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Die Erfindung betrifft ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetisch-induktive Durchflussmessgeräte, deren Funktionsweise auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion (= Faraday'sche Induktion) beruht, sind seit vielen Jahren bekannt und werden in der industriellen Messtechnik umfangreich eingesetzt. Nach dem Induktionsgesetz entsteht in einem strömenden Medium, das Ladungsträger mit sich führt und durch ein Magnetfeld hindurchfließt, eine elektrische Feldstärke senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zum Magnetfeld. Das Induktionsgesetz wird bei magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräten dadurch ausgenutzt, dass mittels einer Magnetfelderzeugungseinrichtung, die üblicherweise zwei bestromte Magnetspulen aufweist, ein Magnetfeld erzeugt wird, das wenigstens teilweise durch das Messrohr geführt wird, wobei das erzeugte Magnetfeld wenigstens eine Komponente aufweist, die senkrecht zur Strömungsrichtung verläuft. Innerhalb des Magnetfeldes liefert jedes sich durch das Magnetfeld bewegende und eine gewisse Anzahl von Ladungsträgern aufweisenden Volumenelement des strömenden Mediums mit der in diesem Volumenelement entstehenden Feldstärke einen Beitrag zu einer über die Elektroden abgreifbaren Messspannung.
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Da die über die Elektroden abgegriffene induzierte Spannung proportional zur über den Querschnitt des Messrohres gemittelten Strömungsgeschwindigkeit des Mediums ist, kann aus der gemessenen Spannung bei bekanntem Durchmesser des Messrohres direkt der Volumenstrom bestimmt werden. Voraussetzung für den Einsatz eines magnetisch-induktives Durchflussmessgeräts ist lediglich eine Mindestleitfähigkeit des Mediums. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass das Messrohr zumindest soweit mit dem Medium gefüllt ist, das der Pegel des Mediums oberhalb der Messelektroden liegt.
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Derartige Messgeräte sind hinlänglich bekannt, beispielsweise aus den deutschen Patentschriften
DE 10 2007 004 827 B4 und
DE 10 2007 004 826 B4 , und sind im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen sowie die Elektroden unmittelbar an bzw. in der Wandung des Messrohrs angeordnet sind.
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Die Messelektroden bestehen zumeist aus einem zylindrischen Grundkörper und einen Elektrodenkopf, welcher mit dem Medium in Kontakt steht. Der Elektrodenkopf ist dabei typischerweise pilzförmig ausgestaltet, wie bspw. aus der
DE 10 2021 127 943 B3 bekannt ist, kann aber auch eine zum Medium gerichtete kegelförmige Außenkontur aufweisen, wie aus der
CN 2 09 197 811 U bekannt ist.
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Um einerseits einen Kurzschluss zwischen den Messelektroden untereinander sowie zwischen den Messelektroden und dem Messrohr zu vermeiden und andererseits auch den Anforderungen bei Anwendungen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie zu genügen, ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass das Messrohr innenseitig bspw. mit einem Liner aus PFA oder PTFE ausgekleidet bzw. beschichtet ist. Diese Materialien sind vergleichsweise weich, so dass, wie bspw. aus
3 der
DE 10 2021 127 943 B3 zu entnehmen, beim Zusammenbau die Messelektroden, d.h. die Unterseiten der Elektrodenköpfe, in den weichen Werkstoff eingezogen werden und somit eine hygienische Abdichtung der Messelektroden gegenüber dem Messrohr realisiert ist.
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Eine hygienische Abdichtung erfüllt die Bestimmungen zumindest gemäß EHEDG oder 3A und zeichnet sich dabei insbesondere durch eine Spalt- und Totraumfreiheit im Bereich des Übergangs zwischen Elektrodenkopf und Messrohr bzw. Liner aus.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative, ebenfalls für Hygieneanwendungen geeignete Abdichtung der Messelektroden eines magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im Fokus der Erfindung stehen Messelektroden mit einem Grundkörper und einem Elektrodenkopf, welcher mit dem Medium in Kontakt steht und eine zum Medium gerichtete kegelförmige Außenkontur aufweist. Der Elektrodenkopf jeder Messelektrode ist in einer Öffnung in der Wandung des Messrohrs angeordnet.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich der Liner von der Innenseite des Messrohrs bis in die Öffnung in der Wandung des Messrohrs hinein, in der die Messelektrode angeordnet ist. Der Liner fungiert somit neben seiner eigentlichen Funktion, einen Kurzschluss zwischen den beiden Messelektroden zu vermeiden und für eine hygienisch einwandfrei Auskleidung des Messrohrs im Inneren zu sorgen, gleichzeitig als ein zwischen dem Elektrodenkopf und der Wandung des Messrohrs wirkendes Dichtelement, ohne dass es hierfür eines separaten Dichtelements bedarf. Dabei stehen in der Wandungsöffnung die Außenkontur des Elektrodenkopfes und die Innenkontur des Liners unter einem Winkel zueinander - die Wandungsöffnung muss dann dementsprechend ausgestaltet sein -, so dass eine maximale Verpressung des Liners ausschließlich in einem quasi linienförmigen, dem Medium zugewandten Dichtbereich erfolgt. Der Winkel ist dabei so zu wählen, dass in der Wandungsöffnung die Außenkontur und die Innenkontur sich zum Medium hin immer weiter annähern, d.h. Innen- und Außenfläche von Elektrodenkopf bzw. Liner zum Medium hin spitz zulaufen. Hinsichtlich der kegelförmigen Konturen ist anzumerken, dass dieser Begriff nicht streng im mathematisch-geometrischen Sinn auszulegen ist und daher auch leichte Abweichungen von einer Kegelform, d.h. bspw. mit einem leichten Radius versehene Konturen mit unter diesen Begriff zu verstehen sind.
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Wenn das Messrohr bzw. die Innenseite des Messrohrs mit einem Liner aus vergleichsweise hartem Werkstoff ausgekleidet bzw. beschichtet ist, ergibt sich dann im vorderen, mit dem Medium in Kontakt stehenden Bereich der besagte quasi linienförmige Dichtbereich und weil die maximale Verpressung des Liners ausschließlich in diesem Bereich erfolgt, werden entsprechende Hygienerichtlinien erfüllt. Bevorzugt ist der Liner aus Polyetheretherketon (PEEK) ausgeführt. Es sind aber auch diverse andere Werkstoffe für die Messrohrbeschichtung denkbar. Beispiele wären Emaille/Rilsan/SOL-GEL oder andere nicht-leitfähige Beschichtungen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in der Öffnung in der Wandung des Messrohrs eine Hülse angeordnet ist, die zumindest teilweise eine kegelförmige Innenkontur und eine Durchgangsbohrung aufweist. Die Hülse ist mit der Wandung des Messrohrs stoffschlüssig, vorzugsweise verschweißt verbunden. In der Durchgangsbohrung der Hülse ist die Messelektrode angeordnet und der Liner verläuft zumindest teilweise in dieser Durchgangsbohrung. Messrohr und Hülse sind vorzugsweise aus Metall.
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Der Liner verläuft somit zwischen den jeweils kegelförmigen Konturen der Durchgangsbohrung der Hülse und des Elektrodenkopfes. Der Liner kann so vergleichsweise dünn und vorzugsweise mit einer gleichmäßigen Stärke ausgeführt werden und durch die gewissermaßen koaxial angeordnete zweite kegelförmige Innen- und Außenkontur ergibt sich beim Zusammenbau ein Anschlag, der die Einschraubtiefe der Messelektrode bzw. des Elektrodenkopfes begrenzt.
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Um die Anforderung entsprechender Hygienerichtlinien, bspw. von EHEDG oder 3A, zu erfüllen, sind an der Innenseite des Messrohrs die Übergänge zwischen Liner und Elektrodenkopf bündig ausgeführt. Bei Vorhandensein der zuvor beschriebenen Hülse sind entsprechend auch die Übergänge zwischen Messrohrwandung und Hülse sowie zwischen Hülse und Liner jeweils bündig ausgeführt.
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Für eine zuverlässige und dauerhafte Montage der Messelektroden am bzw. im Messrohr sieht eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Grundkörper der Messelektroden an ihrem dem Elektrodenkopf entgegengesetzten Enden ein Außengewinde aufweisen, auf das eine Mutter aufgeschraubt wird, sodass die Messelektroden mit dem Messrohr fest verbunden sind. Zwischen dem Messrohr und der Mutter ist koaxial zur Längsachse der Messelektroden jeweils ein Federelement angeordnet. Ganz besonders vorteilhaft ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass das Federelement durch Aufschrauben der Mutter eine definierte Vorspannung erfährt, wobei koaxial zur gemeinsamen Längsachse von Federelement und Messelektrode jeweils ein Begrenzungselement angeordnet ist, das dazu geeignet ist, das Zusammendrücken des Federelements zu begrenzen. Durch die Vorspannung des Federelements, die vorzugsweise als Tellerfeder ausgebildet ist, wird eine Rückstellkraft erzeugt, die die erforderliche Flächenpressung garantiert und mit dem Begrenzungselement kann die Federkraft des Federelements eingestellt und trotzdem höhere Kräfte beim Einziehen übertragen werden, ohne dass die zulässigen Spannungen des Federelements überschritten werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein Schnittbild eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts;
- 2 ein vergrößerter Ausschnitt eines Teilbereichs aus 1;
- 3 eine Explosionsdarstellung von 2.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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In 1 ist ein Schnittbild eines erfindungsgemäßen magnetisch-induktiven Durchflussmessgeräts 1 dargestellt, bestehend aus einem Messrohr 2, an dem jeweils stirnseitig ein Flansch angeordnet ist, und zwei Messelektroden 10 mit entsprechendem Aufbau. Auf die Darstellung der für die Messung notwendigen Magnetfelderzeugungseinrichtung wurde hingegen verzichtet.
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Die Innenseite des Messrohrs 2 ist mit einem Liner 20 aus einem nicht-leitenden Werkstoff ausgekleidet. Hierfür kommt wegen der guten chemischen Beständigkeit und der Eignung für Hygieneanwendung insbesondere PEEK infrage. Es sind aber auch diverse andere Werkstoffe für die Messrohrbeschichtung denkbar. Beispiele wären Emaille/Rilsan/SOL-GEL oder andere nicht leitfähige Beschichtungen. Im Bereich der Messelektroden 10 ist das Messrohr 2 umgeformt, um eine ebene Fläche zu erhalten. Mittig in dieser Fläche befindet sich jeweils eine Öffnung 3, in der die Messelektroden 10 angeordnet sind. Der Liner 20 verläuft von der Innenseite des Messrohrs 2 in die Öffnungen 3 mit den Messelektroden 10.
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2 stellt den in 1 mit „A“ gekennzeichneten Bereich vergrößert dar und 3 zeigt davon eine Explosionsdarstellung.
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In der Öffnung 3 ist zunächst eine Hülse 4 mit einer Durchgangsöffnung 4a eingeschweißt, deren medienseitige Oberfläche ebenfalls mit dem Liner 20 beschichtet ist. In diese Hülse 4 ist die Messelektrode 10 eingesetzt und der Liner 20 verläuft nahtlos von der Innenseite des Messrohrs 2 in die Durchgangsöffnung 4a der Hülse 4. Die Messelektrode besteht dabei aus einem zylindrischen Grundkörper 11 und einem Elektrodenkopf 12. Der Liner 20 umgibt innerhalb der Durchgangsöffnung 4a die Messelektrode 10 im Wesentlichen nur im Bereich des Elektrodenkopfes 12.
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Erfindungswesentlich ist, dass der Elektrodenkopf 12 eine kegelförmige Außenkontur aufweist und der Liner 20 auf einer kegelförmigen Innenkontur aufgetragen ist und beide unter einem Winkel zueinander stehen, so dass nach dem Zusammenbau eine maximale Verpressung des Liners 20 ausschließlich in einem quasi linienförmigen, dem Medium zugewandten Dichtbereich erfolgt und damit eine hygienische Abdichtung erreicht wird. Der Zusammenbau erfolgt dabei im Wesentlichen durch Aufschrauben einer Mutter 13 auf das dem Elektrodenkopf 12 entgegengesetzten Ende des Elektrodengrundkörpers 11. Zuvor wurde ein Federelement 14, welches vorteilhafterweise aus Tellerfedern besteht, zusammen mit einem entsprechenden Aufbau, der ein Begrenzungselement 15 umfasst, auf den Elektrodengrundkörper 11 aufgeschoben. Durch das Aufschrauben und Festziehen der Mutter 13 erfährt das Federelement 14 eine definierte Vorspannung. Das koaxial zur gemeinsamen Längsachse von Federelement 14 und Messelektrode 10 angeordnete Begrenzungselement 15 begrenzt das Zusammendrücken des Federelements 14. Durch die Vorspannung des Federelements 14 wird eine Rückstellkraft erzeugt, die die erforderliche Flächenpressung garantiert und mit dem Begrenzungselement 15 kann die Federkraft des Federelements 14 eingestellt und trotzdem höhere Kräfte beim Einziehen übertragen werden, ohne dass die zulässigen Spannungen des Federelements 14 überschritten werden.
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Die in den 2 und 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Liner 20 zwischen den jeweils kegelförmigen Konturen der Durchgangsbohrung 4a der Hülse 4 und des Elektrodenkopfes 12 verläuft. Der Liner 20 kann so vergleichsweise dünn und mit einer gleichmäßigen Stärke ausgeführt werden. Der Liner 20 und die Innenkontur der Hülse 4 stehen dabei unter einem Winkel zueinander, so dass sichergestellt ist, dass eine maximale Verpressung des Liners 20 ausschließlich in dem quasi linienförmigen, dem Medium zugewandten Dichtbereich erfolgt. Durch die gewissermaßen koaxial angeordnete kegelförmige Innen- und Außenkontur ergibt sich beim Zusammenbau ein Anschlag, der die Einschraubtiefe der Messelektrode 10 bzw. des Elektrodenkopfes 12 begrenzt.
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Bei der Ausführungsform ist sichergestellt, dass zumindest die Übergänge zwischen Liner 20 und Elektrodenkopf 12 bündig ausgeführt sind. Bei Vorhandensein der Hülse 4 sind darüber hinaus auch die Übergänge zwischen Messrohrwandung 2 und Hülse 4 sowie zwischen Hülse 4 und Liner 20 jeweils bündig ausgeführt sind. Somit ist die Anordnung leicht reinigbar und spaltfrei, so dass die Anforderung entsprechender Hygienerichtlinien erfüllt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- magnetisch-induktives Durchflussmessgerät
- 2
- Messrohr
- 3
- Öffnung
- 4
- Hülse
- 4a
- Durchgangsbohrung
- 10
- Messelektroden
- 11
- Grundkörper
- 12
- Elektrodenkopf
- 13
- Mutter
- 14
- Federelement
- 15
- Begrenzungselement
- 20
- Liner
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2007 004 827 B4 [0004]
- DE 10 2007 004 826 B4 [0004]
- DE 10 2021 127 943 B3 [0005, 0006]
- CN 2 09 197 811 U [0005]