ausgestaltung und
Anordnung der Messelektroden ist darauf zu achten, dass sie sich
möglichst
einfach in dem Messrohr montieren lassen und dass nachfolgend im
Messbetrieb keine Dichtigkeitsprobleme auftreten; darüber hinaus
sollen sich die Messelektroden durch eine empfindliche und gleichzeitig
störungsarme
Messsignalerfassung auszeichnen. Bekannt geworden sind Stiftelektroden,
die sich von außen
an das Messrohr montieren lassen, oder Messelektroden mit einem
aufgeweiteten Elektrodenkopf, die von innen an dem Messrohr montiert
werden.
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Das
Magnetsystem wird von außen
an das Messrohr montiert und besteht im Normalfall aus zwei diametral
angeordneten Polschuhen, die jeweils eine Spulenanordnung tragen.
Die beiden Spulen werden über
eine Regel-/Auswerteeinheit
so bestromt, dass das Messrohr von einem periodisch alternierenden
Magnetfeld durchsetzt wird. Die Bestimmung des Volumen- oder Massestroms
erfolgt während
der Phasen, in denen das Magnetfeld einen zumindest näherungsweise
konstanten Wert annimmt. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen,
müssen
die beiden Elektromagnete sehr präzise und symmetrisch an dem
Messrohr positioniert werden. Eine korrekte Positionierung erweist
sich bei den bekannten Elektromagneten als relativ zeitaufwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
mit einfach und präzise
zu montierendem Magnetsystem bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass das Magnetsystem als zumindest ein Modul, bestehend aus einem
Spulenkern, einem Spulenkörper
und einer Spule, aufgebaut ist, dass das Modul einen mittleren Bereich
und zwei im montierten Zustand klemmend an der Außenwand
des Messrohres anliegende freie Endbereiche aufweist, und dass das
Modul so dimensioniert und ausgestaltet ist, dass es seitlich auf
das Messrohr aufsteckbar ist. Es versteht sich in diesem Zusammenhang,
dass die Form und Ausgestaltung des Moduls stark von der Form und
Ausgestaltung des Messrohrs abhängt.
Im Falle eines Messrohrs mit einem runden Innen- und Außenquerschnitt
hat das Modul beispielsweise eine U-Form. Es kann aber auch die
Form eines Kreisbogens aufweisen.
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In
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kommt bevorzugt die folgende
Ausgestaltung des Messrohrs zum Einsatz: Das Messrohr weist in den
beiden Endbereichen einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf, während der
mittlere Bereich, in dem das als Modul ausgestaltete Magnetsystem
angeordnet ist, näherungsweise
rechteckförmig
oder oval ausgestaltet ist. Hierbei kann sowohl der Innen- als auch
der Außenquerschnitt
des Messrohrs die rechteckförmige
oder ovale Form aufweisen. Sind an dem Außendurchmesser des Messrohres
zumindest zwei Seitenbereiche parallel zueinander ausgerichtet,
so ist eine einfache Montage des erfindungsgemäßen Moduls an der Außenwand
des Messrohres möglich.
Die Reduzierung des Innendurchmessers im mittleren Bereich des Messrohrs hat
den Vorteil, dass bei gleichem Erregersystem die Dichte der Magnetfeldlinien
im mittleren Bereich des Messrohres, wo auch die Messelektroden
angeordnet sind, größer ist.
Durch die U-förmige
Ausgestaltung des Magnetsystems wird darüber hinaus im mittleren Bereich
des Messrohres ein homogens Magnetfeld erzeugt.
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Wenn
das Messrohr die zuvor beschriebene Ausgestaltung aufweist, so ist
der Übergangsbereich zwischen
dem kreisförmigen
Innenquerschnitt des Messrohres und dem rechteckförmigen oder
ovalen Innenquerschnitt des Messrohres fließend oder stufenförmig ausgestaltet.
Es hat sich gezeigt, dass eine stufenförmige Anpassung der unterschiedlichen
Innenquerschnitte zu einem geringeren Druckverlust und folglich
zu einer besseren Reproduzierbarkeit der Messwerte führt.
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Insbesondere
bei parallel verlaufenden Außenflächen des
Messrohrs im mittleren Bereich des Messrohres kommt bevorzugt ein
U-förmig
ausgestaltetes Modul zum Einsatz, dessen freien Endbereiche als
Schenkel ausgebildet sind, die im montierten Zustand näherungsweise
in parallel zueinander angeordneten Ebenen angeordnet sind. Durch
eine geeignete Dimensionierung des Moduls lässt sich eine starre Verklemmung
des Moduls auf dem Messrohr erreichen. Um sicherzustellen, dass
das Modul bzw. die Module in einer definierte Position bzw. in definierten
Positionen an dem Messrohr befestigt ist bzw. sind, sind an der
Innenseite der freien Schenkel eines jeden Spulenkörpers und
an der entsprechenden kontaktierenden Außenflache des mittleren Bereichs des
Messrohrs geeignete Führungen
vorgesehen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Spule
im mittleren Bereich des Moduls angeordnet. Weiterhin ist vorgesehen,
dass die Spule im mittleren Bereich des Moduls und symmetrisch zu
dem mittleren Bereich des Moduls in den beiden benachbarten Bereichen der
beiden freien Endbereiche bzw. der Schenkel des Moduls angeordnet
ist.
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Im
Prinzip ist ein Modul zur Erzeugung des alternierenden, das Messrohr
durchsetzenden Magentfeldes völlig
ausreichend. Aus Symmetriegründen scheint
jedoch die Verwendung von zwei Modulen opportun.
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So
schlägt
eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass das Magnetsystem
aus zwei Modulen besteht, die aus gegenüberliegenden Richtungen seitlich
auf das Messrohr aufsteckbar sind. Weiterhin wird vorgeschlagen,
dass die beiden Module in korrespondierenden Endbereichen der freien
Schenkel einen Mechanismus aufweisen, über den die beiden Module nach
dem definierten Aufstecken auf das Messrohr miteinander verbindbar
sind. Bei dem Mechanismus handelt es sich im einfachsten Fall um
einen Schnapp- oder Clipsmechanismus. Die beiden Module sind bevorzugt
so ausgestaltet, dass sie über das
gleiche Werkzeug gefertigt werden.
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Die
Module bzw. das Modul und die Außenfläche des Messrohres, an der
die Module bzw. das Modul montiert werden, sind konstruktiv so aufeinander
abgestimmt, dass die Positionierung der Module bzw. des Moduls an
der Außenwand
des Messrohrs definiert und reproduzierbar erfolgt. Zur Erleichterung und
Sicherstellung der definierten Positionierung eines Moduls an dem
Messrohr sind an den entsprechenden Außenflächen des Messrohres und/oder
an den anliegenden Innenflächen
des seitlich aufsteckbaren Moduls Führungen vorgesehen.
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Im
Falle der Verwendung von zwei Messelektroden sind diese so in dem
Messrohr fixiert, dass sie im wesentlichen auf der radialen Verbindungslinie zwischen
der Längsachse
des Messrohrs und dem Symmetriemittelpunkt des auf das Messrohr
aufgesteckten Moduls bzw. der auf das Messrohr aufgesteckten Module
liegen. Darüber
hinaus wird vorgeschlagen, dass im Falle der Verwendung von zwei Modulen
jeweils ein Modul in gegenüberliegenden Seitenbereichen
des Messrohrs aufgesteckt ist, so dass die beiden Spulen im montierten
Zustand im wesentlichen symmetrisch zueinander am Messrohr angeordnet
sind. Durch die symmetrische Anordnung von Messelektroden und Magnetsystem
wird die Messperformance des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts erhöht, da sichergestellt
ist, dass die Messelektroden reproduzierbar an den Stellen des Messrohrs
montiert sind, an denen dies maximale Magnetfeldstärke zu erwarten
ist.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass der Spulenkern aus einem ferromagnetischen Material besteht,
und dass der Spulenkörper
aus einer dielektrischen Beschichtung besteht, die die Spule elektrisch von
dem Spulenkern und für
den Fall, dass das Messrohr aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht,
von dem Messrohr isoliert.
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Zwecks
korrekter hoch-symmetrische Positionierung der Spulen im mittleren
Bereich des Moduls ist jeweils in dem Bereich eines Schenkels, der
dem mittleren Bereich benachbart ist, eine Anschlagkante für die Spule
vorgesehen ist. Die beiden Anschlagkanten an den beiden Schenkeln
liegen auf einer Verbindungslinie, die senkrecht zu der Symmetrieachse eines
Moduls ausgerichtet ist.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts sieht
vor, dass das Messrohr aus Kunststoff, vorzugsweise aus Glasfaser
verstärktem
Polyamid oder Polypthalamid besteht. Durch diese Ausgestaltung lässt sich
der Herstellungsschritt, ein leitfähiges Messrohr mit einem nicht-leitfähigen Liner
auszukleiden, einsparen.
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Um
dem Messrohr insbesondere in dem eingeschnürten Bereich die notwendige
Stabilität
und Druckfestigkeit zu verleihen, sind an der Außenwand des Messrohres in Umfangsrichtung
und/oder in Längsrichtung
verlaufende Verstärkungsstege
vorgesehen, die so angeordnet und ausgestaltet sind, dass dieser
Bereich des Messrohres bis zu einem vorgegebenen Maximaldruck des
strömenden
Mediums druckfest ist. Um das Volumen des Innenraums des Messrohrs
zu minimieren, sieht eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung vor,
dass in das Messrohr ein inneres Rohr eingefügt ist. Bei dieser Ausgestaltung
genügt
es, wenn dieses innere Rohr einem gewünschten hohen Prozessdruck
standhält.
In diesem Fall hat die 'äußere Hülle eine
reine mechanische Schutzfunktion und/oder sie ist ein Trägerteil
für weitere
Komponenten des Durchflussmessgeräts, z. B. für eine Anzeigeeinheit oder
ein Batteriefach, usw.
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Weiterhin
wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen,
dass der elektrische Anschluss für
das Magnetsystem in einem Endbereich eines freien Schenkels des
Spulenkörpers
angeordnet ist. Weiterhin befindet sich an dem Spulenkörper auch
die elektrischen Verbindungsleitungen zu den Messelektroden. Über die Verbindungsleitungen
sind die Messelektroden und die Module mit der Regel-/Auswerteeinheit
bzw. mit dem Messumformer des Durchflussmessgeräts verbunden.
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Zum
Schutz der elektrischen Anschlüsse und
ggf. der Regel-/Auswerteeinheit ist zumindest eine Abdeckschale
vorgesehen, die zumindest den Bereich der elektrischen Anschlüsse und
ggf. die Regel-/Auswerteeinheit abdeckt.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Magnetsystems, bestehend
aus zwei Modulen,
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2:
eine Teil-Seitenansicht des in 1 gezeigten
Magnetsystems,
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2a:
eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Magnetsystem gemäß der Kennzeichnung A
in 2,
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3:
einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts mit einer
teilweisen Explosionsdarstellung,
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4:
eine perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts mit geöffneten
Abdeckschalen und
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5:
eine perspektivische Ansicht der in 4 gezeigten
Ausgestaltung mit geschlossenen Abdeckschalen.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Magnetsystems 6, 7.
In 2 ist eine Teil-Seitenansicht des in 1 gezeigten
Magnetsystems 6, 7 zu sehen. Das Magnetsystem
besteht aus zwei Modulen 6, 7, die sich bezüglich des in
den Figuren 1 und 2 nicht
gesondert dargestellten Messrohres symmetrisch gegenüberliegen.
Die beiden Module 6, 7 sind spiegelsymmetrisch ausgestaltet.
Im gezeigten Fall ist jedes der beiden Module 6, 7 U-förmig ausgestaltet:
es weist einen mittleren gebogenen Bereich 15 auf, an den
sich zwei freie Schenkeln 16a, 16b anschließen. Die
beiden freien Schenkel 16a, 16b eines Moduls 6, 7 sind
nach der Montage an dem Messrohr 2 im wesentlichen parallel
zueinander ausgerichtet; im nicht montierten Zustand sind die beiden
Schenkel um jeweils eine spitzen Winkel aus der paralllelen Lage
gedreht. Jedes Modul 6, 7 setzt sich zusammen
aus einem Spulenkern 12, einem Spulenkörper 13 und einer
Spule 14. Zwecks Minimierung der Wirbelströme besteht der
Spulenkern 12 bevorzugt aus einzelnen gegeneinander isolierten
Spulenblechen.
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Auf
dem Spulenkern 12 ist der Spulenkörper 13 angeordnet,
der die Spule 14 und ggf. das elektrisch leitfähige Messrohr 2 gegen
den Spulenkern 12 elektrisch isoliert. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der aus Kunststoff gefertigte Spulenkörper 13 als
ein- oder mehrteiliges Gebilde auf den Spulenkern 12 aufgesteckt.
Der Spulenkörper 13 der beiden
Module 6, 7, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten
des Messrohrs 2 aufsteckbar sind, sind so ausgestaltet,
dass sie mit ein und demselben Werkzeug hergestellt werden können. Neben
der elektrischen Isolierung zwischen der Spule 14 und dem Spulenkern 12 bzw.
zwischen der Spule und dem Messrohr 2 hat der Spulenkörper 13 die
Aufgabe, den Spulendraht der Spule 14 mechanisch vor den scharfen
Kanten des Spulenkerns 12 zu schützen. Der Spulenkörper 13 rundet
die scharfen Kanten des Spulenkerns 12 ab, so dass der
Spulendraht während
der Spulenwicklung an den Umlenkstellen nicht bricht.
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Weiterhin
ist an dem Spulenkörper 13 im
Bereich der Schenkel 16a, 16b jeweils eine Anschlagkante 22a, 22b vorgesehen, über die
die Spule 14 in einer gewünschten Position symmetrisch
zum mittleren Bereich 15 des Moduls 6; 7 fixiert
ist. Über
diese symmetrische Anordnung lässt
sich ein über
den Bereich des Messrohres 2 konstantes Magnetfeld realisieren,
was sich wiederum in einer guten Messperformance des Durchflussmessgeräts 1 niederschlägt. Weiterhin
dient der Spulenkörper 13 zur
elektrischen Isolierung und Führung
der elektrischen Verbindungsleitung und der elektrischen Anschlüsse 24a, 24b. Über die
an beiden Modulen 6, 7 vorgesehenen elektrischen
Anschlüsse 24a, 24b wird
die Regel-/Auswerteeinheit 8 mit den Spulen 14 verbunden. Weitere
an dem Spulenkörper 13 vorgesehene
elektrische Verbindungsleitungen und Kontakte verbinden die Messelektroden 4, 5 mit
der Regel-/Auswerteeinheit 8.
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In
den Endbereichen 21a, 21b der beiden freien Schenkel 16a, 16b sind
korrespondierende Komponenten eines Schnapp- oder Clipsmechanismus 26 angeordnet, über den
die beiden Module 6, 7 in einer starren Position
untereinander und mit dem Messrohr 2 verbunden sind. Der
Mechanismus 26 ist in der 2a im
Detail zu sehen. 2a zeigt eine Draufsicht auf
das aus zwei Modulen 6, 7 bestehende erfindungsgemäße Magnetsystem 6, 7 gemäß der Kennzeichnung
A in 2.
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3 zeigt
einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 mit
einem bereits an dem Messrohr 2 montierten Steckmodul 7 und
einem noch nicht an dem Messrohr 2 montierten Steckmodul 6.
Das Messrohr 2 ist im mittleren verjüngten Bereich 19 im
Querschnitt zu sehen. Der Querschnitt des Messrohrs 2 ist
im gezeigten Fall oval, wobei die beiden Außenflächen des Messrohres 2,
an denen die freien Schenkel 16a, 16b der beiden
Module 6, 7 anliegen, im wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtet sind.
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Um
ein ebene Anlage der Innenflächen
der beiden linsenförmigen
Messelektroden 4, 5 sicherzutellen, sind die entsprechenden
Innenflächen
des Messrohres 2 geeignet präpariert. Im einfachsten Fall
ist jeweils zwischen der Innenwand des Messrohrs 2 und
der Innenfläche
der Messelektrode 4; 5 eine entsprechende adaptive
Komponente vorgesehen, die ggf. eine Dichtfunktion erfüllt.
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An
der Außenwand 17 des
mittleren eingeschnürten
Bereichs 19 des Messrohres 2 sind u. a. die elektrischen
Anschlüsse
für die
Spulen 14a, 14b und für die Messelektroden 4, 5 vorgesehen.
Direkt am Messrohr 2 ist auch die Regel-/Auswerteeinheit 8 angeordnet.
Um die elektrischen und elektronischen Komponenten zu schützen, sind
zwei Abdeckschalen 25a, 25b vorgesehen. Diese
Abdeckschalen 25a, 25b sind in der 4 im
geöffneten
Zustand und in 5 im geschlossenen Zustand dargestellt.
Die Befestigung der beiden Abdeckschalen 25a, 25b erfolgt über einen
Clipsmechanismus 27. Bei den Abdeckschalen 25a, 25b kann
es sich ebenso wie bei dem Messrohr 2 um Spritzgussteile
handeln.
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In
den beiden Endbereichen 18a, 18b sind an der Außenwand 17 des
Messrohres 2 radial und longitudinal verlaufende Verstärkungsstege 23 vorgesehen.
Diese Verstärkungsstege
stabilisieren das Messrohr und schützen des vor äußeren mechanischen
Krafteinwirkungen. Der eingeschnürte
mittlere Bereich 19 des Messrohrs 19 ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgeräts 1 so
ausgestaltet, dass er einem vorgegebenen hohen Prozessdruck standhält.
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Erfindungsgemäß wird ein
kostengünstig
zu fertigendes magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät 1 bereitgestellt,
das sich dennoch durch eine sehr gute Messperformance auszeichnet.
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- 1
- Magnetisch-induktives
Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Messrohrachse
- 4
- Messelektrode
- 5
- Messelektrode
- 6
- Magnetsystem/Modul
- 7
- Magnetsystem/Modul
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit
- 9
- Speichereinheit
- 10
- Medium
- 11
- Rohrleitung
- 12
- Spulenkern
(12a, 12b)
- 13
- Spulenkörper (13a, 13b)
- 14
- Spule
(14a, 14b)
- 15
- mittlerer
Bereich des Moduls (15a, 15b)
- 16
- freier
Schenkel des Moduls (16a, 16b)
- 17
- Außenwand
des Messrohrs
- 18
- Endbereich
des Messrohrs (18a, 18b)
- 19
- mittlerer
Bereich des Messrohrs
- 20
- Übergangsbereich
- 21
- Endbereich
des Schenkels (21a, 21b)
- 22
- Anschlagkante
(22a, 22b)
- 23
- Verstärkungssteg
- 24
- Elektrischer
Anschluss (24a, 24b)
- 25
- Abdeckschale
(25a, 25b)
- 26
- Schnappmechanismus
an den Modulen
- 27
- Schnappmechanismus
an den Abdeckschalen