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Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und zwei Verwendungen dieses Durchflussmessgerätes.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte dienen der Durchflussmessung eines Messmediums in einer Rohrleitung. Typischerweise wird in diesen Durchflussmessgeräten innerhalb des Messrohres eine elektrisch-isolierende Verkleidung, ein sogenannter Liner, eingesetzt.
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Die Art und Auswahl eines geeigneten Linermaterials beschränkt den Anwendungsbereich des magnetisch-induktives Durchflussmessgerätes. In der Vergangenheit wurden im Stand der Technik mehrere Durchflussmessgeräte mit Linern aus verschiedenen Materialien für unterschiedliche Anwendungen vorgestellt.
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Für den Trinkwasserbereich herrschen besonders strenge Auflagen, welche eine Vielzahl von Linern nicht erfüllen. Zugleich haben die Liner, welche im Trinkwasserbereich eingesetzt werden, eine begrenzte Temperaturstabilität. Unter anderem sind sie daher für Lebensmittelanwendungen, in welchen auch Wasserdampf zum Desinfizieren, z.B. in einem CIP-Verfahren, eingesetzt wird, nicht oder nur bedingt geeignet.
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Es ist bekannt Polyethylen-Auskleidungen in Aufbewahrungsbehältnissen für Trinkwasser einzusetzen. Polyethylene sind als Kunststoffe trinkwasser-zugelassen, so dass bei deren Einsatz keine Gefährdung für Mensch, Tier und Umwelt ausgelöst wird (Siehe „Trinkwasser unser höchstes Gut Auskleidungen von Trinkwasserbehältnissen mit Polyethylen" Andreas Kunz, GFW Wasser/Abwasser, Mai 2010, S.72–75).
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Ausgehend von dieser Vorbetrachtung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät für den Einsatz im Trinkwasser- und Lebensmittelbereich bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 oder des Merkmals 11.
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Ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät umfassend in an sich bekannter Weise ein Messrohr, zumindest ein Magnetsystem zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und zumindest ein Messelektrodenpaar zum Abgriff einer erzeugten Spannung, wobei das Messrohr insbesondere ein metallisches Außenrohr mit einer messmediumsberührenden elektrisch-isolierenden Kunststoff-Auskleidung aufweist.
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Die elektrisch-isolierende Kunststoff-Auskleidung weist zumindest bereichsweise zumindest zu 80 Gew.% ein vernetztes Polyethylen auf.
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Bereichsweise bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im vorliegenden Fall auch eine Oberflächenvernetzung einer Kunststoff-Auskleidung aus Polyethylen in Frage kommt, so dass die Auskleidung zumindest oberflächlich zumindest zu 80 Gew.% vernetztes Polyethylen aufweist. Diese Variante ist allerdings gegenüber einer elektrisch-isolierenden Kunststoffauskleidung, welche zu 80 Gew.% aus vernetztem Polyethylen gebildet ist, und somit überall im der Auskleidung das vernetzte Polymer aufweist, weniger bevorzugt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Kunststoff-Auskleidung kann vorteilhaft ausschließlich aus vernetztem Polyethylen bestehen und somit einheitlich gute Materialeigenschaften aufweisen. Zugleich ist eine gegenüber unvernetzem Polyethylen geringere Gasdiffusion gegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn das vernetzte Polyethylen der Kunststoff-Auskleidung einen Vernetzungsgrad von mehr 60%, vorzugsweise von mehr als 75% aufweist. Dieser Vernetzungsgrad kann beispielsweise anhand einer Verlaufsgerade einer DSC-Messung (Differential Scanning Calorimetry) bestimmt werden. Der hohe Vernetzungsgerad bewirkt eine erhöhte Zähigkeit des Materials. Dies wiederum hat Vorteile beim Einziehen eines vorgefertigten rohrförmigen Elements aus dem Polyethylenmaterial in das metallische Außenrohr beim Herstellen des Messrohres.
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Das vernetzte Polyethylen der Kunststoff-Auskleidung kann vorteilhaft eine Dichte von 0,933 bis 0,946 g/cm3 aufweisen, wobei die Vernetzung dergestalt ist, dass Kohlenstoffatome zweier Polyethylenketten unmittelbar miteinander verbunden sind. Eine solche verringerte Dichte gegenüber unvernetzem Polyethylen kann z.B. in Folge einer Peroxidvernetzung ermöglicht werden. Die geringere Dichte ermöglicht eine bessere Materialverarbeitung durch erhöhte Materialelastizität.
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Die Vernetzung des vernetzten Polyethylen der Kunststoff-Auskleidung kann alternativ vorteilhaft dergestalt erfolgen, dass Kohlenstoffatome zweier Polyethylenketten über eine Brückenbindung, insbesondere eine Mehrzahl an Brückenbindungen, miteinander verbunden sind welche zumindest eine Si-O-Si-Einheit aufweist. Diese Vernetzungsvariante ist auch als Silanvernetzung bekannt.
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Das vernetzte Polyethylen kann durch Peroxidvernetzung, Silanvernetzung, Elektronenstahlvernetzung oder Azovernetzung gebildet sein.
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Anders als drucktragende Rohre weist die Kunststoff-Auskleidung lediglich eine Dicke von weniger als 4mm auf, vorzugsweise jedoch in Abgrenzung zu einer Beschichtung eine Dicke zwischen 1 bis 3,5mm.
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Die Kunststoff-Auskleidung kann einen ersten, insbesondere rohrförmigen, Bereich aufweisen, welcher sich über die Länge des Messrohres erstreckt, wobei das Messrohr an jedem Ende einen Flansch mit einer Prozessanschlussfläche oder einen Flanschanschlag mit einer Prozessanschlussfläche aufweist. An dieser Prozessanschlussfläche liegt der Flansch an einem Prozessanschlusses einer Rohrleitung an. Ein Flanschanschlag ist bei Losflanschen üblich. Dieser kann beispielsweise durch Bördelung des metallischen Außenrohres erreicht werden. Die Kunststoff-Auskleidung weist vorteilhaft einen zweiten Bereich auf, welcher bereichsweise die beiden endständigen Prozessanschlussflächen bedeckt. Dieser Bereich kann radial von dem ersten Bereich weg verlaufen und eine sogenannte Dichtleiste zum Prozessanschluss der Rohrleitung hin ausbilden.
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Der zweite Bereich, welcher ebenfalls aus dem vernetzten Polyethylen besteht, kann gebördelt sein oder durch eine Schweißnaht mit dem ersten Bereich der Kunststoff-Auskleidung verbunden sein.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes liegt in der Ermittlung des Durchflusses in einer trinkwasserführenden Leitung. In diesem Bereich ist die Anwendung bisheriger Durchflussmessgeräte des magnetisch-induktiven Typs auf bestimmte Temperaturbereiche begrenzt gewesen. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes ermöglicht überraschend den Einsatz auch für bislang schwierige Messaufgaben im Trinkwasserbereich.
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Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung besteht im Einsatz des erfindungsgemäßen Durchflussmessgerätes in einer Warm- oder Heißwasserleitung oder einer Leitung in welcher Einsatz zumindest zeitweise ein Medium mit einer Temperatur von mehr als 80°C, insbesondere ein Medium mit einer Temperatur zwischen 80°C und 130°C, durchgeleitet wird. Eine Warmwasserleitung sollte ausgelegt sein für Medium mit einer Temperatur bis zu 60°C. Eine Heißwasserleitung ist ausgelegt für eine Mediumstemperatur zwischen bis zu 90°C. Das Durchflussmessgerät eignet sich unter anderem auch für den Dauergebrauch, also einem Gebrauch über mehr als 2 Stunden, für Leitungen die ausgelegt sind für eine Mediumstemperatur von bis zu 130 °C. Hier sind auch CIP-Reinigungen mit Wasserdampf möglich.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:
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1 schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts.
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Magnetisch induktive Durchflussmessgeräte finden vielfach Anwendung in der Prozess- und Automatisierungstechnik für Fluide ab einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 5 S/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 eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgerätes 1, wie es in 1 abgebildet ist, 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 bzw. das Messmedium dem bewegten Leiter. Ein Magnetsystem 3 zur Ausbildung eines Magnetfeldes kann beispielsweise durch zwei Feldspulen, welche diametral an einem Messrohr 2 angeordnet sind, gebildet werden. Senkrecht dazu befinden sich an der Rohrinnenwand des Messrohres 2 zwei Messelektroden 4 welche die beim Durchfließen des Messstoffe erzeugte Spannung abgreifen. Die induzierte Spannung verhält sich proportional zur Durchflussgeschwindigkeit und damit zum Volumendurchfluss. Das durch das Magnetsystem 3 aufgebaute Magnetfeld kann durch einen getakteten Gleichstrom wechselnder Polarität erzeugt werden. Dies gewährleistet einen stabilen Nullpunkt und macht die Messung unempfindlicher gegenüber Einflüssen durch Mehrphasenstoffe, Inhomogenität in der Flüssigkeit oder geringer Leitfähigkeit. Es sind magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte mit Spulenanordnungen mit mehr als zwei Magnetspulen und anderer geometrischer Anordnung bekannt.
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1 zeigt ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät 1 mit dem Messrohr 2 und einer im Messrohr 2 angeordneten elektrisch-isolierenden Kunststoffauskleidung 6, den sogenannten Liner. Der Liner umfasst zumindest bereichsweise zu 80 Gew.% ein vernetztes Polyethylen. Ein Liner mit lediglich einem bereichsweisen vorgenannten Anteil an vernetztem Polyethylen kann z.B. durch Strahlenvernetzung erreicht werden. Diese Variante ist jedoch aufgrund seiner Materialeigenschaften gegenüber einem Liner mit einem Anteil an 80Gew.% an vernetzem Polymer über die gesamte Dicke des Liners eine nachteilige Veriante.
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In einer besonders bevorzugten Variante besteht der gesamte Liner ausschließlich aus PE-X Material.
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Die PE-X-haltige Auskleidung ist flexibel und auch für Wasser in Heißwasserleitungen eingesetzt werden. Hier war der bisherige Einsatz Durchflussmessgerätes mit einem unvernetzten PE-Liner bislang begrenzt, da Polyethylen lediglich eine Einsatztemperatur bis 80°C aufweist. Darüber hinaus kommt es zu einer Materialveränderung, beispielsweise zu Verformungen des Liners, was für hohe Messungenauigkeiten sorgt.
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Das erfindungsgemäße Messgerät weist aufgrund der Verwendung von PE-X Kunststoffliner einen erweiterten, bislang im Trinkwasser- und Lebensmittelbereich nicht-erreichbaren, Einsatzbereich auf.
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Darüber weist das Linermaterial, insbesondere das PE-Xa, also das Peroxidvernetzte Polyethylen, eine höhere Flexibilität aufgrund einer geringeren Dichte von 0,933 bis 0,946 g/cm3 gegenüber herkömmlichen Polyethylen geringeren Dichte (0,955 g/cm3) auf. Dadurch kann ein Liner 6 besser in ein metallisches Außenrohr des Messrohres 2 eingebracht, insbesondere eingezogen, werden.
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Somit besitzt auch das vernetzte Polyethylen im Vergleich zum herkömmlichen Polyethylen eine hinreichend hohe Flexibilität um als Auskleidung in einem Messrohr eingesetzt zu werden. Zudem ist die Einsatztemperatur deutlich höher als bei herkömmlichen Polyethylen und es besitzt ebenso wie Polyethylen eine Trinkwasserzulassung.
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Auch eine bessere Gasdiffusion z.B. bei Methan und Wasserstoff konnte bei vernetzten Polyethylen-Auskleidungen gegenüber herkömmlichen Polyethylen-Auskleidungen festgestellt werden. Dies verringert u.a. bei Medien mit hohem Gasdruck die Gefahr einer Gasdiffusion durch den Liner zum metallischen Messrohr hin.
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Das Messrohr 2 weist zwei Flansche 5 auf, welche eine Verbindung mit einem Prozessanschluss ermöglichen. Die Außenwandung des Messrohres 2 weist oberhalb und unterhalb der Messrohrachse das Magnetsystem 3 auf, welches in 1 in Form von zwei Magnetspulen dargestellt ist.
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Dieses Magnetsystem erzeugt im Betrieb des magnetisch induktiven Durchflussmessgerätes ein Magnetfeld. Bei horizontalem Einbau auf gleicher Höhe wie die Messrohrachse sind die zwei Messelektroden 4 angeordnet, welche sich diametral gegenüberstehen und im Betrieb eine im Messmedium erzeugte Spannung abgreifen. Sofern der Volumendurchfluss gemessen werden soll, ist es besonders von Bedeutung, dass die Befüllung des Messrohres 2 möglichst vollständig ist. Daher kann an der Messrohrachse bei horizontalem Einbau am höchsten Punkt des Innendurchmessers des Messrohres 2 eine Elektrode 7 eines Füllstandsüberwachungssystems angeordnet sein, welche im vorliegenden Fall als Messstoffüberwachungselektrode, kurz MSÜ-Elektrode, ausgebildet ist. Diese erstreckt sich durch den Liner 6, sowie die metallische Messrohrwandung des Messrohres 2 und ist an der mediumsabgewandten Seite der Außenwandung des Messrohres 2 befestigt.
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Innerhalb der MSÜ-Elektrode kann ein Temperatursensor in Form eines Widerstandsthermometers angeordnet sein.
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Die Mess- und Auswerteeinrichtung 8 ermöglicht die Steuerung des Betriebs des magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 und insbesondere der Energieversorgung des Magnetsystems 3 durch ein Energieversorgungssystem.
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Nachfolgend sollen die einzelnen vernetzten Polyethylen-Varianten, welche im vorliegenden Fall als Linermaterial in Frage kommen, kurz erläutert werden:
Die Herstellung des sogenannten PE-Xa beruht auf einer Peroxidvernetzung. Nach dem sogenannten Engel-Verfahren wird aus einem grießförmigen PE-HD/Peroxidgemisch eine Auskleidung gesintert und aufgeschmolzen und somit in die endgültige Form gebracht. Sodann wird bei einer Temperatur zwischen 200 und 250 °C, oberhalb der Kristallitschmelztemperatur, das Polyethylenmaterial vernetzt. Der derart gebildete Liner weist im Vergleich zum Ausgangsstoff nur geringe Materialspannungen und eine hohe Flexibilität auf. Das Material ist weicher und zäher als strahlenvernetztes Polyethylen und lässt sich folglich noch besser als das PE-Xc als Auskleidung in einem erfindungsgemäßen Durchflussmessgerät verwenden.
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Alternativ kann die Vernetzung auch in einem modifizierten Verfahren, dem sogenannten PAM-(Pont-a-Mousson-)Verfahren, erfolgen. Dabei wird die extrudierte Auskleidung in einem heißen Salzbad in der Kalibrierzone vernetzt.
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Alternativ kann auch im zweistufigen Daopex-Verfahren die Vernetzung erfilgen. Dabei werden normal extrudierte PE-LD-Rohre durch Lagerung in einer peroxidhaltigen Emulsion unter Druck bei Temperaturen über dem PE-Kristallitschmelzpunkt von außen her vernetzt.
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Nach DIN 163892, in der aktuellen Fassung zum Zeitpunkt der Erstanmeldung der vorliegenden Erfindung, ist beispielsweise für Rohre aus PE-XA ein Vernetzungsgrad von über 75 % vorgeschrieben. Ein entsprechender Vernetzungsgrad empfiehlt sich auch für PE-Auskleidungen in Messrohren als besonders bevorzugt. Mit dem Engel-Verfahren können Vernetzungsgrade bis 99,5 % erzielt werden.
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PE-Xb wird durch Silanvernetzung hergestellt. Verschiedene Herstellungsverfahren, wie z.B. das Monosil-, das Sioplas-, das Spherisil- oder das Hydro-Cure-Verfahren können zur Herstellung genutzt werden. Dabei werden silangepfropfte Polyethylenverbindungen unter Zumischung eines Silan-Vernetzungskatalysators vernetzt. Die Vernetzungsreaktion erfolgt bei einer Heißwasser-Druck-Behandlung unter Si-0-Si- Brückenbildung.
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Elektronenstrahlvernetzte Polyethylene PE-Xc können in Bestrahlungsanlagen bei Temperaturen unter dem Kristallitschmelzpunkt aus linearen Polyethylenmolekülen unter Abspaltung von Wasserstoff gebildet werden. Als Strahlenquellen können Elektronenstrahl- Beschleuniger oder lsotopen-(b- oder g-)Strahler genutzt werden. Die Eindringtiefe der Strahlung kann derart reguliert werden, dass auch lediglich eine Oberflächenvernetzung erfolgen kann. Diese Variante ist allerdings als nachteilig anzusehen, da es bei der Durchleitung von Medien von über 80°C zu temperaturbedingten Verformungen des Materials unterhalb der Oberfläche kommen kann.
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Eine weitere Variante zur Bereitstellung einer Kunststoff-Auskleidung aus vernetzem Polyethylen besteht in der Herstellung von vernetzen Polyethylenen in Folge einer Azovernetzung. Nach dem Lubonyl-Verfahren werden einer Polyethylen-Verbindung Azoverbindungen zugemischt. die in einem heißen Salzbad mit Stickstoff unter Brückenbildung vernetzen.
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Ein aus einem der vorgenannten PE-X Materialien gebildeter Liner bzw. eine Kunststoff-Auskleidung 6 erfüllt die Anforderungen der Trinkwasserzulassungen nach den folgenden Prüfgrundlagen: DVGW GW 335-A3 (01.06.2003), UBA KTW (07.10.2008), DVGW W 270 (01.11.2007).
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Der Liner kann bevorzugt als fertiges rohrförmiges Halbzeug mit einer Dicke von weniger 4 mm, vorzugsweise 1 bis 3,5 mm extrudiert und in das Außenrohr des Messrohres (Stahl) eingezogen werden. Somit sind die vorgenannten Herstell-Varianten bevorzugt, in welchen eine Kunststoff-Verkleidung in einem Extrudierverfahren bereitgestellt wird. Die Enden des rohrförmigen Halbzeuges können mit einer Heizplatte zu einer gebördelten Dichtleiste umgeformt werden. Alternativ kann PE-X-Material auch an die Enden des rohrförmigen Halbzeugs im eingezogenene Zustand als radial hervorstehende und auf den Prozessanschlussfläches des Flansches 5 aufliegende Dichtleiste auch angeschweißt werden. Diese Dichtleiste ist in der Ausführungsvariante der 1 nicht dargestellt. Sie kann allerdings an dargestellten den Liner 6 endständig angeschweißt werden und den Flansch 5 entlang seiner Stirnseite zu einem Prozessanschluss hin bereichsweise oder vollständig bedecken.
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PE-X besitzt im Gegensatz zu den Standard-PE-Typen eine höhere Dauergebrauchstemperatur. Es ist zudem günstiger als vergleichbare Kunststoffe in diesem Temperaturanwendungsbereich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Magnetsystem
- 4
- Messelektroden
- 5
- Flansche
- 6
- Kunststoffauskleidung
- 7
- MSÜ-Elektrode
- 8
- Auswerteeinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Trinkwasser unser höchstes Gut Auskleidungen von Trinkwasserbehältnissen mit Polyethylen“ Andreas Kunz, GFW Wasser/Abwasser, Mai 2010, S.72–75 [0005]
- Saechling „Kunststoff-Handbuch“, Carl-Hanser Verlag 2013, 31. Auflage im Kapitel „6.2.2 Polyethylen-Derivate PE-X” S.443–445 [0028]
- DIN 163892 [0042]
