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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messrohr für ein Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Messrohres und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät.
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Durchflussmessgeräte werden nach unterschiedlichen Kriterien differenziert. Das weitverbreitetste Differenzierungskriterium ist die Differenzierung nach Messprinzipien. Entsprechend sind z.B. Coriolis-Durchflussmessgeräte, Ultraschall-Durchflussmessgeräte, Thermische Durchflussmessgeräte, Vortex-Durchflussmessgeräte, magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, SAW(surface acoustic wave)-Durchflussmessgeräte, V-Cone Durchflussmessgeräte und Schwebekörper-Durchflussmessgeräte bekannt. Entsprechende Durchflussmessgeräte sind teilweise von der Anmelderin oder anderen Anbietern im Handel erhältlich.
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Ein weiteres Differenzierungsmerkmal ist, ob das Durchflussmessgerät ein Messrohr aufweist oder ob das Durchflussmessgerät auf ein herkömmliche Rohrleitung bzw. Prozessleitung aufgesetzt oder angebaut werden kann, ohne dass der Mediumsfluss innerhalb der Rohrleitung bei der Installation des Durchflussmessgerätes zu unterbrechen. Typische Ultraschallmessgeräte der vorbeschriebenen Art sind sogenannte Clamp-On Ultraschall-Durchflussmessgeräte. Durchflussmessgeräte mit Messrohren werden Inline-Durchflussmessgeräte bekannt.
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Es sind handelsübliche Inline-Durchflussmessgeräte bekannt mit Messrohren, welche einen Liner aufweisen. Diese Durchflussmessgeräte sind vorwiegend als magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte ausgebildet mit einem metallischen Außenrohr und einem Liner. Der Liner ist als Kunststoffauskleidung am Innenumfang des metallischen Außenrohres ausgebildet und wird benötigt, um eine elektrische Isolation zwischen dem Messmedium und dem Messrohr zu schaffen. Diese Liner sind jedoch zumeist nur für einen begrenzten Temperaturbereich einsetzbar. Bei höheren Temperaturen nimmt das übliche Kunststoff- oder Gummimaterial in seiner Formstabilität ab. Darüber hinaus können Quellungseffekte und Diffusionseffekte auftreten, welche ein Aufweiten des Linermaterials oder ein Ablösen des Liners von der metallischen Oberfläche des Messrohrgrundkörpers bewirken.
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Die Verwendung von Faserarmierungen in Linermaterial ist z.B. aus der
DE 10 2008 014 712 A1 bekannt. Hier werden nachwachsende Rohstoffe in Form von Pflanzenfasern genutzt um eine Armierung und damit eine höhere Materialfestigkeit zu erreichen. Die vorgenannte Druckschrift offenbart u.a. Flachs, Sisal oder Canabisfasern, welche in einem Polymer eingebettet vorliegen.
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Aus dem Stand der Technik ist weiterhin die
EP 2 192 390 A2 bekannt. Hier wird ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem reduzierten Querschnitt zur Strömungskonditionierung beschrieben. Wie bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten üblich, weist das Messrohr einen Liner auf. Problematisch ist dabei insbesondere bei Messrohren mit reduziertem Querschnitt das Einbringen des Liners. Ein
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Ausgehend vom vorbekannten Stand der Technik ist es nunmehr Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Messrohr für ein Durchflussmessgerät und ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät bereitzustellen unabhängig vom Querschnitt des Messrohres einfach herstellbar ist.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messrohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch das Bereitstellen eines Verfahrens gemäß Anspruch 9 und durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Ein gattungsgemäßes Messrohr für ein Durchflussmessgerät weist zumindest ein Stützrohr auf und einen Liner, welcher am Innenumfang des Stützrohres angeordnet ist. Erfindungsgemäß umfasst der Liner eine Faserlage aus Filz, Vlies oder Gewebe, wobei die Faserlage rohrförmig ausgebildet und in einem elektrisch-isolierenden Kunststoffmaterial eingebettet ist.
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Der vorgenannte Kunststoff ist entsprechend ausgehärtet und bietet auch mechanisch eine gute Materialfestigkeit und einen Abrasionsschutz.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Anspruchs 1 sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es ist von Vorteil, wenn die Faserlage aus einem chemisch-beständigen und mechanisch beanspruchbaren Material besteht. Daher ist es von Vorteil, wenn die Faserlage aus Glasfasern, Polyamidfasern und/oder Acrylfasern, insbesondere aus Textilglas, besteht.
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Es ist von Vorteil, wenn das elektrisch-isolierende Kunststoffmaterial ein ungesättigter Polyesterharz, Polyesterharz, Epoxidharz und/oder Vinylesterharz umfasst. Dieses Material besitzt einerseits eine gute mechanische Festigkeit als auch andererseits eine gute Diffusionsdichtigkeit um ein diffusionsbedingtes Unterwandern des Liners durch das Messmedium oder ein Aufquellen des Linermaterials und damit eine Verengung des Rohrquerschnitts zu verhindern.
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Das Kunststoffmaterial weist vorteilhaft Photoinitiatoren, Härter, Polymerisationsbeschleuniger und/oder Polymerisationskatalysatoren auf. Diese sind Überreste eines Aushärtungsprozesses, welcher besonders ökonomisch erfolgen kann. Sie sind zudem Indiz dafür, dass das Aushärten erst nach dem Einfügen des Liners in das Stützrohr erfolgt ist.
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Es ist von Vorteil, wenn das Stützrohr ein Metallrohr, insbesondere ein Stahlrohr, ist. Das Stützrohr ist vorteilhaft druckstabil, so dass sich der Innendurchmesser des Messrohres bei den in der Prozessmesstechnik üblichen Mediumsdrücken nicht signifikant ändert.
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Aus Gründen der Strömungskonditionierung kann das Stützrohr gegenüber dem Einlass- oder Auslassbereich des Messrohres einen Bereich mit einem reduzierten Querschnitt aufweisen. In diesem Bereich sind die z.B. im Falle eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes die Magnetspulen und die Messelektroden angeordnet.
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Idealerweise einspricht der reduzierte Querschnitt einem ovalen oder rechteckigen Querschnitt, mit zumindest zwei Seitenflächen, die parallel zueinander angeordnet sind.
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Zwar werden derartige reduzierte Querschnitte bereits in der
JP 2005265831 A beschrieben, es stellt sich jedoch gerade bei diesen Geometrien stets das Problem, wie ein Liner einzubringen ist. Hier ermöglicht die flexible Faserlage in Kombination mit dem Kunststoff die Möglichkeit einer sehr flexiblen Anpassung an die veränderte Innengeometrie des Messrohres. Bei einen Gießliner oder Einschubliner wäre der Herstellungsauswand vergleichsweise höher.
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Zudem würde die Linerdicke bei Anwendung einer Gießmethode unter Verwendung eines Gießharzes insbesondere in den Übergangsbereichen bei der Herstellung unerwünscht schwanken. Es ist daher von Vorteil, wenn die Dicke des Liners entlang des axialen Verlaufs des Messrohres eine Abweichung von weniger als 15%, insbesondere von weniger als 10%, aufweist. Das heißt der Liner ist vorteilhafterweise im Wesentlichen gleichmäßig dick auf dem Stützrohr verteilt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Messrohres umfasst die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellen eines Stützrohres;
- b. Einführen eines Schlauches mit rohrförmigen flexiblen Faserlage aus Filz, Vlies und/oder Gewebe, welches mit einem aushärtbaren Kunststoffmaterial getränkt ist, in das Stützrohr;
- c. Anpressen des Schlauches an das Stützrohr mittels Mediumsdruck, insbesondere Luft- oder Wasserdruck, und
- d. Aushärten des Kunststoffmaterials unter Ausbildung eines Liners.
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Durch dieses Herstellungsverfahren kann auch ein Messrohr mit veränderlichem Querschnitt mit einem Liner mit nahezu einheitlicher Linerdicke versehen werden.
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Es ist von Vorteil, wenn das aushärtbare Kunststoffmaterials Photoinitiatoren aufweist und dass das Aushärten des aushärtbaren Kunststoffmaterials durch Lichthärtung erfolgt. Die Lichthärtung kann insbesondere im UV-Wellenlängenbereich erfolgen.
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Alternativ kann das Anpressen des Schlauches an das Stützrohr gemäß Schritt c) und dass das Aushärten gemäß Schritt d) zeitgleich durch Einleiten eines flüssigen Mediums, insbesondere von Wasser, mit einer Temperatur zwischen 60 bis 95°C erfolgen.
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Das Messrohr kann insbesondere in einem magnetisch-induktiven Durchflussmessgerät eingesetzt werden. Dieses Durchflussmessgerät ist ein Gerät der Prozessmesstechnik.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail näher erläutert. Es zeigt:
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1 schematische Darstellung eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes.
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Der Aufbau und das Messprinzip eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes ist grundsätzlich bekannt. Gemäß dem Faraday‘schen Induktionsgesetz wird in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Spannung induziert. Beim magnetisch-induktiven Messprinzip entspricht der fließende Messstoff dem bewegten Leiter. Ein Magnetfeld mit konstanter Stärke wird durch zwei Feldspulen zu beiden Seiten eines Messrohres erzeugt. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres zwei Messelektroden, welche die beim Durchfließen des Messstoffes erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch die Feldspulen aufgebaute Magnetfeld wird durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlich gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenitäten in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Feldspulen bekannt und anderer geometrischer Anordnung bekannt. Die Anmelderin stellt seit mehreren Jahrzehnten magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte in unterschiedlichen Abmessungen und Ausgestaltungen beispielsweise unter dem Namen „Promag“ her.
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1 zeigt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit einem Stützrohr 3 eines mediumsführenden Messrohres 2, welches Stützrohr 3 eine Messrohrachse A aufweist und vorzugsweise als Metallrohr ausgebildet ist.
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Das Stützrohr 3 weist endständig Flansche 4 auf, welche jeweils über zumindest eine Anschlussfläche 9 verfügen. Diese Anschlussfläche 9 dient zum Anschluss an ein Prozessrohr einer Prozessleitung, welches in 1 nicht näher abgebildet ist.
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Am Stützrohr 3 sind an dessen Außenumfang zwei diametral gegenüberliegende Magnetsysteme 6 ausgebildet, welche ein Magnetfeld erzeugen, das das Messrohr 2 durchsetzt. Am Außenumfang um 90° dazu versetzt sind zudem Messelektroden 7 angeordnet, welche in Abhängigkeit der Strömung des Messmediums eine induzierte Spannung abgreifen und an eine Auswerteeinheit 8 weitergeben. Die Messelektroden 7 sind in Kontakt mit dem Messmedium.
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Im Stützrohr 3 ist eine Kunststoffauskleidung, der sogenannte Liner 5, angeordnet, welcher eine zum metallischen Stützrohr elektrisch-isolierende Schicht darstellt.
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Der Liner
5 umfasst eine Faserlage
11, also um ein Flächengebilde aus Fasermaterial. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zur
DE 10 2008 014 712 A1 , da hier Pflanzenfasern lediglich als Armierung genutzt werden und einzeln und nicht als flächiges Element im Kunststoff vorliegen. Demgegenüber ist die Faserlage
11 ein Flächengebilde, welches sich z.B. bewegen und als Schlauchmaterial einziehen lässt. Die Faserlage
11 ist entsprechend der vorgegebenen Innenkontur des Stützrohres
3 rohrförmig ausgebildet und in ein ausgehärtetes Kunststoffmaterial
12 eingebettet
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Es handelt sich bei dem Messrohr 2 um ein fertiges Zwischenprodukt, um welches Sensorelemente eines Durchflussmessgerätes herum angeordnet werden können. In 1 ist beispielhaft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät dargestellt, es können allerdings auch andere Durchflussmessgeräte mit einem Messrohr mit diesem speziellen Liner versehen werden.
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Demgegenüber ist das Kunststoffmaterial während der Herstellung des Messrohres nicht ausgehärtet, so dass das die rohrförmige Faserlage mit dem Kunststoffmaterial flexibel ist. Bei dem Kunststoffmaterial kann es sich beispielsweise um Monomere, Oligomere oder unvernetzte Polymerketten handeln, welche im Aushärtungsprozess polymerisieren oder vernetzen.
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Vor dem Aushärten wird die schlauchartige Faserlage 11 gegen die Wand des Stützrohres 3 gepresst. Dies kann durch z.B. durch einen zylindrische oder konische beheizten Dorn erfolgen, welcher das rohrförmige Flächengebilde aufweitet und somit gegen die innere Stützrohrwandung presst und zugleich beheizt und somit aushärtet. In diesem Fall kann das Kunststoffmaterial 12 zur Unterstützung der Polymerisation oder Quervernetzung ein Polymerisationsbeschleuniger aufweisen, welcher bei höheren Temperaturen eine erhöhte Reaktionsfähigkeit aufweist. Nach dem Aushärten liegt eine formstabile Kunststoffauskleidung vor, welche an der Innenwandung des Stützrohres 3 anliegt.
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Es sind auch vielfältige andere Aushärtungsvarianten denkbar und praktikabel. So kann z.B. eine Lichtverhärtung erfolgen, indem das schlauchförmige Flächengebilde der mit kunststoff-getränkten Faserlage vermittels eines Mediumsdruckes, z.B. mittels Luftdruck, an das Stützrohr gepresst wird und anschließend oder währenddessen mittels Lichtbestrahlung, insbesondere mittels UV-Bestrahlung, besonders bevorzugt in einem Wellenlängenbereich zwischen 365 bis 420 nm, ausgehärtet wird.
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Auch eine Warmhärtung mittels Wasser kommt für die Aushärtung im Rahmen der Erfindung in Betracht, wobei beispielsweise Wasser mit einer Temperatur zwischen 60 bis 95°C zum Aushärten genutzt werden. Zugleich kann der Wasserdruck zum Aufweiten und zum Anpressen des schlauchförmigen Flächengebildes an das Stützrohr genutzt werden. Die Dauer und die Zirkulation während des Aushärtens ist beliebig einstellbar und hängt z.B. von der Linerdicke ab.
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Es kann ebenfalls eine Kalthärtung genutzt werden. Dabei wird die Umgebungstemperatur zum Aushärten genutzt. Diese kann auch lediglich 10–40°C betragen. Das schlauchförmige Flächengebilde, also die kunststoff-getränkte Faserlage, wird durch Luftdruck an die Innenwandung des Stützrohres gepresst und härtet in diesem Zustand aus. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Fasermaterial kurz zuvor mit einem polymerisationsaktiven aushärtbaren Kunststoffharz getränkt wurde. Dieser kann zuvor durch Zugabe eines Initiators, eines Polymerisationsbeschleunigers und/oder eines Härters aktiviert worden sein. Diese entsprechenden Agentien finden sich folglich auch noch in Resten in der ausgehärteten Kunststoffmischung wieder.
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Aufgrund der flexiblen Anpassung an die Form des Messrohres entsteht eine vergleichsweise gleichmäßig ausgebildete Linerschicht 5. Eine übliche Linerschichtdicke beträgt zwischen 0,5 mm bis 1 cm. Diese Schichtdicke variiert im axialen Verlauf unabhängig von der Form des Messrohres, z.B. möglichen Verengungen oder Biegungen, um weniger als 15% der mittleren Schichtdicke, insbesondere um weniger als 10 % der mittleren Schichtdicke.
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Die vorgenannten Linermaterialien erfüllen zudem die für das Messprinzip notwendigen Anforderungen an die Diffusionsdichtigkeit, mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung, so dass das fertige Messrohr 2 keine Nachteile gegenüber anderen marktüblichen Messrohren für magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte aufweist.
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Zusätzlich kann die kunststoffgetränkte Faserlage 11 im nicht-ausgehärteten Zustand bei der Herstellung über die Anschlussflächen 9 erstreckt werden. Alternativ kann auch zusätzliches Kunststoffmaterial 10 über den Anschlussflächen 9 angeordnet sein, um eine zusätzliche Dichtwirkung zur Prozessleitung hin zu gewährleisten. Dabei ist das endständig-angeordnete Kunststoffmaterial 10 vorzugsweise analog dem ausgehärteten Kunststoffmaterial 12 in welchem die Faserlage 11 eingebettet ist. Die beiden Kunststoffmaterialien 10 und 12 können miteinander verschweißt werden. In 1 ist zudem eine Dichtung 13 dargestellt. Diese kann z.B. aus Teflon bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Stützrohr
- 4
- Flansche
- 5
- Liner
- 6
- Magnetsystem bzw. Magnetspulen mit Polschuh
- 7
- Messelektrode
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Anschlussfläche
- 10
- Linermaterial
- 11
- Faserlage
- 12
- Kunststoffmaterial
- 13
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008014712 A1 [0005, 0032]
- EP 2192390 A2 [0006]
- JP 2005265831 A [0018]
