DE102013109993A1

DE102013109993A1 - Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, Spulenkern und Feldspule

Info

Publication number: DE102013109993A1
Application number: DE201310109993
Authority: DE
Inventors: Thilo Ihringer; Adrian Sakurai; Florent Tschambser
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12
Also published as: WO2015036187A3; WO2015036187A2

Abstract

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfassend zumindest eine Feldspule, wobei die Feldspule einen Spulenkern aufweist, welcher eine oder mehrere SMC-Verbindungen enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, einen Spulenkern und eine Feldspule.
Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Feldspulen bekannt, welche jeweils einen Spulenkern in Form von mehreren Metallblechen aufweisen. Die Metallbleche werden benötigt, um Wirbelströme welche beim Umpolen der Feldspule im Spulenkern entstehen, zu verringern. Die verbleibenden Wirbelströme sind allerdings noch stark genug, dass das Magnetsystem eine vergleichsweise lange Zeit benötigt, damit sich die abgegriffene Spannung bei einem stabilen Messwert einschwingt. Erst danach kann ein erneutes Umpolen erfolgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr die Zeitperiode zwischen dem Umpolen und dem Einschwingen auf den stabilen Messwert zu verringern.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßes magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfasst zumindest eine Feldspule, wobei die Feldspule einen Spulenkern aufweist, welcher eine oder mehrere SMC-Verbindungen enthält.
Als SMC-Verbindungen sind an sich bekannt. SMC (soft magnetic composits) sind ferromagnetische Verbindungen, insbesondere Eisen, welche eine elektrisch-isolierende Beschichtung aufweisen.
Der Einsatz dieser Materialien für einen Spulenkern ergibt zwar eine schlechtere Permeabilität des Spulenkerns, dieser Nachteil wird allerdings durch die geringe Anzahl an Wirbelströmen beim Umpolen mehr als ausgeglichen. Dadurch kann die Zeitperiode zwischen dem Umpolen und dem Messen eines eingeschwungenen Messwertes verringert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Um ein besonders geringes Auftreten von Wirbelströmen zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn das Material des Spulenkerns zu mehr als 50 Gew.% eine oder mehrere SMC-Verbindungen, vorzugsweise zu mehr als 90 Gew.% eine oder mehrere SMC-Verbindung aufweist oder besonders bevorzugt ausschließlich aus einer oder mehrerer SMC-Verbindungen besteht.
Zwar kann der Spulenkern beispielsweise auch aus einem Behälter mit darin befindlichen SMC-Pulver bestehen, es ist allerdings von Vorteil, wenn der Spulenkern als Formkörper ausgebildet ist.
Dies kann u.a. vorteilhaft erreicht werden, indem der Formkörper hergestellt ist durch Pressen pulverförmigen Material enthaltend eine oder mehrere SMC-Verbindungen. Dadurch werden nur wenig Bindemittel benötigt, welche die Permeabilität des Spulenkörpers reduzieren würden.
Für einen besseren Zusammenhalt des Spulenkörpers ist es von Vorteil, wenn der Formkörper hergestellt ist durch Wärmebehandlung des Formkörpers bei Temperaturen unterhalb von 750°C, vorzugsweise unter 600°C.
Idealerweise der Spulenkern aus gepressten Pulvermaterial besteht mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm³, vorzugsweise mehr als 6 g/cm³.
Wie bereits gesagt, ist die magnetische Permeabilität des SMC-Materials üblicherweise geringer als bei herkömmlichen Spulenkernen. Eine guter Kompromiss zwischen beiden Größen wird erreicht, wenn die relative magnetische Permeabilität µ_r des Spulenkerns größer ist als 400, vorzugsweise größer als 700.
Es ist zudem von Vorteil, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Spulenkerns zwischen 50–8000 µΩm beträgt. Dieser Wert wurde bei 20°C ermittelt.
Idealerweise besteht die SMC-Verbindung zu mehr als 50 Gew.% aus Eisen. Dieser Werkstoff weist hohe ferromagnetische Eigenschaften auf und ist zudem leicht verfügbar und bearbeitbar.
Der Formkörper kann vorteilhaft verpresste Eisenpartikel aufweisen, welche Eisenpartikel zumindest abschnittsweise eine elektrisch-isolierende Beschichtung aufweisen.
Idealerweise ist die Beschichtung vollständig um die Eisenpartikel herum ausgebildet. Es gibt allerdings auch Situationen in welchen die Beschichtung abschnittsweise durchbrochen ist. Die Beschichtung weist eine Phosphorverbindung auf oder besteht aus einer Phosphorverbindung.
Die elektrisch-isolierende Beschichtung weist insbesondere eine mittlere Schichtdicke von 35 nm oder weniger auf, insbesondere von 10–30 nm, besonders bevorzugt 18–22 nm. Die Schichtdickenmessung kann optisch mittels eines FTM-Micro-Schichtdickenmikroskops oder mittels eines DFT-Schichtdickenmessgerätes erfolgen.
Die Eisenpartikel weisen für eine möglichst optimale Verringerung der Wirbelströme vorteilhaft eine mittlere Korngröße von 20–180 µm auf. Die Bestimmung kann nach dem Snyder-Graff Verfahren in Anlehnung an die DIN EN ISO 643 erfolgen.
Es hat sich zudem gezeigt, dass es nicht trivial ist, an Spulenkernen die vorwiegend oder ausschließlich aus Sintermaterialien hergestellt sind Verankerungspunkte zur Festlegung in einem Spulensystem anzubringen. Das Material kann zwar durch formgebende Verfahren z.B. durch Sintern und/oder Verpressen zu einem Formkörper ausgeformt werden. Allerdings ist das Material dieses Formkörpers gegenüber den üblichen Spulenkernen aus Blechpaketen spröde, so dass ein Einbringen von Löchern in das Material zur Verankerung des Spulenkerns an oder in einem Spulenkörper nur schwer möglich ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher zusätzlich zum bisher offenbarten SMC-Material auch einen Spulenkern aus einem Sintermaterial, insbesondere aus SMC-Material, mit einer speziellen geometrischen Ausgestaltung welcher in einem Spulenkörper verankerbar ist sowie einen Spulenkörper mit diesem speziellen Spulenkern.
Der erfindungsgemäße Spulenkern für eine Feldspule eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes, besteht aus einem Sintermaterial und weist eine Längsachse L auf, wobei der Spulenkern mehrteilig aufgebaut ist und zumindest ein Bauteil des Spulenkerns zumindest bereichsweise einen ersten Auflageflansch aufweist, zur Begrenzung der Bewegung des Spulenkerns innerhalb der Feldspule in Richtung der Längsachse L.
Der Auflageflansch gewährleistet eine besonders gute Übertragung der magnetischen Induktivität und dient zugleich als Verankerungspunkt. Dieser Auflageflansch ist allerdings aufgrund der Sprödigkeit des Materials nicht für einen einstückigen Spulenkörper realisierbar, sondern nur bei mehrteiligen Spulenkörpern, also bei Spulenkörpern aus mehreren Bauteilen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Spulenkerns sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn der mehrteilige Spulenkern aus formgleichen Bauteilen besteht. Dadurch sind die Spulenkerne zur Massenproduktion besser geeignet.
Es ist von Vorteil, wenn zumindest ein Bauteil des Spulenkörpers die Form eines Hufeisens aufweist. In dieser Ausgestaltung kann Material für den Spulenkern eingespart werden und Wirbelstromeffekte können verringert werden.
Es ist von Vorteil, wenn der Spulenkern einen zweiten Auflageflansch aufweist, welcher derart ausgebildet ist, dass der Spulenkern senkrecht zu seiner Längsachse L ein u-förmiges Profil aufweist. Dadurch kann ein teilweises Umschließen des Spulenkörpers und damit auch eine bessere magnetische Übertragung zwischen den beiden Bauteilen erfolgen.
Der Spulenkern weist vorteilhaft eine zentrale Ausnehmung auf, welche endständig eine abgerundete Kante aufweist. Diese verringert das Risiko von Kabelverletzungen.
Eine erfindungsgemäße Feldspule für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, weist einen mehrteiligen Spulenkörper und einen Spulenkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15–19 auf, wobei der Spulenkern durch den Spulenkörper gehalten wird.
Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn der Spulenkern Ausnehmungen oder Vorsprünge aufweist, an welchen sich Bauteile des Spulenkörpers zwecks gegenseitigem Kraft- und/oder Formschluss unter Bildung des Spulenkörpers abstützen können. Dadurch kann der Spulenkörper zusammengehalten werden.
Es ist von Vorteil, wenn der Spulenkörper die Form eines Hufeisens aufweist.
Zur vorteilhaften Vermeidung von Wirbelströmen weist der Spulenkern zumindest zwei Bauteile auf, welche durch ein Material des Spulenkörpers elektrisch-isoliert voneinander beabstandet sind.
Die Feldspule weist vorteilhaft Aufnahmen für eine Verankerung an einem Messrohr oder einem Polschuh auf, vorzugsweise in Form von Haltebolzen, wobei die Aufnahmen zur Beabstandung der Verankerung von einem Spulenkern vorgesehen sind. Dadurch wird das Übertragen von Wirbelströmen und deren Übertragung verhindert.
Der Spulenkern weist vorzugsweise Vorsprünge oder Ausnehmungen auf zum Kraft- und/oder Formenschluss des Spulenkerns mit dem Spulenkörper. Diese einfache Art der Verbindung beispielsweise mittels Verrastungen ermöglicht eine schnelle Montage der Feldspule.
Es ist von Vorteil, wenn der mehrteilige Spulenkörper aus formgleichen Bauteilen besteht.
Mehrere bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung werden anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
1 Seitenansicht eines ersten erfindungsgemäßen Spulenkerns;
2 Schnittansicht des Spulenkerns;
3 Draufsicht des Spulenkerns;
4 Perspektivansicht des Spulenkerns;
5 Perspektivansicht des Spulenkerns;
6 Ausführungsvariante für den allgemeinen Aufbau eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes;
7 Prinzipskizze einer Durchflussmessung mittels eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes;
8 schematische Darstellung eines SMC-Materials bzw. einer SMC-Verbindung; und
9 Verankerung des SMC-Spulenkerns in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät.
10 Perspektivansicht einer besonders vorteilhaften zweiten Ausführungsvariante eines Spulenkerns aus SMC-Material und dessen Anordnung in einem Spulenkörper;
11 Schnittansicht senkrecht zur Längsachse der Anordnung des zweiten Spulenkerns und des Spulenkörpers;
12 Schnittansicht entlang der Längsachse der Anordnung des zweiten Spulenkerns und des Spulenkörpers;
13 Draufsicht auf den zweiten Spulenkern; und
14 Schnittansicht des zweiten Spulenkerns.
Der Aufbau eines an sich bekannten magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1 ist in 6 dargestellt. Es zeigt ein Messrohr 7, aus nicht magnetisierbarem Material, beispielsweise ein Stahl oder Kunststoff, welches mit einer unmagnetischen, elektrisch-isolierenden Auskleidung 8 versehen ist. Diese Auskleidung 8 wird vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet.. Oberhalb und unterhalb des Messrohres 7 ist jeweils eine Feldspule 2 angeordnet, welche üblicherweise aus einem Spulenkörper und einem darum-gewickelten Draht, z.B. Kupferdraht, bestehen kann. Zentral in der Feldspule 2 ist ein Spulenkern 3 angeordnet. Dessen Funktion besteht im Wesentlichen darin, in Verbindung mit der Feldspule den magnetischen Fluss zu bündeln und die Induktivität und die magnetische Flussdichte zu vergrößern. Zur Vermeidung von Wirbelströmen innerhalb des Spulenkerns werden hierbei oft Spulenkerne aus zusammengesetzten einzelnen Metallblechen genutzt. Die Feldspule 2 sitzt auf einem Polschuh 4 auf. Dieser liegt vorzugsweise auf der Oberfläche des Messrohres 7 auf und dient dabei dem definierten Heraustreten und der Verteilung der magnetischen Feldlinien des Spulensystems 2. Das Durchflussmessgerät weist zudem eine magnetische Rückführung in Form eines Rückführblechs 5 zur Führung des durch das Spulensystem erzeugten Magnetfeldes auf. Dieses Rückführblech bildet das zweite Blechsegment. Der Abgriff eines durchflussbezogenen Messwertes erfolgt mittels zweier Messelektroden 6, welche in 1 an der Innenwand des Messrohres 7 angeordnet sind und sich im Messrohr gegenüberstehen. Sie sind zudem im Winkel von 90° umfangsverteilt zu dem Feldspulen am Messrohr 7 angeordnet. Neben den Messelektroden, die zum Abgriff eines Messsignals dienen, werden oftmals zusätzliche Elektroden in Form von Bezugs- oder Erdungselektroden in das Messrohr eingebaut, die dazu dienen, ein elektrisches Referenzpotential zu messen oder teilgefüllte Messrohre zu erkennen oder die Mediumstemperatur mittels eingebautem Temperaturfühler zu erfassen. Eine entsprechende Elektrode 9 ist auch in 1 dargestellt. 1 stellt lediglich eine Ausführungsvariante eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes dar. Es sind auch magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen bekannt und anderer geometrischer Anordnung bekannt.
Das Prinzip einer magnetisch-induktiven Durchflussmessung soll nachfolgend in Verbindung mit 7 näher erläutert werden.
Gemäß dem Faraday‘schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, beispielsweise einem leitfähigen fluiden Messmedium, eine Spannung induziert. Ein Magnetfeld B mit konstanter Stärke wird durch die zwei Feldspulen 2 zu beiden Seiten des Messrohres 7 erzeugt. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres 7 die zwei Messelektroden 6, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung U_e abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit v und damit zum Volumendurchfluss des Messmediums.
Das durch die Feldspulen 2 aufgebaute Magnetfeld B wird durch einen getakteten Gleichstrom I wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit.
Nach der Umpolung benötigt das Magnetfeld einen gewissen Zeitraum um auf einen konstanten Wert einzuschwingen. Erst nach diesem Einschwingen des Magnetfeldes kann ein Messwert für die an den Messelektroden abgegriffene Spannung U_e zuverlässig bestimmt und in Relation zu einer Durchflussgeschwindigkeit gesetzt werden. Anders als in Bereichen außerhalb der Messtechnik, folgt das Magnetfeld keinem sinusoidalem Verlauf, sondern es benötigt teilweise mehrere Millisekunden um sich kurzzeitig auf einen konstanten Wert einzuschwingen. Der Fachmann spricht in diesem Zusammenhang auch vom Erreichen eines stabilen Nullpunktes.
Die Zeit welche für das Einschwingen der Spannung auf einen möglichst konstanten Endwert benötigt wird hängt unter anderem von den im Magnetsystem, also in den Feldspulen und im Spulenkern auftreten Wirbelströmen, welche sich aufgrund der Lenz’schen Regel bei jeder Umpolung erneut ausbilden. Besonders gravierend wirken sich dabei die Wirbelströme des Spulenkerns auf die Dauer der Periode zwischen zwei Umpolungszeitpunkten aus. Diese sollte nach Möglichkeit klein sein, um innerhalb eines Zeitraums möglichst viele Umpolungsperioden und somit viele Messpunkte zu erstellen. Dies erhöht die Messgenauigkeit und die Auflösung der Messung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen in den Feldspulen eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, einen Spulenkern aus einem sogenannten soft-magnetic Material (SMC) einzusetzen. Diese gebräuchliche Fachbezeichnung kann allerdings etwas irreführend sein, da es sich nicht um ein magnetisches Material, sondern um ein magnetisierbares Material handelt.
Dieses magnetisierbare Material besteht – wie in 8 schematisch dargestellt im Wesentlichen aus Eisenpartikeln 101, welche eine elektrisch-isolierende Schicht 102, beispielsweise eine Phosphorverbindung z.B. eine Phosphorsalz- oder Phosphoroxid-Verbindung aufweisen.
Die Eisenpartikel mit der elektrisch-isolierenden Schicht werden zu Formteilen verpresst und kann optional anschließend thermisch ausgehärtet werden. Dies erfolgt im Gegensatz zu einem herkömmlichen Sinterprozess vorzugsweise bei Temperaturen unterhalb von 750°C, besonders bevorzugt bei 500–650°C.
Eine mechanische Nachbearbeitung des Formkörpers bzw. des Presslings ist nur schwer möglich. Daher ist es besonders von Vorteil, wenn der Formkörper bereits nach dem Pressen die für die Feldspule des magnetisch-induktiven Durchflussgerätes geeignete Form aufweisen.
Im Folgenden soll eine entsprechende Form für einen Spulenkern welche als Formkörper aus gepresstem SMC-Material ausgebildet ist, anhand der 1–5 näher beschrieben werden. Es wird darauf hingewiesen, dass dies lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung ist. Selbstverständlich sind auch andere geometrische Formen von Spulenkerne, welche in vielfacher Form im Bereich der magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräte vorkommen, zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe geeignet.
In 1 ist eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Spulenkerns abgebildet, welcher einstückig ausgebildet ist und einen Auflageflansch 22 aufweist, aus der ein zylindrischer Körper 23, insbesondere ein Hohlzylinder, hervorsteht. Der zylindrische Körper verfügt über zwei Anschläge 24 auf welchem eine Deckplatte oder alternativ ein Rückführblech 5 oder ein Polschuh 4 aufgesetzt werden können. Die Anschläge 24 können zugleich als Verdrehsicherung dienen. Die besagte Deckplatte, der Polschuh 4 oder das Rückführblech 5 können ebenfalls Anschläge aufweisen, welche in eine Nut 25 des Spulenkerns 21 eingreift. In den Auflageflansch 22 ist eine schlitzartige Ausnehmung 26 zur Führung der Austrittsrichtung eines zentral durch den Hohlzylinder in einem Kanal 27 geführten Kabels.
Die vorgenannten Anschläge, Nuten und Ausnehmungen werden in vorteilhafter Weise bereits bei der Formgebung des Spulenkerns eingearbeitet. Eine nachträgliche Materialbearbeitung, insbesondere eine spanende Materialbearbeitung, wie Schleifen, Sägen, Fräsen, ist nicht notwendig.
9 zeigt, wie der erfindungsgemäße Spulenkern in einer Feldspule 30 eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes festgelegt ist. Die Feldspule 30 weist in an-sich bekannter Art Wicklungen 31 z.B. aus Kupferdraht auf, welche von einem ersten Spulenkörper 36 eingefasst sind. Die Feldspule 30 wird über einen Stromanschluss 34 mit Energie versorgt. An dem Polschuh 3 des in 6 dargestellten magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes kann ein Gewindebolzen 35 festgelegt sein. In diesen Gewindebolzen werden – wie aus 9 ersichtlich – Befestigungsmittel 33 in Form von Schrauben eingeschraubt. Eine Deckplatte 32 wird beim Anziehen der Befestigungsmittel einen Druck in Richtung des Spulenkerns entwickeln und presst den Spulenkern 21 gegen den Spulenkörper 36. Diese Variante der Festlegung des Spulenkerns ist allerdings nur eine bevorzugte Ausführungsvariante. Es sind eine große Anzahl weiterer Befestigungsmöglichkeiten denkbar.
Das Novum der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines SMC-Materials als Material für das Spulenkernmaterial. Dieses Material zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Umpolung besonders wenig Wirbelströme induziert werden. Dadurch kann sich das System schneller auf einen stabilen Nullpunkt einschwingen. Somit verringert sich der Zeitraum zwischen dem Umpolungszeitpunkt und dem Erfassen des Messsignals.
Insgesamt können somit bei Verwendung des SMC-Materials in einem Zeitraum von z.B. 5 min mehr Messpunkte aufgenommen werden als dies bei einem herkömmlichen Eisenkern mit Einzelblechen der Fall ist. Der Spulenkern besteht dabei aus einem Formkörper mit komprimierten SMC-Teilchen.
Wie sich gezeigt hat, haben SMC-Materialien allerdings eine geringere Permeabilität als herkömmliche Spulenkerne aus Eisen. Ein weiterer Nachteil von SMC-Materialien ist die Limitierung bei der Verarbeitung des Materials. Nachträgliche Bearbeitungsschritte wie Bohrungen und dergleichen sind ungünstig. Allerdings überwiegt der Vorteil der hohen Messrate gegenüber den vorgenannten Nachteilen.
Das SMC-Material sollte daher eine ausreichend hohe Permeabilität aufweisen. Besonders geeignet für den Einsatz in magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten sind Spulenkerne aus SMC-Material mit einer relative magnetische Permeabilität µ_r von größer als 400 sind.
Ideal für den Einsatz in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät ist allerdings eine relative magnetische Permeabilität µ_r von größer als 700, ermittelt gemäss IEC 60404.
Der spezifische elektrische Widerstand des SMC-Materials des Spulenkerns beträgt bevorzugt zwischen 50–8000 µΩm bei 20°C, ermittelt gemäss IEC 60468.
Zusätzlich zum besagten SMC-Material kann der Spulenkern weitere Inhaltsstoffe enthalten. Diese Inhaltsstoffe können insbesondere Haftvermittler, Kunststoffbeschichtungen gegen Korrosion oder magnetisierbare Materialien zur Erhöhung der Permeabilität sein. Ggf. können auch ungewollte Einschlüsse, z.B. Carbide oder dergleichen während des Pressens in die Zwischenräume der SMC-Eisenpartikel eingelagert werden.
Dabei ist es von Vorteil, wenn das SMC-Material im Spulenkern zu zumindest 50 Gew.% enthalten ist, insbesondere jedoch zu mehr als 90 Gew.%. Idealerweise kann der Spulenkern auch vollständig aus SMC-Material bestehen.
In 10–12 ist eine zweite besonders bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Spulenkerns aus SMC-Material und eine erfindungsgemäße Anordnung aus dem zweiten Spulenkern und einem zweiten Spulenkörper.
In 13 und 14 ist der zweite Spulenkern ohne entsprechenden Spulenkörper dargestellt.
Die in 13 und 14 dargestellte Form des zweiten Spulenkerns kann für Spulenkerne aus beliebigem Sintermaterial angewandt werden. Dieses Material lässt sich aufgrund seiner Sprödigkeit wesentlich schwerer mechanisch bearbeiten als Materialien aus zusammengefügten Metallblechen.
Der zweite Spulenkern 41 ist mehrteilig aufgebaut und besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei Spulenkernhälften 41A, 41B. Diese sind in der 10–12 jeweils als zwei formgleichen Elemente ausgebildet, was Vorteile bei der Fertigung hat. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass der Spulenkern aus mehr als zwei Elementen besteht oder aus zwei nicht-formgleichen Hälften.
Der Spulenkern 41 weist im zusammengesetzten Zustand eine zentrale Öffnung 55 auf und eine Längsachse L. Die Spulenkernhälften 41A, 41B sind hufeisenförmig ausgeformt mit einem Zentralkörper 53, welcher innerhalb eines Spulenkörpers 42 verläuft. Von diesem Zentralkörper 53 gehen radial zur Längsachse L Auflageflansche 54 ab. Der Zentralkörper 53 und die Auflageflansche 54 sind einstückig miteinander ausgebildet. Die Auflageflansche 54 liegen oberhalb und unterhalb des Spulenkörpers 42 auf diesem Spulenkörper 42 auf, so dass die Auflageflansche als Anschläge dienen und eine Bewegung des Spulenkerns 41 gegenüber dem Spulenkörper in Richtung der Längsachse L verhindern. Andererseits ermöglichen die Auflageflansche aufgrund ihrer großen Kontaktfläche eine bessere Übertragung des Magnetfeldes von der Spule auf ein Messrohr oder einen darauf angeordneten Polschuh.
Dabei ergänzt sich im Lichte der vorgenannten Probleme von Sintermaterial bei Spulenkernen der mehrteilige Aufbau des Spulenkerns und die Auflageflansche des Spulenkerns besonders vorteilhaft. Beispielsweise kann das Sintermaterial in senkrechter Richtung zur Längsachse L zu einer Spulenkernhälfte unter Ausbildung der Auflageflansche verpresst und/oder gesintert werden, ohne das es zu einem Abbrechen der Flansche beim Pressvorgang kommt.
Die Auflageflansche 54 weisen im Übergangsbereich der ersten Spulenkernhälfte 41A zur zweiten Spulenkernhälfte 41B Ausnehmungen 45 auf zur Durchführung eines Haltebolzens.
10–12 zeigen die Anordnung des Spulenkerns 41 in einem Spulenkörper 42 einer Feldspule 44. Der Spulenkörper ist vorzugsweise aus einem formstabilen Kunststoff oder alternativ aus Keramikmaterial gefertigt. Die Formgebung kann beispielsweise in einem Spritzgussverfahren erfolgen. Er weist eine zentrale Ausnehmung auf, in welcher der zweite Spulenkern 41 zur Erhöhung der der magnetischen Induktivität und der magnetischen Flussdichte und zur Bündelung des magnetischen Flusses. Der Spulenkörper 42 kann in an sich bekannter weise mit einem Draht, z.B. aus Kupfer umwickelt.
Der Spulenkörper 42 der Feldspule ist analog zum Spulenkern mehrteilig aufgebaut und besteht in dem in 10–12 dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Spulenkörperhälften 42A und 42B.
Während die Spulenkernhälften 41A, 41B von einer ersten Richtung senkrecht zur Längsachse L zusammengeführt werden, erfolgt das Zusammenführen der Spulenkörperhälften 42A, 42B von einer zweiten Richtung, die senkrecht zur Längsachse und zur ersten Richtung verläuft. Die Spulenkörperhälften weisen zwei flanschartige umlaufende Ausformungen 56 auf, so dass der Spulenkörper 42 senkrecht zur Längsachse L ein u-förmiges Profil zur Aufnahme der Drahtwicklungen aufweist. Dieses u-förmige Profil wird durch die Form des Eisenkerns teilweise umschlossen. Vorzugsweise ist zumindest 50 Flächen-%, vorzugsweise 70 Flächen-% der Außenfläche des u-förmigen Profils vom Eisenkern bedeckt.
Die Spulenkernhälften 41A, 41B weisen zudem im Bereich der Auflageflansche 54 und des Zentralkörpers 53 Ausnehmungen 52 und Vorsprünge 48 auf, an welchen Arretierungs- und/oder Rastmittel 46 und 47 des Spulenkörpers 42 angeordnet sein können. Diese dienen der kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung, insbesondere zur Verrastung, der beiden Spulenkörperhälften 42A und 42B aneinander, wobei sich einzelne Segmente 49 der Spulenkörperhälften übereinanderschieben können, um eine größere Stabilität im Übergangsbereich zu gewährleisten.
Aus 10 ist zudem ersichtlich, dass bei der Anordnung der Spulenkernhälften 41A und 41B im Spulenkörper zwischen den beiden Spulenkörperhälften ein Luftspalt 58 ausgebildet ist. Dieser verringert in vorteilhafter Weise das Auftreten von Wirbelströmen. Die Anordnung aus Spulenkörper 42 und Spulenkern 41 wird mittels Haltebolzen am Messrohr eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes oder an einem zwischen Spulenkörper und Messrohr angeordneten Polschuh verankert. Im vorliegenden Fall sind zwei Haltebolzen 43A am Messrohr angebracht. Diese werden sind durch Positionierlöcher 59 im Spulenkörper 42 geführt, wodurch der Spulenkörper am Messrohr festgelegt ist. Zwei weitere Haltebolzen 43B sind an einem auf dem Messrohr angeordneten Polschuh angebracht, welcher auf einem Messrohr aufliegt. Ein entsprechender Polschuh ist in 3 der DE 10 2012 111 275 A1 gezeigt und beschrieben auf deren Offenbarungsgehalt diesbezüglich Bezug genommen wird.
Dabei ist der Spulenkern 41 entweder durch das Spulenkörpermaterial oder durch Luftspalten beabstandet von den Haltebolzen 43A, 43B, was ebenfalls das Auftreten und/oder Übertragen von Wirbelströmen verhindert.
Durch die zentrale Ausnehmung 55 in der Mitte das Anordnung aus Spulenkern 41 und Spulenkörper 42 ist eine Messelektrode 57 geführt sowie ein Signalkabel 51. Das Signalkabel 51 wird seitlich am Messrohr des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts entlanggeführt. Zur Verhinderung einer Kabelverletzung ist es von Vorteil, wenn des Spulenkerns auf der zum Messrohr im Übergangsbereich zwischen der zentralen Ausnehmung 55 zur der Seite hin, welche im Eingebauten Zustand zum Messrohr hin zeigt, eine Abrundung 50 aufweist.
Insgesamt besteht die Anordnung aus Spulenkörper und Spulenkern der Feldspule, wie in 10–12 gezeigt, aus vier Bauteilen. Vorzugsweise sind dabei jeweils zwei Bauteile formgleich ausgebildet, wodurch die Herstellungsprozesse wesentlich effizienter gestaltet werden können, da jeweils nur zwei Formungswerkzeuge zur Ausformung der Bauteile benötigt werden. Somit eignen sich diese Bauteile besonders gut zur Massenfertigung.
In einer nicht-dargestellten weniger bevorzugten Ausführungsvariante des Spulenkerns ist es auch möglich lediglich einen Auflageflansch vorzusehen, welcher bei an einem Messrohr als Anschlag auf der Oberseite des Spulenkörpers, also entgegengesetzt zur Seite des Spulenkörpers die zur Messelektrode und/oder dem Messrohr zeigt, angeordnet ist. Dieser wird durch ein nicht-näher dargestelltes Feldrückführungsblech in Position gehalten. Ein entsprechendes Feldrückführungsblech bzw. Feldmantelblech wird beispielsweise in 2 der DE 10 2012 111 275 A1 gezeigt und beschrieben.
Mittels der in 10–12 gezeigten Anordnung aus Spulenkörper und Spulenkern kann eine optimale elektrische Isolation der Befestigungselemente, im vorliegenden Fall der Haltebolzen 43A, 43B, vom Spulenkern 41 als auch der Spulenkernhälften 41A und 41B voneinander erreicht werden.
Die vorgenannte Ausgestaltung des Spulenkerns 41 und dessen Anordnung in Kombination mit dem mehrteiligen Spulenkörper 42 kann besonders vorteilhaft auf gesinterte Spulenkerne und besonders vorteilhaft auf das vorgenannte SMC-Material angewandt werden.
Bezugszeichenliste

1: magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
2: Feldspule
3: Spulenkern
4: Polschuh
5: Rückführblech
6: Messelektroden
7: Messrohr
8: Auskleidung
9: Elektrode
21: Spulenkern
22: Auflageflansch
23: zylindrischer Körper
24: Anschläge
25: Nut
26: schlitzartige Ausnehmung
27: Kanal
30: Feldspule
31: Wicklungen
32: Deckplatte
34: Stromanschluss
35: Gewindebolzen
36: Spulenkörper
41: Spulenkern
41A, 41B: Spulenkernhälfte
42: Spulenkörper
42A, 42B: Spulenkörperhälften
43A, 43B: Haltebolzen
44: Feldspule
45: Ausnehmungen
46: Rastmittel
47: Rastmittel
48: Vorsprung
49: Segmente
50: Abrundung
51: Signalkabel
52: Ausnehmungen
53: Zentralkörper
54: Auflageflansche
55: zentrale Öffnung
56: Ausformung
57: Messelektroden
58: Luftspalt
59: Positionierlöcher
101: Eisenpartikel
102: elektrisch-isolierende Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012111275 A1 [0086, 0090]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 643 [0020]
IEC 60404 [0071]
IEC 60468 [0072]

Claims

Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät (1) umfassend zumindest eine Feldspule (2, 30, 44), wobei die Feldspule (2, 30, 44) einen Spulenkern (3, 21, 41) aufweist, welcher eine oder mehrere SMC-Verbindungen enthält.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Spulenkerns (3, 21, 41) zu mehr als 50 Gew.% eine oder mehrere SMC-Verbindungen, vorzugsweise zu mehr als 90 Gew.% eine oder mehrere SMC-Verbindung aufweist oder besonders bevorzugt ausschließlich aus einer oder mehrerer SMC-Verbindungen besteht.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3, 21, 41) als Formkörper ausgebildet ist.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper hergestellt ist durch Pressen pulverförmigen Material enthaltend eine oder mehrere SMC-Verbindungen
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper hergestellt ist durch Wärmebehandlung des Formkörpers bei Temperaturen unterhalb von 750°C, vorzugsweise unter 600°C.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3, 21, 41) aus gepressten Pulvermaterial besteht mit einer Dichte von mehr als 5 g/cm³, vorzugsweise mehr als 6 g/cm³.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative magnetische Permeabilität µ_r des Spulenkerns (3, 21, 41) größer ist als 400, vorzugsweise größer als 700.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand des Spulenkerns (3, 21, 41) zwischen 50–8000µΩm beträgt.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SMC-Verbindung zu mehr als 50 Gew.% aus Eisen besteht.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper verpresste Eisenpartikel (101) aufweist, welche Eisenpartikel (101) zumindest abschnittsweise eine elektrisch-isolierende Beschichtung (102) aufweisen.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SMC-Verbindung aus verpressten Eisenpartikeln (101) besteht, welche zumindest abschnittsweise eine elektrisch-isolierende Beschichtung (102) aufweisen, wobei die Beschichtung eine Phosphorverbindung aufweist oder aus einer Phosphorverbindung besteht.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch-isolierende Beschichtung (102) eine Schichtdicke von 10–30 nm, vorzugsweise 18–22 nm, aufweist.
Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenpartikel vorteilhaft eine mittlere Korngrösse von 20–180 µm aufweisen.
Spulenkern (3, 21, 41) für eine Feldspule (2, 30, 44) eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes (1), wobei der Spulenkern (3, 21, 41) aus einem Sintermaterial besteht und eine Längsachse L aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3, 21, 41) mehrteilig aufgebaut ist und zumindest ein Bauteil des Spulenkerns (3, 21, 41) zumindest bereichsweise einen ersten Auflageflansch (22, 54) aufweist, zur Begrenzung der Bewegung des Spulenkerns (3, 21, 41) innerhalb der Feldspule (2, 30, 44) in Richtung der Längsachse L.
Spulenkern nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrteilige Spulenkern (3, 21, 41) aus formgleichen Bauteilen besteht.
Spulenkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil des Spulenkerns (3, 21, 41) die Form eines Hufeisens aufweist.
Spulenkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3, 21, 41) einen zweiten Auflageflansch aufweist und derart ausgebildet ist, dass der Spulenkern (3, 21, 41) senkrecht zu seiner Längsachse L ein u-Förmiges Profil aufweist.
Spulenkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Ausnehmung (55) aufweist, welche endständig eine abgerundete Kante (50) aufweist.
Feldspule für ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule einen mehrteiligen Spulenkörper (42) aufweist und einen Spulenkern (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15–19, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (41) durch den Spulenkörper (42) gehalten wird.
Feldspule nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3, 21, 41) Ausnehmungen oder Vorsprünge aufweist, an welchen sich Bauteile des Spulenkörpers zwecks gegenseitigem Kraft- und/oder Formschluss unter Bildung des Spulenkörpers abstützen können.
Feldspule nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, das der Spulenkörper die Form eines Hufeisens aufweise.
Feldspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (3, 21, 41) zumindest zwei Bauteile aufweist, welche durch ein Material des Spulenkörpers elektrisch-isoliert voneinander beabstandet sind.
Feldspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldspule Aufnahmen für eine Verankerung an einem Messrohr oder einem Polschuh aufweist, vorzugsweise in Form von Haltebolzen, wobei die Aufnahmen zur Beabstandung der Verankerung von einem Spulenkern (3, 21, 41) vorgesehen sind.
Feldspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkern (41) Vorsprünge (48) oder Ausnehmungen (52) aufweist zum Kraft- und/oder Formenschluss des Spulenkerns (41) mit dem Spulenkörper (42).
Feldspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrteilige Spulenkörper (42) aus formgleichen Bauteilen (42A, 42B) besteht.
Verwendung der Feldspule (44) gemäß einem der Ansprüche 19–26 und/oder des Spulenkerns (21, 41) gemäß einem der Ansprüche 14–18 in einem magnetisch induktiven Durchflussmessgerät (1) gemäß einem der Ansprüche 1–13.