DE102017121918A1

DE102017121918A1 - Messrohr zum Führen eines Fluides und Messgerät ein solches Messrohr umfassend

Info

Publication number: DE102017121918A1
Application number: DE102017121918.8A
Authority: DE
Inventors: Patrick Reith; Christof Huber
Original assignee: TrueDyne Sensors AG
Current assignee: TrueDyne Sensors AG
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-21
Also published as: WO2019057422A1

Abstract

Messrohr (1) zum Führen eines Fluides (F), umfassend zumindest einen Teilabschnitt (2) einer Rohrleitung (3) zum Führen des Fluides, und einen innerhalb des Teilabschnitts (2) von der Rohrleitung (3) abgehenden Rohrstutzen (4) zum fluidischen Anbinden einer Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides (50), wobei die Rohrleitung (3), innerhalb des Teilabschnitts (2) an einer Rohrwand (6) der Rohrleitung (3), mindestens einen, vorzugsweise gegenüber dem abgehenden Rohrstutzen (4) angeordneten, Störkörper (7) aufweist, der in die Rohrleitung (3) hineinragt, so dass sich durch den Störkörper (7) eine erhöhter Austausch des Fluides (F) in dem Rohrstutzen (4) ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messrohr zum Führen eines Fluides und ein Messgerät, welches ein solches Messrohr umfasst.
Messrohre werden in Zusammenhang mit einer Vielzahl von Messgeräten bzw. Feldgeräten zur Bestimmung zumindest einer physikalischen Größe bzw. einer Prozessgröße eingesetzt. Die zu bestimmende und/oder zu überwachende physikalische Größe bzw. Prozessgröße kann beispielsweise die Dichte eines durch das Messrohr strömenden Fluides sein. Sie kann aber auch durch den Druck, den Durchfluss, die Viskosität, die Leitfähigkeit, die Temperatur oder den pH-Wert gegeben sein. Auch optische Sensoren, wie Trübungs- oder Absorptionssensoren sind bekannt.
Um eine physikalische Größe des Fluides zu messen, müssen derartige Messgeräte bzw. Feldgeräte mit dem Fluid in fluidischen Kontakt gebracht werden. Für gewöhnlich werden hierzu die Messgeräte und/oder Feldgeräte über ein Rohrstutzen eines T-Stück zumindest teilweise in eine Rohrleitung eingebracht.
Nachteilig hierbei ist, dass der Rohrstutzen des T-Stückes durch das Einbringen des Messgerätes und/oder Feldgerätes verschlossen ist und somit eine fluidische Sackgasse bildet, die wiederum dazu führt, dass der fluidische Widerstand in dem Rohrstutzen im Vergleich zu dem fluidischen Widerstand der Rohrleitung deutlich steigt, so dass der Fluidaustausch im Rohrstutzen im Wesentlichen rein diffusionsgetrieben ist. Für das Messgerät und/oder Feldgerät bedeutet dies, dass schnelle Änderungen der physikalischen Größe des Fluides nur relativ langsam zu messen sind, da der Austauschmechanismus zwischen dem „neuen“ und „alten“ Fluid in dem Rohrstutzen durch den relativ langsame Diffusionsprozess dominiert wird.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Messrohr vorzuschlagen, bei dem ein in den Rohrstutzen eingebrachtes Messgerät und/oder Feldgerät, eine Änderung der zu erfassenden physikalischen Größe des in dem Messrohr geführten Fluides möglichst schnell erfasst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Messrohr gemäß Patentanspruch 1 und einem Messgerät gemäß Patentanspruch 11.
Das erfindungsgemäße Messrohr zum Führen eines Fluides umfasst zumindest einen Teilabschnitt einer Rohrleitung zum Führen des Fluides, und einen innerhalb des Teilabschnitts von der Rohrleitung abgehenden Rohrstutzen zum fluidischen Anbinden einer Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides, wobei die Rohrleitung, innerhalb des Teilabschnitts an einer Rohrwand der Rohrleitung, mindestens einen, vorzugsweise gegenüber dem abgehenden Rohrstutzen angeordneten, Störkörper aufweist, der in die Rohrleitung hineinragt, so dass sich durch den Störkörper eine erhöhter Austausch des Fluides in dem Rohrstutzen ergibt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen einen Störköper derartig in die Rohrleitung einzubringen, dass eine schnellere Durchmischung des Fluides in dem Rohrstutzen erfolgt. Der Störkörper stört den Fluidstrom durch die Rohrleitung und induziert eine Konvektion im von der Rohrleitung abgehenden Rohrstutzen, in dem das Messgerät und/oder Feldgerät zumindest teilweise eingebracht ist.
Als Rohrstutzen wird im Sinne der Erfindung der Endabschnitt einer beliebigen Rohrleitung, bezeichnet. Die Rohrleitung des Rohrstutzen ist vorzugsweise starr kann aber zumindest abschnittsweise auch flexibel ausgebildet sein. Ferner kann sie aus einer oder mehreren Schichten, aus beliebigen Materialien, wie bspw. Kunststoff und/oder Metall, insbesondere jedoch aus einem Metall, ausgebildet sein. Bei der Rohrleitung und/oder dem Rohrstutzen kann es sich bspw. um einen Rundrohr, ein Quadratrohr, eine Rechteckrohr oder einen Rohrbogen handeln. Gleiches gilt für den Teilabschnitt der Rohrleitung.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine schnellere Durchmischung mit dem in dem Rohrstutzen „angesammelten“ Fluid erfolgt, so dass sich für das Messgerät und/oder Feldgerät eine kürzere Ansprechzeit für die Bestimmung der physikalischen Größe ergibt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass der Störkörper in einem Mittenbereich, vorzugsweise im Wesentlichen in einer Mitte, des Teilabschnitts der Rohrleitung angeordnet ist.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass der Störkörper in einem Randbereich, vorzugsweise im Wesentlichen an einem Rand des Teilabschnitts der Rohrleitung angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass der Störkörper im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Störkörper derartig ausgebildet ist, dass eine durch das Fluid angeströmte Fläche A_Stör des Störkörpers bis zu 80%, vorzugsweise bis zu 60%, besonders bevorzugt bis zu 55%, ganz besonders bevorzugt bis zu 50%, in Bezug auf einen Querschnittsfläche A_Rohr der Rohrleitung einnimmt.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass der Störkörper im Wesentlichen schraubenförmig ausgebildet ist. Insbesondere kann die Ausgestaltung vorsehen, dass der Störkörper derartig ausgebildet ist, dass der Störkörper bis zu einer Höhe von 80%, vorzugsweise bis zu einer Höhe von 60%, besonders bevorzugt bis zu einer Höhe von 55%, ganz besonders bevorzugt bis zu einer Höhe von 50%, in Bezug auf einen Durchmesser der Rohrleitung im Teilabschnitt, in die Rohrleitung hineinragt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass zumindest der Teilabschnitt der Rohrleitung und der Störkörper aus einem Stück gefertigt sind, vorzugsweise mittels eines generativen oder zerspanenden Verfahrens.
Unter einem generativen, oder auch additiven Fertigungsverfahren sei im Folgenden ein solches Verfahren zu verstehen, bei welchem in einem Urformprozess plastische Teile entstehen. Solche generativen Fertigungsverfahren, welche im Prinzip eine industrialisierte und massentaugliche Weiterentwicklung des sogenannten Rapid Prototyping darstellen, halten seit einigen Jahren zunehmend Einzug in der industriellen Fertigung. Eine Übersicht über die verschiedenen Prinzipien und gängigsten Verfahren ist entsprechend aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt.
Allen generativen Fertigungsverfahren ist gemeinsam, dass das gewünschte dreidimensionale Werkstück zuerst, beispielsweise per Computer, mittels eines Modells, oder auch mittels CAD (computer-aided design) entworfen und digitalisiert wird. Anschließend wird das Werkstück gemäß der digitalen Daten, insbesondere schichtweise, aus einem oder mehreren flüssigen oder festen, insbesondere pulverförmigen, Rohmaterialien unter Ablauf physikalischer oder chemischer Härtungs- oder Schmelzprozesse aufgebaut. Typische Rohmaterialien sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle, wobei je nach verwendetem Material ein anderes Funktionsprinzip zum Tragen kommt.
Ein zerspanendes Verfahren bezeichnet hierbei ein Verfahren bei dem einem Werkstück als Ausgangsprodukt eine bestimmte geometrische Form gegeben wird, indem überschüssiges Material auf mechanischem Weg in Form von Spänen abgetrennt wird. Hierunter fallen insbesondere das Drehen, Bohren, Schleifen und das Fräsen, welches vorliegend für das zerspanende Verfahren besonders bevorzugt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass das Messrohr in Form eines T-Stück ausgebildet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohres sieht vor, dass das Messrohr Metall, vorzugsweise Edelstahl, besonders bevorzugt rostfreien Edelstahl aufweist. Als besonders geeignet haben sich hierbei die Edelstähle 316L und 17-4PH erwiesen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messgerät umfassend ein Messrohr nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen und zumindest ein Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides, welche derartig in den Rohrstutzen eingebracht ist, dass die Vorrichtung zumindest endseitig mit einem Sensorelement in fluidischen Kontakt mit dem im Messrohr geführten Fluid steht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes sieht vor, dass die zumindest eine Vorrichtung weiterhin derartig in den Rohrstutzen eingebracht ist, dass das Sensorelement zumindest teilweise in die Rohrleitung hineinragt.
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes sieht vor, dass die zumindest eine Vorrichtung weiterhin derartig in den Rohrstutzen eingebracht ist, dass das Sensorelement nicht in die Rohrleitung hineinragt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes sieht vor, dass die Vorrichtung ferner eine in einem Vorrichtungsgehäuse angeordnete Glasdurchführung und eine Leiterplatte mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich aufweist, wobei das Sensorelement in dem ersten Bereich angeordnet ist, wobei das Vorrichtungsgehäuse und der Rohrstutzen derartig aufeinander abgestimmt sind, dass das Vorrichtungsgehäuse lösbar mit dem Rohrstutzen verbindbar ist und im verbundenen Zustand der erste Bereich der Leiterplatte von dem zweiten Bereich durch die Glasdurchführung hermetisch getrennt ist, so dass ausschließlich das Sensorelement in fluidischen Kontakt mit dem im Messrohr geführten Fluid steht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes sieht vor, dass das Sensorelement einen Quarzoszillator, umfassend einen Schwingquarz, vorzugsweise in Form eines Uhrenquarzes, zur Erzeugung einer elektrischen Schwingung mit einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise mit einer Frequenz von ca. 32,768 kHz, ein Gehäuse, in welches der Schwingquarz eingebracht ist und eine Schwingquarzelektronik, die dazu eingerichtet ist, den Schwingquarz zur Erzeugung der elektrischen Schwingung entsprechend anzusteuern und ein von der Frequenz abhängiges Ausgangssignal (Sout) bereitzustellen, aufweist, wobei in das Gehäuse des Quarzoszillators zumindest eine Öffnung eingebracht ist, damit das Fluid, dessen physikalischen Größe, insbesondere eine Dichte, bestimmt werden soll, in Kontakt mit dem Schwingquarz treten und die Frequenz des Schwingquarzes in Abhängigkeit der physikalischen Größe, insbesondere der Dichte, verändern kann, so dass anhand des Ausgangssignals, welches die von der physikalischen Größe abhängige Frequenz repräsentiert, die physikalische Größe bestimmbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohrs,
2: eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohrs,
3: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messgerätes,
4: exemplarisch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe, die über den Rohrstutzen des Messrohrs in fluidischen Kontakt mit dem Fluid gebracht werden kann,
5: einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen der Fluiddichte, insbesondere Gasdichte, welche bspw. über den Rohrstutzen zumindest mit dem Sensorelement in fluidischen Kontakt zu dem in der Rohrleitung geführten Fluid gebracht werden kann, und
6: ein Sensorelement in Form eines Quarzoszillators, dessen Gehäuse derartig punktiert ist, dass die Öffnungen einen Partikelfilter ausbilden.

1 zeigt eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messrohrs 1, welches einen Teilabschnitt 2 einer Rohrleitung 3 zum Führen eines Fluides F, bspw. in Form eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, und einen Rohrstutzen 4 umfasst. Der Rohrstutzen 4 geht von der Rohrleitung 3 vorzugsweise rechtwinklig ab, so dass das Messrohr 1 eine im Wesentlichen T-förmige Ausgestaltung aufweist. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass der Rohrstutzen 4 auch in einem beliebig anderen Winkel α im Bereich von 0° < α < 180° zwischen einer Wandung der Rohrleitung und seiner Längsachse abgehen kann. Der Bereich in dem der Rohrstutzen 4 dabei von der Rohrleitung 3 abgeht definiert einen Teilabschnitt 2 der Rohrleitung 3 und in den 1-3 durch zwei gestrichelte Linien gekennzeichnet ist. Die Rohrleitung 3 kann sich dabei lediglich auf den Bereich in dem der Rohrstutzen 4 abgeht, also den Teilabschnitt 2 selbst, beschränken (nicht in 1 dargestellt) oder aber sich über den Bereich, in dem der Rohrstutzen 4 abgeht, hinaus erstrecken (in 1-3 dargestellt). Durch die Rohrleitung 3 wird ein Fluid F, bspw. ein Gas, geführt.
Der Rohrstutzen 4 dient dazu, eine Vorrichtung zum Bestimmen mindestens einer physikalischen Größe 50, bspw. einer Fluiddichte, insbesondere einer Gasdichte, fluidisch an die Rohrleitung 3 anzubinden, d.h. in Kontakt mit dem in der Rohrleitung 3 geführten Fluid F bringen. Die Vorrichtung 50 ist vorzugsweise derartig ausgestaltet, dass ein Vorrichtungsgehäuse 517 den Rohrstutzen 4 verschließt, so dass der Rohrstutzen 4 eine fluidische Sackgasse darstellt. Dies kann bspw. dadurch erfolgen, dass das Vorrichtungsgehäuse 517 mit einem außenseitigen Gewinde in den Rohrstutzte 4 mit einem entsprechenden innenseitigen Gewinde eingeschraubt wird. Die Integration kann natürlich auch über jede andere übliche Befestigungsmöglichkeit, z.B. Einschweißen, usw., erfolgen. Die Vorrichtung 50 kann dabei derartig tief in den Rohrstutzen 4 eingebracht sein, dass ein Sensorelement 53 der Vorrichtung 50 sich ausschließlich in dem Rohrstutzen 4 befindet, so dass es nicht unmittelbar von dem in der Rohrleitung 3 geführten Fluid F angeströmt wird (1) oder alternativ, dass das Sensorelement 53 zumindest teilweise in die Rohrleitung 3 eintaucht, so dass es von dem in der Rohrleitung 3 zumindest in Teilen angeströmt wird (2).
Erfindungsgemäß weist das Messrohr 1 ferner einen Störkörper 7 auf, der in eine Strömungsrichtung des Fluides F als Hindernis für das Fluid F eingebracht ist. In den Figuren ist die Strömungsrichtung des Fluides F durch einen Pfeil dargestellt und ist somit von links nach rechts gerichtet. Der Störkörper 7 ist derartig ausgebildet, dass er in dem Teilabschnitt 2 der Rohrleitung 3, also in dem Bereich der durch den abgehenden Rohrstutzen 4 festgelegt ist, in die Rohrleitung 3 hineinragt.
Der Störkörper 7 kann bspw. im Wesentlichen plattenförmig, d.h. in Form eines ebenen Bauteils, welches mit seiner Ebene vorzugsweise orthogonal zu der Strömungsrichtung angeordnet ist, ausgebildet sein. Der plattenförmige Störkörper 7 kann bspw. in Form eines Rechteckes oder eines Quadrates ausgebildet sein. Alternativ kann der Störkörper 7 auch im Wesentlichen schraubenförmig ausgebildet sein, d.h. der Störkörper 7 gleicht im Wesentlichen einer Schraube, die in die Rohrleitung 3 hineinragt.
Der Störkörper 7 kann ferner irgendwo in dem Teilabschnitt 2 der Rohrleitung 3 angeordnet sein. Als besonders effektiv hinsichtlich einer Erhöhung der Austauschrate des Fluides F in dem Rohrstutzen 4 hat es sich jedoch erwiesen, den Störkörper 7 in einem Mittenbereich 2a, welcher in etwa einem Drittel des gesamten Teilbereiches 2 entspricht, anzuordnen. Innerhalb des Mittenbereichs 2a hat es sich am effektivsten erwiesen, wenn der Störkörper im Wesentlichen mittig, d.h. in der Mitte des Teilbereiches, angeordnet ist.
Ergänzend hierzu hat es sich als besonders effektiv erweisen, wenn der in dem Mittenbereich2a des Teilabschnitts 2 angeordnete Störkörper 7 derartig ausgestaltet ist, dass er in dem Fall, dass er plattenförmig ausgebildet ist, eine Fläche A_Stör von bis zu 60%, bevorzugt bis zu 55%, besonders bevorzugt bis zu 50% in Bezug auf einen Querschnittsfläche der Rohrleitung A_Rohr in dem Teilabschnitt 2 einnimmt.
In dem Fall, dass der Störkörper 7 schraubenförmig ausgebildet ist, hat es sich als besonders effektiv erwiesen, wenn der Störkörper 7 bis zu einer Höhe H von 80%, vorzugsweise bis zu einer Höhe von 60%, besonders bevorzugt bis zu einer Höhe von 55%, ganz besonders bevorzugt bis zu einer Höhe von 50%, in Bezug auf einen Durchmesser D der Rohrleitung 3 im Teilabschnitt 2 in die Rohrleitung 3 hineinragt.
Alternativ zu der Anordnung in dem Mittenbereich 2a kann der Störkörper, wie in 2 dargestellt, auch in einem Randbereich 2b, welcher in etwa einem Drittel des gesamten Teilbereichs 2 entspricht, angeordnet sein. Hierbei kann der Störkörper 7 sowohl in dem Randbereich 2b stromabwärts oder in dem Randbereich stromaufwärts angeordnet sein. Ergänzend hierzu hat es sich als besonders effektiv erweisen, wenn der in dem Randbereich 2b des Teilabschnitts 2 angeordnete Störkörper 7 derartig ausgestaltet ist, dass er eine Höhe von bis zu 85%, bevorzugt bis zu 80% in Bezug auf einen Durchmesser D der Rohrleitung 3 in dem Teilabschnitt 2 aufweist.
In einer bevorzugten Variante sind der Teilabschnitt 2 der Rohrleitung 3 und der Störkörper einstückig ausgebildet, d.h. aus einem Stück, bspw. in Form eines T-Stückes, gefertigt. Dies kann bspw. durch ein zerspanendes Verfahren, wie z.B. Fräsen, oder ein generatives Verfahren erfolgen. Das Messrohr ist bevorzugt aus einem Metall, bspw. einem Edelstahl, wie z.B. 316L oder 17-4PH gefertigt.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Messgerät, insbesondere ein Messgerät der Automatisierungstechnik, umfassend ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Messrohr zum Führen des Fluides 1 und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides 50. Die Vorrichtung 50 ist dabei derartig in den Rohrstutzen 4 des Messrohres 1 eingebracht, dass sich das Sensorelement 53 der Vorrichtung vollständig in dem Rohrstutzen 4 befindet. In der dargestellten Ausgestaltung ist der Störkörper 7 mittig in dem Teilabschnitt 2 angeordnet und weist eine Höhe von ca. 50% bezogen auf den Durchmesser D der Rohrleitung 3 auf. Alternativ kann der Störkörper 7, wie in 3 grau dargestellt, auch in einem der beiden Randbereiche 2b angeordnet sein und eine Höhe von bis zu ca. 80% bezogen auf den Durchmesser der Rohrleitung 3 aufweisen.
Bei der Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe 50 kann es sich bspw. um eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fluiddichte, insbesondere einer Gasdichte, handeln. Beispielhaft ist in 4 eine solche Vorrichtung dargestellt, die einen Quarzoszillator 53 als Sensorelement, eine Leiterplatte 58 auf der zum einen der Quarzoszillator 53 und zum anderen eine Auswerteeinheit 57, bspw. in Form eines ASICs oder auch eines Mikroprozessors sitzt und einen Vorrichtungsgehäuse 517, in welches die Leiterplatte 58 eingebracht ist, aufweist. Der Quarzoszillator ist gemäß dem in 5 dargestellten und unten beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Gasdichte entsprechend präpariert, insbesondere punktiert. Ferner sind der Quarzoszillator 53 in einem an einem ersten Ende der Leiterplatte 58 befindlichen ersten Bereich 512 und die Auswerteeinheit 57 in einem an einem zweiten Ender der Leiterplatte, die dem ersten Ende gegenüberliegt, befindlichen zweiten Bereich 513 angeordnet. Die elektrische Verbindung ist hierbei über Leiterbahnen der Leiterplatte 58 realisiert.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn in dem Mittenabschnitt 514, der zwischen dem ersten und zweiten Bereich 512, 513 liegt, eine Glasdurchführung 515 angeordnet ist, über die die elektrische Verbindung bzw. das Ausgangssignal Sout des Quarzoszillators 53 zwischen den beiden Bereichen 512 und 513 realisiert bzw. geführt ist. In 4 ist dies durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Leiterplatte 58, die Glasdurchführung 515 und das Vorrichtungsgehäuse 517 sind dabei derartig zueinander und aufeinander abgestimmt, dass nach dem Einführen der Leiterplatte 58 mit der Glasdurchführung 515 in das Vorrichtungsgehäuse 517 der erste Bereich 512 von dem zweiten Bereich 513 hermetisch getrennt ist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung mit dem ersten Ende der Leiterplatte 58 dem Fluid ausgesetzt werden, ohne dass das Medium in den zweiten Bereich gelangen kann.
Die Leiterplatte 58 kann ferner eine Einkerbung im Bereich des Mittenabschnittes 514 aufweisen. Durch die Einkerbung kann der vordere Teil bzw. erste Bereich 512 leichter abgetrennt werde. Auf diese Weise kann die Leiterplatte sowohl für die Variante mit Glasdurchführung 515 als auch die Variante ohne Glasdurchführung 515 auf dieselbe Weise hergestellt werden.
Durch die Einkerbung wird ferner bei der Variante mit Glasdurchführung 515 die Breite der Vorrichtung im Wesentlichen nicht verändert.
5 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung zum Bestimmen der Fluiddichte, insbesondere Gasdichte, welche über den Rohrstutzen zumindest mit dem Sensorelement in fluidischen Kontakt zu dem in der Rohrleitung geführten Fluid gebracht wird.
In einem ersten Verfahrensschritt S100 wird ein Quarzoszillator 53 als eigentliches Sensorelement in Form eines Standradbauteils bereitgestellt. Der Quarzoszillator 53 umfasst hierbei einen Schwingquarz 54, eine Schwingquarzelektronik 56 und ein Gehäuse 5. Der Schwingquarz 4 und die Schwingquarzelektronik 56 sind in das Gehäuse 55 eingebracht und hermetisch zur Umwelt hin gekapselt. Ferner ist das Gehäuse 55 bei Herstellung des Quarzoszillators 53 zumindest in einzelnen Bereichen vakuumisiert worden, so dass zumindest der Schwingquarz 54 in dem Gehäuse 55 im Vakuum gelagert ist. Über die Schwingquarzelektronik 56 wird der Schwingquarz 54 derartig angesteuert, dass dieser elektrisch mit einer vorbestimmten Frequenz bzw. Resonanzfrequenz, vorzugsweise in Form einer Sinusschwingung, schwingt. Ferner ist die Schwingquarzelektronik 56 dazu eingerichtet, die erzeugte Schwingung in Rechtecksignale der gleichen Frequenz zu wandeln und als ein Ausgangssignal Sout an einem Ausgangspin 516 des Quarzoszillators 53 bereitzustellen. Derartige Quarzoszillatoren 53 sind, wie zuvor bereits erwähnt, als separat ausgebildete Bauteile käuflich in vielfältigen Varianten erwerbbar. Vorteilhaft ist es, wenn als Quarzoszillator 53 ein herkömmlicher Uhrenquarz bereitgestellt wird, da dieser aufgrund der hohen Stückzahlen, in denen er hergestellt wird, kostengünstig erwerbbar ist. Uhrenquarz weisen einen Schwingquarz auf, welcher mit einer Frequenz von 32,768 kHz oder einem ganzzahligen Vielfachen bzw. einem ganzzahligen Bruchteil davon schwingen.
In einem zweiten Verfahrensschritt S200 wird der Quarzoszillator 53 auf eine Leiterplatte 58 aufgebracht. Das Aufbringen kann bspw. durch einen Lötschritt erfolgen, in dem der Quarzoszillator 53 auf die Leiterplatte 58 aufgelötet wird.
Die Leiterplatte 58 weist zumindest eine Auswerteeinheit 57 auf und ist derartig ausgebildet, dass der aufgelötete Quarzoszillator 53 über Leiterbahnen elektrisch mit der Auswerteeinheit 57 verbunden ist, so dass das von der Schwingquarzelektronik 56 erzeugte Ausgangssignal des Quarzoszillators Sout der Auswerteeinheit 57 zugeführt ist.
In einem dritten Verfahrensschritt S300 wird das Gehäuse 55 des Quarzoszillators 53 derartig punktiert, dass das Gehäuse 5 zumindest eine Einlassöffnung 59 für das Medium 52 aufweist. Die Erzeugung der Einlassöffnung 59 kann prinzipiell durch ein beliebig geeignetes mechanisches Werkzeug oder einen Laser erfolgen. Als mechanisches Werkzeug hat sich als besonders vorteilhaft die Verwendung eines Lochstanzeisens herausgestellt. Bei der Verwendung eines Lasers hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen gepulsten Laser, bspw. einen Pikosekunden- oder auch einen Femtosekundenlaser zu verwenden, da bei dessen Verwendung das Gehäusematerial schlagartig verdampft wird und somit keine Materialteile in das vor dem Punktieren vakuumierte Gehäuse hineingezogen werden, wie dies bei der Verwendung eines nicht gepulsten Lasers der Fall ist. Nachteilig an der Verwendung eines gepulsten Lasers ist allerdings, dass die Bearbeitung des Gehäuses relativ teuer ist. Aufgrund dessen hat sich als alternative zur Verwendung des gepulsten Lasers die Verwendung einer Kombination aus mechanischem Werkzeug und einem nicht gepulsten Laser zur Punktierung des Gehäuses 5 herausgestellt. Hierbei wird zuerst die Einlassöffnung 9 als eine Initialöffnung in das Gehäuse 59 durch ein mechanisches Werkzeug, bspw. ein Lochstanzeisen, eingebracht und anschließend werden weitere Öffnungen 510 in das Gehäuse 59 durch einen nicht gepulsten Laser eingebracht, insofern weitere Öffnungen in dem Gehäuse erwünscht sind.
In dem dritten Verfahrensschritt kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Gehäuse 55 des Quarzoszillators 53 derartig punktiert wird, dass weitere Öffnungen 510 in das Gehäuse 55 eingebracht werden. Die weiteren Öffnungen 10 und ggfl. die Einlassöffnung dienen als Partikelfilter 511, um Partikel mit einem bestimmten Durchmesser nicht in das Gehäuse 55 gelangen zu lassen und somit den Schwingquarz 54 zu schützen.
Dementsprechend sind zumindest die weiteren Öffnungen 510 dabei derartig ausgeführt, dass keine Partikel mit einem geometrischen Äquivalentdurchmesser kleiner 35 µm, bevorzugt kleiner 30 µm, besonders bevorzugt kleiner 25 µm in das Gehäuse 55 eindringen können, wenn das Gehäuse 55 dem Medium 52 ausgesetzt ist. Im einfachsten Fall, werden die weiteren Öffnungen 510 als im Wesentlichen kreisrunde Öffnungen in das Gehäuse eingebracht, die einen Durchmesser kleiner 35 µm, bevorzugt kleiner 30 µm, besonders bevorzugt kleiner 25 µm aufweisen. Denkbar sind aber auch andere geometrische Ausführungen als die kreisrunden Öffnungen. Bspw. können die Öffnungen auch in Form eines Schlitzes ausgeführt sein, wobei der Schlitz oder ggfl. die Schlitze dann so ausgeführt sind, dass keine Partikel mit einem geometrischen Äquivalentdurchmesser kleiner 35 µm, bevorzugt kleiner 30 µm, besonders bevorzugt kleiner 25 µm in das Gehäuse eindringen können. In dem Fall, dass die Kombination aus mechanischem Werkzeug und dem nicht gepulsten Laser zur Punktierung des Gehäuses eingesetzt wird, ist es notwendig, dass die Einlassöffnung, welche als Initialöffnung durch das mechanische Werkzeug in das Gehäuse eingebracht wurde, nach dem Einbringen der weiteren Öffnungen durch den nicht gepulsten Laser, wieder verschlossen wird, da die Einlassöffnung deutlich größer ist als die weiteren Öffnungen ist. Das Verschließen der Einlassöffnung 59 kann bspw. mittels eines Klebstoffes oder auch eines Lötpunktes erfolgen.
Eine entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellte Vorrichtung kann zur Bestimmung der Dichte eines Fluids F, insbesondere eines Gases, eingesetzt werden. Hierzu muss der punktierte Quarzoszillator 3 dem Fluid ausgesetzt sein, so dass das Fluid F in das Gehäuse 55 eindringen und in Abhängigkeit seiner Dichte die elektrische Schwingung dämpfen kann. Anhand der gedämpften elektrischen Schwingung kann somit auf die Dichte des Fluids F rückgeschlossen werden. Beispielsweise kann hierfür eine Auswerteeinheit 57 dienen, welche dazu eingerichtet ist, anhand des Ausgangssignals Sout des Quarzoszillators 53 eine für das vorliegende Fluid F entsprechende Dichte zu bestimmen. In erster Näherung, ist in der Auswerteeinheit 57 ein linearer Zusammenhang zwischen der Frequenz der elektrischen Schwingung des Schwingquarzes 54 und der Dichte des Fluides F hinterlegt.
6 zeigt einen Quarzoszillator 53, dessen Gehäuse 55 derartig punktiert ist, dass die Öffnungen einen Partikelfilter 511 ausbilden. Hierzu ist in das Gehäuse 55 eine Einlassöffnung 59 als Initialöffnung durch ein Lochstanzeisen eingebracht worden und nach dem Einbringen der weiteren Öffnungen 510 durch einen nicht gepulsten Laser wieder verschlossen worden. Der Partikelfilter 511 ist in 6 in Form einer 5 × 10 Matrix ausgebildet und auf einen Teilbereich einer Seite der Oberfläche des Gehäuses beschränkt. Prinzipiell kann der Partikelfilter jedoch eine beliebige m × n Matrix aufweisen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine m × n Matrix größer als 5 × 10 verwendet wird. Ferner hat sich herausgestellt ebenfalls als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausbildung der Matrix über zumindest eine Seite des Gehäuses 55 im Wesentlichen vollständig flächig verteilt ist.
Bezugszeichenliste

1: Messrohr
2: Teilabschnitt
2a: Mittenbereich
2b: Randbereich
3: Rohrleitung
4: Rohrstutzen
6: Rohrwand
7: Störkörper
50: Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides
53: Sensorelement
54: Schwingquarz
55: Gehäuse des Quarzoszillators
56: Schwingquarzelektronik
57: Auswerteeinheit
58: Leiterplatte
59: Öffnung bzw. Initialöffnung
510: weitere Öffnungen
511: Partikelfilter
512: Erster Bereich der Leiterplatte
513: Zweiter Bereich der Leiterplatte
514: Mittenabschnitt
515: Glasdurchführung
516: Ausgangspin
517: Vorrichtungsgehäuse
A_Rohr: Querschnittsfläche der Rohrleitung in dem Teilabschnitt in dem der Störköper angeordnet ist
A_Stör: vom Fluid angeströmte Fläche des Störkörpers
F: Fluid, insbesondere gasförmiges Fluid
H: Höhe des Störkörpers
D: Durchmesser der Rohrleitung in dem Teilabschnitt
Sout: Ausgangssignal des Sensorelementes
S100: Bereitstellen eines Quarzoszillators in Form eines Standard Bauteiles
S200: Auflöten des Quarzoszillators auf eine Leiterplatte bzw. PCB
S300: Punktierung eines Gehäuses des Quarzoszillators
S300a: Punktierung einer Initialöffnung in das Gehäuse mittels eines mechanischen Werkzeuges
S300b: Punktierung einer Initialöffnung in das Gehäuse mittels eines gepulsten Lasers
S301: Punktierung weiterer Öffnungen in das Gehäuse mittels eines Lasers
S400: Verschließen der Initialöffnung

Claims

Messrohr (1) zum Führen eines Fluides (F), umfassend zumindest einen Teilabschnitt (2) einer Rohrleitung (3) zum Führen des Fluides, und einen innerhalb des Teilabschnitts (2) von der Rohrleitung (3) abgehenden Rohrstutzen (4) zum fluidischen Anbinden einer Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides (50), wobei die Rohrleitung (3), innerhalb des Teilabschnitts (2) an einer Rohrwand (6) der Rohrleitung (3), mindestens einen, vorzugsweise gegenüber dem abgehenden Rohrstutzen (4) angeordneten, Störkörper (7) aufweist, der in die Rohrleitung (3) hineinragt, so dass sich durch den Störkörper (7) eine erhöhter Austausch des Fluides (F) in dem Rohrstutzen (4) ergibt.
Messrohr nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Störkörper (7) in einem Mittenbereich (2a), vorzugsweise im Wesentlichen in einer Mitte, des Teilabschnitts (2) der Rohrleitung (3) angeordnet ist.
Messrohr nach Anspruch 1, wobei der Störkörper (7) in einem Randbereich (2b), vorzugsweise im Wesentlichen an einem Rand des Teilabschnitts (2) der Rohrleitung (3) angeordnet ist.
Messrohr nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Störkörper (7) im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
Messrohr nach zumindest dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Störkörper (7) derartig ausgebildet ist, dass eine durch das Fluid angeströmte Fläche (A_Stör) des Störkörpers (7) bis zu 80%, vorzugsweise bis zu 60%, besonders bevorzugt bis zu 55%, ganz besonders bevorzugt bis zu 50%, in Bezug auf einen Querschnittsfläche (A_Rohr) der Rohrleitung (3) einnimmt.
Messrohr nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, wobei der Störkörper (7) im Wesentlichen schraubenförmig ausgebildet ist.
Messrohr nach zumindest dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Störkörper (7) derartig ausgebildet ist, dass der Störkörper (7) bis zu einer Höhe (H) von 80%, vorzugsweise bis zu einer Höhe von 60%, besonders bevorzugt bis zu einer Höhe von 55%, ganz besonders bevorzugt bis zu einer Höhe von 50%, in Bezug auf einen Durchmesser (D) der Rohrleitung (3) im Teilabschnitt (2), in die Rohrleitung (3) hineinragt.
Messrohr nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der Teilabschnitt (2) der Rohrleitung (3) und der Störkörper (7) aus einem Stück gefertigt sind, vorzugsweise mittels eines generativen oder zerspanenden Verfahrens.
Messrohr nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dass Messrohr (1) in Form eines T-Stück ausgebildet ist.
Messrohr nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messrohr (1) Metall, vorzugsweise Edelstahl, besonders bevorzugt rostfreien Edelstahl aufweist.
Messgerät umfassend ein Messrohr (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche und zumindest eine Vorrichtung zum Bestimmen einer physikalischen Größe des Fluides (50), welche derartig in den Rohrstutzen (4) eingebracht ist, dass die Vorrichtung (50) zumindest endseitig mit einem Sensorelement (53) in fluidischen Kontakt mit dem im Messrohr (1) geführten Fluid (F) steht.
Messgerät nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine Vorrichtung (50) weiterhin derartig in den Rohrstutzen (4) eingebracht ist, dass das Sensorelement (53) zumindest teilweise in die Rohrleitung (3) hineinragt.
Messgerät nach Anspruch 11, wobei die zumindest eine Vorrichtung (50) weiterhin derartig in den Rohrstutzen (4) eingebracht ist, dass das Sensorelement (53) nicht in die Rohrleitung (3) hineinragt.
Messgerät nach zumindest einem der Ansprüche 11-13, wobei die Vorrichtung (50) ferner eine in einem Vorrichtungsgehäuse (517) angeordnete Glasdurchführung (515) und eine Leiterplatte (58) mit einem ersten Bereich (512) und einem zweiten Bereich (513) aufweist, wobei das Sensorelement (53) in dem ersten Bereich (512) angeordnet ist, wobei das Vorrichtungsgehäuse (517) und der Rohrstutzen (4) derartig aufeinander abgestimmt sind, dass das Vorrichtungsgehäuse (517) lösbar mit dem Rohrstutzen (4) verbindbar ist und im verbundenen Zustand der erste Bereich (512) der Leiterplatte (58) von dem zweiten Bereich (513) durch die Glasdurchführung (515) hermetisch getrennt ist, so dass ausschließlich das Sensorelement (53) in fluidischen Kontakt mit dem im Messrohr (1) geführten Fluid (F) steht.
Messgerät nach zumindest einem der Ansprüche 11-14, wobei das Sensorelement einen Quarzoszillator (53), umfassend einen Schwingquarz (54), vorzugsweise in Form eines Uhrenquarzes, zur Erzeugung einer elektrischen Schwingung mit einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise mit einer Frequenz von ca. 32,768 kHz, ein Gehäuse (55), in welches der Schwingquarz (54) eingebracht ist und eine Schwingquarzelektronik (56), die dazu eingerichtet ist, den Schwingquarz (54) zur Erzeugung der elektrischen Schwingung entsprechend anzusteuern und ein von der Frequenz abhängiges Ausgangssignal (Sout) bereitzustellen, aufweist, wobei in das Gehäuse (55) des Quarzoszillators (53) zumindest eine Öffnung (59) eingebracht ist, damit das Fluid (F), dessen physikalischen Größe, insbesondere eine Dichte, bestimmt werden soll, in Kontakt mit dem Schwingquarz treten und die Frequenz des Schwingquarzes in Abhängigkeit der physikalischen Größe, insbesondere der Dichte, verändern kann, so dass anhand des Ausgangssignals, welches die von der physikalischen Größe abhängige Frequenz repräsentiert, die physikalische Größe bestimmbar ist.