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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch ein Messrohr nach dem magnetisch induktiven Messprinzip.
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Magnetisch induktive Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 μS/cm. Entsprechende Durchflussmessgeräte werden beispielsweise von der Anmelderin in unterschiedlichsten Ausführungsformen für verschiedene Anwendungsbereiche unter der Bezeichnung PROMAG vertrieben.
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Das Messprinzip beruht auf dem Faraday'schen Gesetz der magnetischen Induktion und ist aus diversen Veröffentlichungen bekannt. Mittels eines an einem Messrohrteilabschnitt befestigten Magnetsystems wird senkrecht zur Strömungsrichtung des leitfähigen Fluides ein Magnetfeld konstanter Stärke erzeugt. Dadurch werden die im strömenden Fluid vorhandenen Ionen in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Die durch diese Ladungstrennung entstehende elektrische Spannung wird mittels mindestens zwei an oder in dem Messrohrteilabschnitt befestigten Messelektroden abgegriffen. Die abgegriffene Spannung ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit des Fluides und damit proportional zum Volumendurchfluss.
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Entsprechend umfasst ein in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung eingesetztes magnetisch induktives Durchflussmessgerät zumindest folgende Komponenten: ein Messrohr, ein Magnetsystem sowie mindestens zwei Messelektroden. Weiterhin wird mindestens eine Elektronikeinheit zur Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung benötigt, und zweckmäßig ebenfalls ein Gehäuse, welches eine Messgeräteinheit bestehend aus dem Messrohrteilabschnitt mit den Messelektroden sowie mindestens einer weiteren Komponente der Vorrichtung, welche auf der dem Fluid abgewandten Seite des Messrohres befestigt ist, gegen die Umgebung begrenzt und schützt. Es versteht sich von selbst, dass mit der weiteren Komponente neben dem Magnetsystem auch jegliche Kabel zur Signalleitung, welche sich in unmittelbarer Umgebung zum Messrohr befinden, gemeint sein können.
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Befindet sich die Elektronikeinheit in unmittelbarer Umgebung zum Messrohrteilabschnitt – man spricht hier auch von einer Kompaktbauweise – kann die Elektronikeinheit im gleichen Gehäuse wie der Messrohrteilabschnitt mit den Messelektroden und dem Magnetsystem untergebracht sein. Sonst ist ein separates Gehäuse zu verwenden. Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung beide Konfigurationen betrifft.
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Das Gehäuse für ein Durchflussmessgerät sollte idealerweise kostengünstig und einfach herzustellen sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn empfindliche Kontaktstellen und Kabelanschlüsse innerhalb des Gehäuses lagefixiert sind, da diese bei fortlaufenden Vibrationen leicht aufbrechen können. Zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist die Lösung bekannt geworden, das Gehäuse durch eine direkte Einbettung in Vergussmasse herzustellen, wie es in der Druckschrift
EP 1522828 A1 beschrieben ist.
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Zur Einbettung von Bauteilen in Verguss sind gemäß Stand der Technik verschiedene Methoden verfügbar. Im sogenannten Hotmelt- oder Niederdruckverfahren wird ein Granulat, üblicherweise auf Basis von Polyamid, aufgeschmolzen und in eine Form gespritzt. Die Temperaturen während dieses Prozesses liegen typischerweise im Bereich von etwa 200°C. Dadurch verringert sich die Viskosität des Werkstoffs deutlich, und als Folge kann eine gute Haftung des Werkstoffs auf den Oberflächen der jeweiligen Bauteile erzielt werden. Auf der anderen Seite können die vergleichsweise hohen Prozesstemperaturen dafür sorgen, dass Löt- und/oder Kontaktstellen an den Bauteilen, sowie Plastikteile und/oder Kabelisolierungen leicht beschädigt werden.
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Eine Alternative stellt das Vergießen von Gießharzen im Poting Verfahren dar, bei welchem üblicherweise Vergussmassen aus Polyurethan, Epoxidharzen oder Mischungen auf Basis eines dieser Materialien oder beider Materialien verwendet werden. Durch geeignete Wahl der Zusammensetzung der Vergussmasse können die plastischen Eigenschaften des Gehäuses bestimmt werden, von weich elastisch bis hoch fest. Ebenfalls ergibt sich aus der Zusammensetzung der Vergussmasse deren Haftungseigenschaft. Aus diesen Gründen muss für jede Anwendung zuerst eine geeignete Zusammensetzung der Vergussmasse gefunden werden, was unter Umständen zeitintensiv und somit nachteilig sein kann.
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Beim Poting Verfahren können im Vergleich zum Hotmelt Verfahren die Prozesstemperaturen zwar um bis zu etwa 100°C verringert werden, allerdings treten üblicherweise deutlich höhere Prozessdrücke auf. Als Folge können empfindliche Kontaktierungen während des Vergussprozesses leicht aufbrechen. Ferner ist anzumerken, dass auch noch bei Prozesstemperaturen von 100°C temperaturbedingte Beschädigungen von empfindlichen Teilen auftreten können.
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Eine weitere Alternative in der Vergusstechnik ist gegeben durch die Verwendung von Silikonkautschuk. Während dieses Verfahren weder mit hohen Prozessdrücken noch -temperaturen einhergeht, so dass die oben genannten Probleme nicht auftreten, ist es auf der anderen Seite von Nachteil, dass diese Werkstoffe vergleichsweise teuer sind. Darüber hinaus weisen Silikonkautschuk-Vergussmassen im Vergleich zu den beiden zuvor genannten Materialgruppen keine guten Haftungseigenschaften auf. Aus diesen beiden Gründen fließt diese Technik nicht in die folgenden Betrachtungen ein.
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Zusammenfassend sind die wichtigsten Parameter, die für ein erfolgreiches und kostengünstiges Vergießen von Bauteilen beachtet werden müssen: die Haftungseigenschaften der Vergussmasse in Bezug auf die Bauteile, sowie die Prozessparameter, wie Druck und/oder Temperatur. Es versteht sich von selbst, dass die vorangegangene Beschreibung der verschiedenen Vergusstechniken mit ihren Vor- und Nachteilen nicht vollständig ist. Sie fokussiert vielmehr auf die gängigsten Techniken und bezieht sich ausschließlich auf solche Probleme, welche insbesondere für die Herstellung eines Gehäuses für ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät durch direkte Einbettung in Vergussmasse von Bedeutung sind. Bei einem solchen Durchflussmessgerät sind die Bauteile, welche vergossen werden sollen, gegeben durch den Messrohrteilabschnitt und die daran in unmittelbarer Umgebung in dem vom Fluid abgewandten Bereich angebrachte Messgeräteinheit, welche zumindest das Magnetsystem sowie benötigte Anschluss- und/oder Verbindungskabel umfasst.
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Aus der
US 4774844 A ist hinsichtlich Gehäusen aus Vergussmasse bekannt geworden, ein Metallgestell eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts an welchem zumindest das Magnetsystem und Halterungen für die Elektroden befestigt sind, innerhalb eines zylindrischen, isolierenden Körpers aus einem Polymermaterial zu kapseln. Zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmekoeffizienten ist zwischen den metallischen Komponenten und dem Polymermaterial eine Grenzschicht, oder auch Pufferschicht angeordnet, welche elastomere Eigenschaften aufweist.
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Alternativ zur Einbettung in Vergussmasse kann ein magnetisch-induktives Messgerät auch derart ausgestaltet werden, dass das Durchflussmessgerät die Rohrleitung selbst umfasst, wie in der
DE 10 2005 002 905 A1 beschrieben. In diesem Falle wird die jeweils verwendete Elektrodenanordnung sowie das Magnetsystem in direkt in die Rohrwandung integriert, ohne, dass ein zusätzliches Gehäuse notwendig wird. Gegebenenfalls kann dies herstellungsbedingt allerdings mit einer verringerten Positioniergenauigkeit einhergehen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche bei der Einbettung einer Messgeräteinheit eines magnetisch induktiven Durchflussmessgeräts mindestens eine von zwei möglichen Anforderungen erfüllt:
- 1) Schutz der Komponenten des Durchflussmessgeräts welche vergossen werden sollen gegen Beschädigungen durch hohe Drücke und/oder Temperaturen
- 2) Haftungsvermittlung zwischen den Komponenten und der Vergussmasse
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides durch ein Messrohr nach dem magnetisch induktiven Messprinzip mit folgenden Komponenten:
- – einem Magnetsystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides
- – mindestens zwei mit dem Fluid koppelnden Messelektroden zum Abgreifen der induzierten Spannung
- – mindestens einer Elektronikeinheit zur Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung,
- – und einem Gehäuse,
wobei die Messelektroden derart an einem Messrohrteilabschnitt angebracht sind, dass sie mit dem Fluid koppeln, wobei mindestens eine weitere Komponente auf der dem Fluid abgewandten Seite am Messrohrteilabschnitt angebracht ist, und wobei das Gehäuse durch direkte Einbettung dieses Messrohrteilabschnittes und der mindestens einen weiteren Komponente in eine Vergussmasse gefertigt ist, wobei zwischen der Vergussmasse und einer Messgeräteinheit aus dem Messrohrteilabschnitt und der mindestens einen weiteren Komponente eine diese Messgeräteinheit vollständig umhüllende Schutzschicht aufgebracht ist, welche Schutzschicht ein Schrumpfschlauch ist, welcher auf die Messgeräteinheit aufgeschrumpft ist, oder wobei die Schutzschicht aus einem thermoplastischen Klebeband besteht, welches um die Messgeräteeinheit gewickelt ist.
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Die Schutzschicht dient somit als Puffer zwischen dem Messrohrteilabschnitt und der Vergussmasse.
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In einer bevorzugten Ausführung ist die Schutzschicht derart ausgestaltet, dass sie mindestens eine korrespondierende Öffnung für mindestens eine Durchführung im Gehäuse mit einem Anschluss für mindestens ein Anschlusskabel oder mindestens eine andere Elektronikkomponenten aufweist. Konkret bedeutet dies, dass auch die Form, welche zur Herstellung des Gehäuses aus Verguss genutzt wird, eine passende Öffnung für den Anschluss haben muss.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Schutzschicht aus einem Material gefertigt ist, welches eine gute Haftung zwischen der Messgeräteinheit und der Vergussmasse vermittelt. Durch das Anbringen einer geeigneten Schutzschicht wird erreicht, dass die Vergussmasse nur noch in Bezug auf einen Haftungspartner, die Schutzschicht, optimiert werden muss. Somit können die für beide Komponenten verwendeten Materialien jeweils optimal aufeinander abgestimmt werden. Dagegen muss bei direktem Vergießen der Messgeräteinheit, welche Komponenten aus unterschiedlichen Materialien umfasst, stets der beste Kompromiss für alle diese Materialien und den Verguss gewählt werden.
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Somit ist die erfindungsgemäße Lösung ferner kostengünstig und erlaubt eine einfache Umsetzung. Zum einen ist das Aufbringen einer Schutzschicht selbst kostengünstig und einfach. Zum anderen wird die Anzahl geeigneter Zusammensetzungen der Vergussmasse deutlich vergrößert, da weniger Vorgaben daran geknüpft sind. Auf diese Weise ist es somit ebenfalls möglich, eine besonders kostengünstige Vergussmasse zu wählen. Schließlich erlaubt die erfindungsgemäße Lösung auf einfache Weise eine Anpassung an unterschiedliche Dimensionen unterschiedlicher Messgeräte.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Schutzschicht vom der Messgeräteinheit und/oder vom der Vergussmasse zugewandten Bereich jeweils beschichtet, wobei die beiden Beschichtungen aus dem gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen können. Auf diese Weise ist zum einen die zuvor beschriebene Haftung zwischen der Schutzschicht und der Vergussmasse gewährleistet, zum anderen aber auch eine gute Haftwirkung zwischen der Schutzschicht und der Messgeräteinheit.
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Es ist von Vorteil, wenn die Schutzschicht so angeordnet ist, dass sie die Messgeräteinheit lagefixiert. Dies kann insbesondere durch eine passgenaue Umhüllung erreicht werden. Dadurch schützt die Schutzschicht die Messgeräteinheit gegen hohe Drücke während des Vergießens und auch damit möglicherweise verbundene Verrückungen oder Lösungen von Anschlusskabeln.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn die Schutzschicht so ausgestaltet ist, dass sie für eine thermische Isolierung der Messgeräteeinheit bis hin zu üblichen Prozesstemperaturen beim Vergießen von Bauteilen sorgt. Dafür ist es von Vorteil, wenn die Schichtdicke im Bereich von etwa 1 mm bis 3 mm liegt.
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In einer bevorzugten Ausführung ist zwischen der Schutzschicht und der Messgeräteinheit zusätzlich ein Dämmmaterial eingebracht. Das zusätzliche Dämmmaterial sorgt für eine besonders gute Temperaturisolation, welche insbesondere bei Anwendung des Hotmelt-Verfahrens notwendig ist. Als Dämmmaterial kommen beispielsweise verschiedene Vliestypen in Frage, wie sie sonst oft als Richtungsbahnen für Rohre oder andere im Untergrund befindliche Einbauten zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen benutzt werden. Diese können beispielsweise in verschiedenen Ausführungen bei der Firma Pipelife Austria bezogen werden. Für ein erfindungsgemäßes Messgerät werden sie jedoch nicht zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen eingesetzt, sondern als Temperaturpuffer.
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Häufig werden zur Herstellung von Schrumpfschläuchen Polyoefine verwendet, welches sehr gute Haftungseigenschaften zu Polyethylene (PE) Materialien aufweisen. Diese Materialien werden wiederum oftmals zum Bau von Messrohren, insbesondere in der (Ab-)wasserindustrie, verwendet werden, für welche auch erfindungsgemäße Durchflussmessgeräte benötigt werden. Somit kann für dieses hier beispielhaft genannte System gute Haftung erzielt werden.
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Ein Klebeband ist in der Regel sogar einfacher anbringbar als ein Schrumpfschlauch.
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Beispielsweise eignet sich für den Fall eines Polyurethan (PUR) basierten Vergusses und eines Polyethylene (PE) basierten Messrohres eine entsprechende Doppelklebefolie, welches beispielsweise durch die Firma NOLAX, eigentlich jedoch für andere Anwendungen, bezogen werden kann. In einem konkreten Fall muss jedoch neben dem Material, aus welchem das Messrohr gefertigt ist, auch die Messgeräteinheit berücksichtigt werden, bei welcher die jeweiligen Komponenten in der Regel aus mehreren unterschiedlichen Materialien bestehen. Das macht die Auswahl einer geeigneten Beschichtung im Zweifel komplexer als im hier beschriebenen Beispiel, welches die einfachste mögliche Situation beschreibt. Dasselbe gilt, wenn ein zusätzliches Dämmmaterial eingebracht werden soll.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau eines magnetisch induktiven Messgeräts.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes magnetisch induktives Durchflussmessgerät mit einer Schutzschicht, und einem Gehäuse aus Vergussmasse.
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3 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Lösung, wobei zwischen der Schutzschicht und Messgeräteinheit zusätzlich ein Dämmmaterial eingebracht ist.
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In 1 ist ein magnetisch induktives Durchflussmessgerät 1 zur Messung des Durchflusses eines strömenden Fluides 2 durch ein Messrohr 3 gezeigt. An einem Messrohrteilabschnitt 4 sind verschiedene Komponenten des Durchflussmessgeräts 1 befestigt. Alle diese Komponenten sowie der Messrohrteilabschnitt 4 ergeben zusammen eine Messgeräteinheit (13), welche zweckmäßig von einem Gehäuse 5 umgeben ist. Außerhalb des Gehäuses 5 befindet sich noch die Elektronikeinheit 6 zur Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung, welche über ein Anschlusskabel 8 mit einem Anschluss 7 am Gehäuse 5 elektrisch verbunden ist.
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Innerhalb des Gehäuses 5 befinden sich zum einen die Messelektroden 9, 9a zum Abgreifen der Spannung, sowie das Magnetsystem, welches hier beispielhaft anhand von zwei Feldspulen 10, 10a gezeigt ist. Durch diese Anordnung wird ein Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides 11 erzeugt. Die Messelektroden 9, 9a sind dabei jeweils senkrecht zu den Feldspulen 10, 10a positioniert. In dieser Ansicht sind zur Vereinfachung der Abbildung keinerlei Verbindungskabel innerhalb des Gehäuses 5, oder weitere Signalverarbeitungseinheiten gezeigt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass solche Komponenten ebenfalls notwendig sind.
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In 2 ist ein zweidimensionaler Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Durchflussmessgerät 1 gezeigt. Gezeigt ist das Messrohr 3 mit der Messgeräteinheit, 13, welches zumindest den Messrohrteilabschnitt (4) und die hier nicht gezeigten Feldspulen aus 1 enthält, und mit einem Anschluss 7. Außerdem ist eine der beiden Messelektroden 9 sichtbar. Die Messgeräteinheit (13) ist von einer Schicht aus einem Dämmmaterial 14 umschlossen. Darum herum ist eine erfindungsgemäße die Messgeräteinheit und die Schicht aus Dämmmaterial 14 passgenau umhüllende Schutzschicht 15 angebracht, welche darüber hinaus von einem Gehäuse aus Vergussmasse 16 umgeben ist.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes wie in 2 gezeigt, wobei an dem Anschluss 7 eine Elektronikeinheit 6 direkt befestigt ist, so dass das Durchflussmessgerät 1 hier in der bereits erwähnten Kompaktbauweise vorliegt. Zudem wurde aus Einfachheitsgründen auf die Schicht aus einem Dämmmaterial verzichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- magnetisch induktives Durchflussmessgerät gemäß Stand der Technik
- 2
- strömendes Fluid
- 3
- Messrohr
- 4
- Messrohrteilabschnitt
- 5
- Gehäuseeinheit oder Gehäuse
- 6
- Elektronikeinheit
- 7
- Anschluss am Gehäuse
- 8
- Anschlusskabel
- 9, 9a
- Messelektroden
- 10, 10a
- Feldspulen des Magnetsystems
- 11
- Magnetfeld senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides
- 12
- Durchführung
- 13
- Messgeräteinheit
- 14
- Schicht aus Dämmmaterial
- 15
- Schutzschicht
- 16
- Gehäuse aus Vergussmasse
