DE102005035931B4

DE102005035931B4 - Hydraulischer Druckmittler und Druckwandler mit hydraulischem Druckmittler

Info

Publication number: DE102005035931B4
Application number: DE200510035931
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dannhauer; Raimund Becher
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: DE102005035931A1; WO2007012571A1

Abstract

Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums, umfassend: einen Grundkörper (1), der eine Oberfläche (2) aufweist; und eine Trennmembran (3), die an der Oberfläche (2) befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist, die Druckkammer (4) und der hydraulische Pfad (5) mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran (3) eine Ringmembran mit einem umlaufenden inneren Rand (31) und einem umlaufenden äußeren Rand (32) ist und sowohl der innere Rand als auch der äußere Rand druckdicht mit der Oberfläche (2) des Grundkörpers (1) verbunden sind; wobei der Druckmittler weiterhin einen Sensor (20) für eine zweite Messgröße umfasst, der in dem von dem inneren Rand (31) der Trennmembran (3) umgebenen Bereich angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem hydraulischen Druckmittler.
Hydraulische Druckmittler umfassen gewöhnlich einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist, an dem eine Trennmembran mit ihrem Rand druckdicht befestigt ist, so dass zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, die über eine Öffnung in der Oberfläche des Grundkörpers mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert. Die Druckkammer und der hydraulische Pfad sind mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt.
Insoweit als temperaturabhängige Verformungen der Trennmembranen mit einem Trennmembranfehler bei der Druckmessung einhergehen, ist es für präzise Druckmessungen von grundsätzlichem Interesse, die Temperatur des Druckmittlers im Bereich der Druckkammer bzw. der Trennmembran möglichst genau zu kennen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen einen Temperatursensor auf, der entweder neben der Trennmembran angeordnet ist, oder von hinten in den Grundkörper des Druckmittlers eingeführt ist, um die Temperatur des Grundkörpers in der Nähe der Druckkammer zu messen. Diese Sensorpositionen sind grundsätzlich fehlerbehaftet, denn die thermische Masse des Grundkörpers verhindert eine unverzügliche Anpassung der Grundkörpertemperatur an die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer, die sich bei schnellen Änderungen der Medientemperatur und konvektivem Wärmetransport durch ein strömendes Medium sehr schnell ändern kann. Ein neben der Trennmembran angeordneter ggf. medienberührender Temperatursensor erfordert dagegen entweder eine zusätzliche Öffnung im Medienbehälter oder der medienführenden Leitung, durch welche der Temperatursensor eingesetzt werden kann, oder bei gegebener Trennmembranfläche muss der Radius des Grundkörpers um einen solchen Wert vergrößert werden, dass auf dem Rand des Grundkörpers noch Platz für die Montage eines Temperatursensors neben der Trennmembran vorhanden ist.
Sollte in anderen Messaufgaben neben dem Prozessdruck eine zweite Messgröße mit einem zweiten Sensor erfasst werden, stellt sich das gleiche konstruktive Problem. D. h. es muss wieder ein Montageplatz für den zweiten Sensor vorgesehen werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem Druckmittler bereit zu stellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 und des Druckwandlers gemäß des unabhängigen Anspruchs 8.
Der erfindungsgemäße Druckmittler zum übertragen eines Drucks eines Prozessmediums umfasst:

– einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist;
– und eine Trennmembran, die an der Oberfläche befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, welche über eine Öffnung in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist, die Druckkammer und der hydraulische Pfad mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran eine Ringmembran mit einem umlaufenden inneren Rand und einem umlaufenden äußeren Rand ist und sowohl der innere Rand als auch der äußere Rand druckdicht mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden sind; wobei der Druckmittler weiterhin einen Sensor für eine zweite Messgröße umfasst, der in dem von dem inneren Rand der Trennmembran umgebenen Bereich angeordnet ist.

Der Sensor für eine zweite Messgröße kann beispielsweise ein Temperatursensor ein Feuchtesensor, ein potentiometrischer Sensor, insbesondere ein pH-Sensor, ein photometrischer, spektrometrischer oder ein anderer analytischer Sensor sein.
Der Grundkörper kann beispielsweise eine durchgehende, zentrale Bohrung aufweisen, in welche der zweite Sensor von der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers eingesetzt wird. Gleichermaßen kann der Sensor von der Vorderseite, d. h. der Seite an welcher die Trennmembran befestigt ist an dem Grundkörper bzw. in einer zentralen Öffnung des Grundkörpers befestigt werden.
Vorzugsweise weisen der Grundkörper und die Trennmembran ein metallischen Werkstoff auf, wobei die Trennmembran mit der Oberfläche des Grundkörpers verschweißt oder verlötet sein kann, gegebenenfalls können zwischen der Trennmembran und dem Material des Grundkörpers Zwischenschichten vorgesehen sein, um die Befestigung der Trennmembran zu erleichtern.
Die Trennmembran weist beispielsweise Edelstahl, Tantal, oder beschichtete metallische Membranen auf.
Zwischen dem inneren Randbereich und dem äußeren Randbereich der Trennmembran erstreckt sich der so genannte Arbeitsbereich, d. h. der Bereich der auslenkbar ist, um temperaturbedingte Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer aufnehmen zu können. Dieser Arbeitsbereich, sowie ggf. der damit fluchtende Bereich der Oberfläche des Grundkörpers, das so genannte Membranbett, kann eine Wellenstruktur aufweisen, wodurch der maximale Volumenhub der Trennmembran vergrößert wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Trennmembran zwischen dem inneren und/oder äußeren Rand und dem Arbeitsbereich jeweils eine umlaufende Sicke auf, die vorzugsweise tiefer ist als die Amplituden der Wellenstruktur des Arbeitsbereiches.
Weiterhin kann die Trennmembran, die, abgesehen von der ggf. vorgesehenen Wellenstruktur und ggf. vorgesehenen Sicken, im wesentlichen abschnittsweise eben gestaltet ist, als Napfmembran ausgebildet sein, d. h., die Trennmembran weist einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich sowie einen Arbeitsbereich auf, der sich zwischen dem inneren und dem äußeren Randbereich erstreckt, wobei der Arbeitsbereich, bezogen auf eine Ebene, die durch den äußeren Randbereich der Trennmembran definiert ist, tiefer liegt. Die Oberfläche des Grundkörpers ist entsprechend gestaltet, d. h. sie weist einen, axial hervorstehenden äußeren Randbereich und ein entsprechenden axial vorstehenden inneren Bereich auf sowie ein dazwischenliegendes Membranbett, über dem sich der Arbeitsbereich der Trennmembran erstreckt, wobei die Trennmembran mit ihrem äußeren Randbereich und ihrem inneren Randbereich an entsprechenden äußeren und inneren Randbereich in der Oberfläche befestigt ist. Die als Napfmembran gestaltete Trennmembran weist vorzugsweise geneigte Übergangsflächen auf, die sich zwischen dem Arbeitsbereich und den Randbereichen erstrecken.
Sofern die zuvor erwähnten Sicken bei Napfmembranen realisiert werden sollen, verlaufen sie vorzugsweise zwischen den Übergangsflächen und dem Arbeitsbereich.
Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler und eine Druckmesszelle, die über den hydraulischen Pfad mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie eine elektronische Schaltung, um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.
Die Druckmesszelle kann nach sämtlichen, dem Fachmann geläufigen Prinzipien gestaltet sein, beispielsweise als kapazitive, resistive im Zusammenhang der piezoresistive Druckmesszelle, oder Messzelle nach einem Resonatorprinzip.
In einer Weiterbildung der Erfindung verarbeitet die elektronische Schaltung des auch die Signale des Sensors für die zweite Messgröße.
Sofern der Sensor für die zweite Messgröße ein Temperatursensor ist, kann dessen Signal zur Korrektur eines Temperaturfehlers des Druckmesswerts verwendet werden.
Der Begriff des Druckwandlers bezieht sich im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung auf Absolutdruckwandler, Relativdruckwandler und Differenzdruckwandler, wobei selbstverständlich ist, dass für einen Differenzdruckwandler zwei Druckmittler vorzusehen sind, von denen mindestens einer als erfindungsgemäßer Druckmittler gestaltet sein muss.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckwandler; und
2 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Druckmittlers.
Der dargestellte Druckwandler umfasst einen Grundkörper 1 mit einer Oberfläche 2, an der eine ringförmige Trennmembran 3 mit umlaufenden Schweißnähten an ihrem Innenrand 31 und ihrem Außenrand 32 befestigt ist, wodurch zwischen dem Grundkörper und der Trennmembran eine Druckkammer 4 bildet. Von der Druckkammer 4 erstreckt sich eine Kapillarleitung 5, die an einer Bohrung 6 durch den Grundkörper 1 anschließt, um den Druck zu einem Druckempfänger zu übertragen.
Die bisher beschriebenen Komponenten betreffen mit anderen Worten ein Druckmittlermodul, welches mit einem Sensormodul kombiniert ist, um den erfindungsgemäßen Druckwandler zu bilden. Das Sensormodul umfasst einen Sensorträgerkörper 10, an dem eine piezoresistive Druckmesszelle 11 befestigt ist. Die Druckmesszelle 11 wird über eine Bohrung 12, in welche die Kapillarleitung 5 mündet, mit dem zu messenden Druck beaufschlagt. Insoweit dient die Druckmesszelle 11 als Druckempfänger des durch die Kapillarleitung 5 und die Bohrungen 6 und 12 realisierten hydraulischen Pfades. In der Bohrung 12 ist ein hier nicht im einzelnen dargestellter Füllstift angeordnet, so dass der Ringspalt zwischen der Mantelfläche der Bohrung und dem Füllstift als Flammendurchschlagsperre der Zündschutzart Exd gilt.
Das Primärsignal der Druckmesszelle 11 wird zunächst von einer Schaltung auf einer Platine 14 vorverarbeitet, bevor es weiter aufbereitet und zur Kommunikation über die gängigen Protokolle, beispielsweise 4–20 mA oder digitale Feldbusprotokolle aufbereitet wird.
Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst weiterhin einen Temperatursensor 20, der in einer zentralen Bohrung 8 durch den Grundkörper 1 des Druckmittlermoduls über die Oberfläche 2 des Grundkörpers hinausragt, um die Temperatur des Prozessmediums unbeeinträchtigt von der thermischen Masse des Grundkörpers erfassen zu können. Das Primärsignal des Temperatursensors, beispielsweise ein PT10.000 Sensor wird über Leitungen 21 der Platine 14 zugeführt um als Messsignal aufbereitet werden und gegebenenfalls zur Kompensation des Primärsignal des Drucksensors herangezogen zu werden. Die Leitungen 21 sind in einem Edelstahlrohr 22 geführt, welches sich zwischen dem Grundkörper 1 und dem Sensorträgerkörper 10 erstreckt. Oberhalb des Temperatursensors 20 ist in dem Stahlrohr eine Glasdurchführung 23 der Zündschutzart Exd vorgesehen. Das Stahlrohr 22, welches sich vollständig durch den Grundkörper 1 erstreckt ist in der Durchtrittsebene, d. h. an der trennmembranseitigen Oberfläche 2 des Grundkörpers 1 mit einer umlaufenden Kehlnaht 24 mit dem Grundkörper 1 verschweißt.
Der Grundkörper 1 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel in einen Flansch 18 integriert. Gleichermaßen sind jedoch beliebige andere Prozessanschlüsse möglich, beispielsweise Gewindeanschlüsse.
Zwischen dem Flansch 18 und dem Sensorträgerkörper 10 erstreckt sich eine zylindrische Hülse 16, die den Sensorträgerkörper abstützt und das Rohr 22 sowie die Kapillarleitung 5 schützt.
Der Druckmittler gemäß 2 umfasst einen Grundkörper 41 mit einer medienseitigen Oberfläche 42, an der eine ringförmige Trennmembran 43 mit ihrem inneren Rand 44 und ihrem äußeren Rand 45 befestigt ist. Zwischen der Trennmembran und dem Grundkörper 41 ist eine Druckkammer eingeschlossen, die über eine Bohrung 46 mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert. In dem von dem inneren Rand der Trennmembran eingeschlossenen Bereich des Grundkörpers 41 ist eine Bohrung 48 vorgesehen, in der ein Temperatursensor 47 angeordnet ist. Einzelheiten dazu sind im Zusammenhang mit 1 erläutert.
Die Trennmembran dieses Ausführungsbeispiels ist als Napfmembran gestaltet. D. h., die Trennmembran umfasst einen auslenkbaren Arbeitsbereich 49 der tiefer liegt als die Ebene die durch den inneren bzw. äußeren Randbereich der Trennmembran definiert ist.

Claims

Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums, umfassend: einen Grundkörper (1), der eine Oberfläche (2) aufweist; und eine Trennmembran (3), die an der Oberfläche (2) befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist, die Druckkammer (4) und der hydraulische Pfad (5) mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran (3) eine Ringmembran mit einem umlaufenden inneren Rand (31) und einem umlaufenden äußeren Rand (32) ist und sowohl der innere Rand als auch der äußere Rand druckdicht mit der Oberfläche (2) des Grundkörpers (1) verbunden sind; wobei der Druckmittler weiterhin einen Sensor (20) für eine zweite Messgröße umfasst, der in dem von dem inneren Rand (31) der Trennmembran (3) umgebenen Bereich angeordnet ist.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Sensor für eine zweite Messgröße ein Temperatursensor, ein Feuchtesensor, ein potentiometrischer Sensor, insbesondere ein pH-Sensor, ein photometrischer, spektrometrischer oder ein anderer analytischer Sensor ist.
Druckmittler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper (1) eine durchgehende, zentrale Bohrung (8) aufweist, in welche der zweite Sensor (20) von der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers (1) eingesetzt ist.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1) und die Trennmembran (3) jeweils einen metallischen Werkstoff aufweisen.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennmembran mit der Oberfläche des Grundkörpers verschweißt oder verlötet ist.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennmembran zwischen dem inneren Rand (31) und dem äußeren Rand (32) einen auslenkbaren Arbeitsbereich aufweist, und zwischen dem inneren bzw. dem äußeren Rand und dem Arbeitsbereich jeweils eine umlaufende Sicke vorgesehen ist.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trennmembran, als Napfmembran ausgebildet ist, die einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich umfasst und einen auslenkbaren Arbeitsbereich zwischen dem inneren und dem äußeren Randbereich, wobei der Arbeitsbereich, bezogen auf eine Ebene, die durch den äußeren Randbereich der Trennmembran definiert ist, tiefer liegt.
Druckwandler, umfassend: einen Druckmittler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und eine Druckmesszelle (11), die über den hydraulischen Pfad des Druckmittlers mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie eine elektronische Schaltung (14), um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.
Druckwandler nach Anspruch 8, wobei die elektronische Schaltung (14) Mittel zur Verarbeitung der Signale des Sensors (20) für die zweite Messgröße umfasst.
Druckwandler nach Anspruch 9, wobei der Sensor für die zweite Messgröße ein Temperatursensor ist, dessen Signal am Eingang einer Korrekturschaltung zur Korrektur eines Temperaturfehlers des Druckmesswerts anliegt.
Druckwandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Druckwandler ein Absolutdruckwandler, ein Relativdruckwandler oder ein Differenzdruckwandler ist.