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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät und ein Verfahren zur Herstellung eines Messrohres für ein Messgerät.
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Ein Messrohr für ein Messgerät weist üblicherweise Stutzen auf, welche zur Festlegung von Messaufnehmer bzw. Sensoren und von Messumformer bzw. Transmitter an dem Messrohr vorgesehen sind.
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Diese Stutzen werden üblicherweise mit dem Messrohr verschweißt. Eine Schweißverbindung hat allerdings vielerlei Nachteile. Z.B. kommt es infolge des hohen Wärmeeintrags beim Schweißen zu einem Materialverzug, der sich in der Regel durch ein Einfallen des Rohrs im Bereich der Stutzenschweißung bemerkbar macht. Hierdurch kann die Messperformance negativ beeinflusst werden. Weil dieser Materialverzug darüber hinaus stark davon abhängt, wie die Schweißung im Detail ausgeführt wird (z.B. aufgrund der Schweißgeschwindigkeit, der Zwischenlagentemperatur, etc.), und weil Stutzenschweißungen an Durchflussmessgeräten in der Regel manuell ausgeführt werden kann es von Durchflussmessgerät zu Messgerät zu erheblichen geometrischen Schwankungen kommen. Dies führt dann zu Schwankungen in der Messperformance, was einer reproduzierbaren Serienfertigung entgegensteht. Weiterhin müssen Stutzen an Durchflussmessgeräten aufgrund von Normvorgaben typischerweise durchgeschweißt werden. Dies führt insbesondere bei Rohren mit hohen Wandstärken zu einer mehrlagigen Schweißung, die entsprechend zeit- und kostenintensiv ausfällt.
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Es sind Kaltumformverfahren bekannt um Sensorstutzen einstückig aus einem Messrohr schweißnahtlos auszubilden. Diese sind allerdings nur bei geringen Wanddicken des Messrohres anwendbar, sodass sich Messrohre für höhere Druckstufen damit nicht herstellen lassen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Messrohr mit zumindest einem Stutzen bereitzustellen, welcher einstückig und nahtlos mit dem Messrohr verbunden ist und welches auch in stärkeren Wandstärken, insbesondere größer 6 mm, ausgebildet sein kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist ein Messgerät, insbesondere ein Durchflussmessgerät, ein Messrohr auf. Dieses Messrohr weist zumindest einen im Warmumformverfahren aus dem Messrohr ausgeformten Stutzen auf. Dieser dient zur Festlegung eines Messaufnehmers, eines Messsignal-Reflektors, insbesondere eines Ultraschall-Reflektors, und/oder eines Messumformers.
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Warmumformverfahren sind seit Langem bekannt. Ein entsprechendes Verfahren wird z.B. durch
H. U. Stein im Artikel „Warmaushalsen von Behälterböden" in „Chemie Ingenieur Technik", 41. Jahrgang 1969 beschrieben. Üblicherweise wird ein Rohr auf 1000 °C bis 1200 °C erwärmt. Dies kann u.a. mittels eines Gasbrenners erfolgen.
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Anders als bei herkömmlichen Rohren stellen Stutzen von Messrohre besondere Anforderung an die exakte Ausrichtung und Ausformung, da von der Ausrichtung des Stutzens z.B. bei einem Ultraschall-Durchflussmessgerät der Signalpfad des Ultraschallsignals vorgegeben wird. Es hat sich gezeigt, dass das Warmumformverfahren für derartige Stutzen geeignet ist.
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Zudem ermöglicht das Warmumformen die Herstellung einer oder mehrerer Schnittstelle zwischen Rohrstück und Sensor bzw. Transducerelement, ohne Schweißen zu müssen. Zudem ist die Herstellung der einzelnen Stutzen entlang der Längsachse des Messrohres und in Umfangsrichtung exakt positionierbar.
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Das Warmumformen kann zudem die Herstellung einer drucktragenden Schnittstelle zwischen Rohrstück und Sensor bzw. Transducerelement unter Beachtung der Vorgaben relevanter Festigkeitsnormen (z.B. DGRL, EN 13480, ASME B31.3) für ein Messrohr ermöglichen.
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Die Schnittstelle zwischen Rohrstück und Sensorstutzen weist einen im Innenraum des Messrohres angeordneten strömungsgünstigen Übergang zwischen Rohr und Stutzen auf. Dies mag für ein normales Rohr kein wesentlicher Aspekt sein, bei einem Messrohr ist dieser Vorteil allerdings zur Vermeidung von Strömungsstörungen im Bereich der Sensoren besonders beachtlich.
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So wird die nachträgliche aufwendige Bearbeitung der Oberfläche im Innenraum des Messrohres vermieden. Die Herstellung des Messrohres mit den Stutzen kann dabei unter serientauglichen und gut reproduzierbaren Bedingungen erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es ist von Vorteil, wenn das Stutzenherstellungsverfahren eine Messrohrwandung von mehr als 6mm, insbesondere mehr als 10mm, zulässt. Damit lässt sich mit einem Messrohr eine große Bandbreite an Druckstufen abbilden, was bei kleinen Stückzahlen zu einem Kostenvorteil führt. Zudem sind Messrohre mit größeren Rohrwanddicken druckstabiler und ermöglichen eine strömungsoptimierte Anströmung der Sensoren.
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Der äußere Aushalsradius raushals ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Aushalshöhe h. Dies ermöglicht zum einen eine hinreichend große Stutzenzylinderfläche für die Anbindung, insbesondere für die druckstabile Anbindung, von Transmittern, Sensoren und/oder Reflektoren am Messrohr. Zum anderen ist damit die Anwendung einfacher semiempirischer Gleichungen zur Festigkeitsauslegung des Stutzens gewährleistet.
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Prinzipiell führen Rohrabzweige zu einer Schwächung der Druckfestigkeit des Rohrs. Im Fall einer Aushalsung führt der verrundete Übergang zwischen Messrohr und Stutzen jedoch zu einer lokalen Versteifung, ähnlich einer Sicke in dünnen Blechen, die der Druckfestigkeit zugute kommt. Dies ist insbesondere für hohe Druckstufen von Bedeutung und ermöglicht die Herstellung von Abzweigen bei einem Minimum an Materialeinsatz. Zur Aufnahme und Umleitung von Biegekräften ist es von Vorteil, wenn der Krümmungsradius des Übergangs größer ist als die Wandungsstärke.
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Herstellverfahren bedingt ist die Wandstärke des ausgehalsten Stutzens geringer als die Wandstärke des Messrohres in einem Bereich in welchem kein Stutzen angeordnet ist. Dies beeinträchtigt die maximal erzielbare Druckstufe jedoch nur geringfügig.
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Die Ausrichtung des Sensorstutzens am Messrohr erfolgt aus Gründen der Ausbildung eines exakten Signalpfades und der reproduzierbaren Herstellung vorzugsweise exakt senkrecht zur Messrohrachse. Der Sensorstutzen weist daher eine Stutzenachse S auf und das Messrohr weist eine Messrohrachse M auf, wobei die Stutzenachse S vorteilhaft senkrecht zur Messrohrachse M angeordnet ist.
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Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass bekannte Warmumformverfahren nur für größere Stutzenabmessungen insbesondere bei Innendurchmesser größer gleich 60 mm zur gewünschten Aushalshöhe h führen. Um auch bei kleineren, für Sensoren typischen Stutzen zu einer ausreichenden Aushalshöhe zu gelangen kommen vorzugsweise Matrizen oder Patrizen zum Einsatz. Der Einsatz von Matrizen und/oder Patrizen ist bei Warmumformverfahren bislang nicht bekannt. Dieser Einsatz ermöglicht die hinreichend formgenaue Ausbildung von auch kleineren Sensorstutzen, insbesondere die Einhaltung der Anforderung, dass der äußere Aushalsradius kleiner oder gleich der Aushalshöhe sein soll.
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Der endbearbeitete Stutzen kann vorteilhaft ein Außen- oder Innengewinde aufweisen. Ebenso vorteilhaft kann er eine äußere Fase aufweisen als Vorbereitung zum Anschweißen eines Stutzenaufsatzes oder eines Sensors.
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Es ist insbesondere von Vorteil, wenn der Stutzen eine ebene Stirnfläche aufweist, deren Flächennormale senkrecht zur Rohrachse verläuft. Dies ermöglicht eine präzise Anbindung von Sensoren, Reflektoren oder Elektronikgehäusen..
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Zudem lässt sich eine solche Fläche als Dichtfläche nutzen: um einen Mediumsaustritt im Bereich der Schnittstelle zwischen ausgehalstem Stutzen und Stutzenaufsatz zu verhindern ist es von Vorteil, wenn im Bereich der Stirnfläche eine Dichtung angeordnet ist.
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Innerhalb der ebenen Stirnfläche kann vorteilhaft eine Sacklochbohrung angeordnet sein, die dazu dient, einen Messaufnehmer bzw. einen Sensor und/oder einen Messumformer bzw. einen Transducer in Bezug zur Messrohrachse ausgerichtet einzubauen.
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Der Innenradius des Stutzens ist vorteilhaft in einem definierten Verhältnis zum Messaufnehmer- und/oder Messunformerdurchmesser ausgebildet, der am Messrohr angeordnet ist.
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Das Messrohr ist aus Metall ausgebildet. Vorteilhaft für die Korrosionsfestigkeit des Messrohres ist es, wenn das Messrohr aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, besteht.
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Erfindungsgemäß wird in einem Verfahren zur Herstellung eines Messrohres nach einem der vorhergehenden Ansprüche eine Matrize und/oder Patrize genutzt.
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Die Besonderheit des Verfahrens liegt insbesondere darin, dass zur Erzielung der Aushalsgeometrie, die durch einen relativ kleinen Außenradius ca. 5–50 mm charakterisiert ist, eine sog. Aushalsmatrize zum Einsatz kommt. Diese Matrize wird nach dem Erwärmen des Rohrausschnitts außen aufgesetzt, mit dem Rohr verspannt, und dann als Gegenkontur beim Hindurchziehen des Aushalsstempels verwendet. Alternativ kann der Aushaltstempel als Gegenpatrize zur Matrize ausgebildet sein, welche auf der anderen Seite gegen das Messrohr gepresst wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme der beiligenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein dickwandiges Messrohr mit Stutzen zum Anschluss von Sensorelementen und/oder einem Elektronikgehäuse;
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2 Schnittansicht des Messrohres der 1;
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3 Matrize zur Ausformung der Stutzen in 1;
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4a Vergrößerung der Schnittansicht im Bereich eines der Stutzen entlang der Messrohrachse;
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4b Vergrößerung der Schnittansicht im Bereich eines der Stutzen senkrecht zur Messrohrachse;
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5 schematische Darstellung eines thermischen Durchflussmessgerätes; und
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6 schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflussmessgerätes.
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In 5 und in 6 sind Durchflussmessgeräte dargestellt, welche nach an sich bekannten Messprinzipien arbeiten.
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Beide Durchflussmessgeräte können als sogenannte In-Line Messgeräte ausgeführt werden, was bedeutet, dass die Sensorelemente in Kontakt mit dem Medium stehen.
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5 zeigt ein thermisches Durchflussmessgerät 1 mit einem Messrohr 2, wobei der Messaufnehmer dieses Geräts, von außen nicht sichtbar. in das Messrohr 2 hineinragt. Der Messaufnehmer ist mit dem Messumwandler 4, dem sogenannten Transmitter, über ein stabförmiges Element 5 verbunden. Das Messrohr 2 weist einen Stutzen 3 auf, an welchem die Anordnung aus Messaufnehmer und Messumwandler angebracht ist. Die Anbringung muss den Druckanforderungen der jeweiligen Applikation genügen. Dies kann z.B. durch eine Verschraubung oder eine Verschweißung der Anordnung mit dem Messrohr 2 erfolgen.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ultraschall-Durchflussmessgeräts 11 mit einem Messrohr 14. Es weist zwei Ultraschallwandlerpaare auf. Die Zahl der Ultraschallwandler 12 und deren Anordnungen am Messrohr 14 kann sehr unterschiedlich gewählt werden. In 6 wird das Ultraschallsignal entlang eines geraden Ultraschallpfades 13 zwischen jeweils einem Wandlerpaar übertragen. Weiterhin können am Messrohr 14 weitere Sensoren angeordnet sein, welche in 6 lediglich beispielhaft als Druck- und Temperatursensor 15 und 16 dargestellt sind. Die Ultraschallwallwandler 12 sowie der oder die weiteren optionalen Sensoren 15 und 16 sind mit einer Auswerteeinheit 17 verbunden. Diese kann beispielsweise als Teil eines Transmitters ausgebildet sein.
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Die Ultraschallwandler, die optionalen weiteren Sensoren und ggf. auch die Transmittereinheit sind üblicherweise über Stutzen an dem Messrohr 14 angeordnet..
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Einstückig ausgebildete nahtlose Messrohr-Stutzen-Anordnungen sind bei dünnen Messrohrwänden bereits Stand der Technik. Diese werden durch Kaltumformungsverfahren wie z.B. Hydroforming- oder Tiefziehverfahren hergestellt. Ein einstückig-nahtlos ausgebildeter Stutzen an einem Messrohr ist bei Messrohren mit dicken Rohrwandungen allerdings kaltumgeformt nicht anwendbar. Daher ist es üblich die entsprechenden Stutzen an das Messrohr anzuschweißen, mit all den bekannten Nachteilen.
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1, 2, 4a und 4b zeigen ein warmumgeformtes Messrohr 21. An dem Messrohr 21 ist ein Stutzen 18 ausgeformt. An diesem Stutzen 18 kann ein Messaufnehmer oder ein Messunformer angeordnet sein. Dies kann vorzugsweise durch Verschweißen oder durch Verschrauben erfolgen. Bei letzterer Variante ist vorzugsweise ein Gewinde am Stutzen am Außenumfang oder am Innenumfang des Stutzens eingebracht.
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Der Übergang 19 zwischen dem Stutzen 18 und dem Messrohr 21 ist nahtlos. Der Übergang 19 zwischen dem Stutzen 18 und dem Messrohr 11 verläuft durch eine Krümmung. Der Krümmungsradius des Übergangs 19 ist dabei vorzugsweise größer als die Wandstärke des Messrohres.
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Das Messrohr 21 sollte vorzugsweise eine Messrohrwandung 24 von mindestens 6 mm aufweisen. Die Wandung im Bereich des Stutzens 18 und des Übergangs 19 weist dabei eine geringere Wandstärke auf als die Wandstärke des Messrohres 17 in einem Bereich, in welchem kein Stutzen 18 angeordnet ist. Aus Druckstabilitätsgründen ist es jedoch von Vorteil, wenn die Wandstärke im Übergang 19 zumindest 80% der Wandstärke des Messrohres in einem Bereich, in welchem kein Stutzen 18 angeordnet ist, erreicht.
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Der Stutzen 18 weist einen Stutzenachse S auf, die senkrecht zur Messrohrachse M angeordnet ist. Stutzen lassen sich beispielsweise ausformen indem man das Messrohr auf mehr als 500°, vorzugsweise mehr als 800°, insbesondere auf mehr als 950°C erwärmt. Anschließend wird ein Dorn von innen gegen das Messrohr gepresst oder von außen herausgezogen, wodurch sich eine Wölbung ausformt. Diese bildet die Grundform des Stutzens. Stutzen 18 mit kleinen Stutzenradien rin respektive kleinen Stutzeninnendurchmessern lassen sich nur schwer aus dem Messrohr ausformen. Dies liegt daran, dass die Erhitzung rund um das Vorloch nicht beliebig klein gehalten werden kann. Drückt nun der Ziehdorn von Innen gegen die Rohrwand, so wölbt sich diese mit einem relativ großen Radius innerhalb der erwärmten Zone nach außen und führt zu einer Aushalsung mit großem Außenradius raushals und kleiner Aushalshöhe h.
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Eine Ausformung kann einfach und zuverlässig erreicht werden indem man eine Matrize oder eine Kombination aus Matrize und Patrize bei der Ausformung nutzt. Ein entsprechendes Modell ist in 3 dargestellt. Die Matritze 23 weist dabei Ausformungen der Stutzen 22 auf, an welche sich die Messrohrwandung 24 beim Warmumformprozess anschmiegt.
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1–4 zeigen nur ein ausgesuchtes Beispiel eines Messrohres, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Anzahl der Stutzen kann variabel gewählt werden. Ein Messrohr kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch nur einen Stutzen aufweisen
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Das Aushalsen von Rohren stellt an sich ein bekanntes Verfahren dar, mit dem Rohrverzweigungselemente hergestellt werden. Dabei unterscheidet man prinzipiell zwischen Kalt- und Warmumformverfahren.
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Bei einer Kaltaushalsung, die bei Raumtemperatur durchgeführt wird, ist man aufgrund der eingeschränkten Plastizität der Werkstoffe bei relativ kleinen Abzweigdurchmesser in der Rohrwandstärke stark eingeschränkt. Typischerweise lassen sich für Abzweige, die für US-Transducer geeignet wären, mit Durchmesser von beispielsweise 20 bis 40mm bei Rohrwandstärken bis maximal 5 mm bearbeiten.
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Beim Warmaushalsen hingegen lassen sich auch in dickwandigen Rohren Abzweige mit den vorgenannten Abmessungen realisieren, weil hierbei der Werkstoff z.B. bis zu knapp 1000 °C erhitzt wird und damit eine hohe Plastizität bei der Umformung besitzt. In der
DE 10 2008 038 889 A1 ist ein solches Verfahren beschrieben. Darin wird darauf abgehoben, dass die Erwärmung der Aushalsstellen von Rohren mit Induktionsspulen erfolgt, dass mit diesem Verfahren bei Wandstärken zwischen 6 und 100 mm ausgehalst werden kann.
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Solche warmausgehalsten Abzweige kommen typischerweise für die Herstellung von Abzweigen bzw. T-Stücken im Nennweitenbereich zwischen 100 und 1000 mm zum Einsatz, wie sie oft in Gasrohrleitungen verbaut werden. Sie weisen typischerweise Innendurchmesser von 60 mm und größer auf. Für Abzweige in Durchflusszähler-Messrohren sind sie aufgrund des großen Platzbedarfs kaum anwendbar. Deshalb ist bislang kein durch Warmumformen-hergestelltes Messrohr bekannt.
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Die Warmumformung ermöglicht besonders strömungsgünstige Übergänge zwischen Rohr und Stutzen. Dadurch ist dieses Umformverfahren auch für die Ausformung von Stutzen von Messrohren geeignet. Im Dokument von
H. U. Stein „Warmaushalsen von Behälterböden" in „Chemie Ingenieur Technik", 41. Jahrgang 1969 sind Gefügeänderungen im Material von Metall offenbart, als ein Beleg für die Nachweisbarkeit auf das Warmumformverfahren.
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Das Warmumformverfahren ermöglicht zudem vorzugsweise eine definierte Kontur des Stutzens anstatt eines undefinierten Verzugs, wie er beim manuellen Schweißen auftritt.
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Der Stutzenbereich weist zudem durch seine sickenähnliche verrundete Kontur eine höhere Festigkeit gegen Biegekräfte auf als z.B. ein konventionell angeschweißter Stutzen, der vergleichsweise abrupt vom Messrohr abzweigt.
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Durch die definierte Innenverrundung eines ausgehalsten Stutzens kann eine Innenbearbeitung des Messrohres entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 11
- Durchflussmessgerät
- 2, 14, 21
- Messrohr
- 3, 18, 22
- Stutzen
- 4
- Messumformer
- 5
- Stabförmiges Element
- 12
- Ultraschallwandler
- 13
- Ultraschallpfad
- 15
- Drucksensor
- 16
- Temperatursensor
- 17
- Auswerteeinheit
- 19
- Übergang
- 23
- Matrize
- 24
- Messrohrwandung/Wandung
- 25
- zylindrischer Bereich
- raushals
- Aushalsradius außen
- h
- Aushalshöhe über Rohraußenseite
- M
- Messrohrachse
- S
- Sensorachse
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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 Patentliteratur
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- DE 102008038889 A1 [0051]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- H. U. Stein im Artikel „Warmaushalsen von Behälterböden“ in „Chemie Ingenieur Technik“, 41. Jahrgang 1969 [0008]
- EN 13480 [0011]
- H. U. Stein „Warmaushalsen von Behälterböden“ in „Chemie Ingenieur Technik“, 41. Jahrgang 1969 [0053]