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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer mit Druckmittlern.
Ein solcher Druckaufnehmer ist beispielsweise im Deutschen Gebrauchsmuster
DE 203 05 869 offenbart.
Er umfasst ein Druckmesswerk mit einer Druckmesszelle und einem
Messwerkskörper,
der eine erste Stirnfläche
aufweist, an der eine Trennmembran befestigt ist, wobei die Trennmembran
einen hydraulischen Pfad verschließt, der sich von einer Öffnung in
der Stirnfläche über einen
ersten Kanal durch den Messwerkkörper
zu der Druckmesszelle erstreckt, um diese mit einem an der Trennmembran
anstehenden Druck zu beaufschlagen; und einen Druckmittlerkörper, der
eine zweite Stirnfläche
aufweist in welcher ein zweiter Kanal mündet, der sich durch den Druckmittlerkörper erstreckt,
wobei die zweite Stirnfläche entlang
einer umlaufenden Schweißnaht
mit der ersten Stirnfläche
des Messwerkkörpers
verbunden ist, und die erste und die zweite Stirnfläche jeweils
eine Ausnehmung aufweisen, so dass zwischen den Stirnflächen eine
Druckkammer ausgebildet ist. Derartige Konstruktionen werden beispielsweise
in der Prozessautomatisierungstechnik eingesetzt, um verschiedene
Druckmittler an ein Druckmesswerk anschließen zu können, beispielsweise kann der
Druckmittlerkörper
ein Druckmittlerkörper
eines Flanschdruckmittlers oder eines Kapillarleitungdruckmittlers sein,
wobei zur Vereinfachung des logistischen Aufwands vorgefertigte
Druckmesswerke mit dem aktuell gewünschten Druckmittler kombiniert
werden, indem der entsprechende Druckmesswerkskörper mit dem Druckmittlerkörper des
ausgewählten
Druckmittlers verschweißt
wird.
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Dieses
Konstrunktionsprinzip hat sich bewährt, aber es weist die folgenden
Nachteile auf.
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Beim
Verschweißen
des Druckmittlerkörpers mit
dem Messwerkskörper
ist zu vermeiden, dass die Trennmembran beschädigt wird. Um dies zu gewährleisten
ist in der genannten Gebrauchsmusterschrift ein Druckaufnehmer offenbart,
bei dem die Trennmembran auf einem Vorsprung angeordnet ist, der sich
von der ersten Stirnfläche
durch die Ebene der Schweißnaht
hindurch in axialer Richtung erstreckt. Dies bewirkt, dass die Trennmembran
beim Erstellen der Schweißnaht
durch die Mantelflächen
des Vorsprungs, auf dessen Stirnseite sie angeordnet ist, abgeschirmt
bzw. abgeschattet wird, so dass sie beim Schweißen keinen Schaden nimmt. Die
Kehrseite dieses Konstruktionsprinzip ist jedoch, dass die axiale
Dimension der Druckkammer mindestens der Größe des Vorsprungs entsprechen
muss, was zu einem erhöhten
Volumen der Druckkammer führt.
Da die Druckkammer zu dem geschlossenen hydraulischen Übertragungssystem
des Druckmittlers gehört,
bedingt dieses größere Volumen
einen ausgeprägten Temperaturfehler
aufgrund der Volumenausdehnung der Übertragungsflüssigkeit.
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Weiterhin
werden derartige Konstrunktionsprinzipien bei Hochdruckanwendungen
eingesetzt, welche zur Vermeidung von Kerbspannungen gerundete Mantelflächen mit
großen
Krümmungsradien
erfordern, was im Ergebnis wieder zu großem Druckkammervolumina führt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckaufnehmer
bereit zu stellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik überwindet
und eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch
den Druckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
1. Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer
umfasst ein Druckmesswerk mit einer Druckmesszelle und einem Messwerkkörper, der eine
erste Stirnfläche
aufweist, an der eine Trennmembran befestigt ist, wobei die Trennmembran
einen hydraulischen Pfad verschließt, der sich von der ersten
Stirnfläche über einen
ersten Kanal durch den ersten Messwerkskörper zu der Druckmesszelle
erstreckt, um diese mit einem an der Trennmembran anstehenden Druck
zu beaufschlagen; und einen Druckmittlerkörper der eine zweite Stirnfläche aufweist,
in welcher ein zweiter Kanal mündet,
der sich durch den Druckmittlerkörper
erstreckt, wobei die zweite Stirnfläche entlang einer umlaufenden Schweißnaht mit
der ersten Stirnfläche
des Messwerkkörpers
verbunden ist, und die erste und die zweite Stirnfläche jeweils
eine Ausnehmung aufweisen, so dass zwischen den Stirnflächen eine
Druckkammer ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer
weiterhin einen Füllkörper aufweist,
welcher in der Druckkammer angeordnet ist, um das freie Volumen
der Druckkammer zu minimieren.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Ebene
in welche die Schweißnaht
verläuft
von dem Füllkörper durchdrungen.
In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann der
Füllkörper in
der Ebene der Schweißnaht
eine umlaufende Ausnehmung aufweisen. Dies hat insbesondere den
Effekt, dass der Füllkörper, welcher
bestimmungsgemäß bei der
Herstellung der Schweißnaht
bereits in der Druckkammer angeordnet sein muss, durch die Herstellung
der Schweißnaht
nicht beeinträchtigt
wird, und gleichermaßen keinen
adversen Effekt auf die Herstellung der Schweißnaht hat. Gleichermaßen wird
das Ausgasen der Schweißnaht
durch die umlaufende Ausnehmung begünstigt.
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Aus
fertigungstechnischen Gründen
ist es derzeit bevorzugt, wenn der Messwerkkörper, und der Druckmittlerkörper und
der Füllkörper eine
im wesentlichen axialsymmetrische Struktur aufweisen, also eine
Struktur, die sich bei der Herstellung von Drehteilen ergibt.
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Insbesondere
für Hochdruckanwendungen kann
die Wand der Druckkammer eine umlaufende Mantelfläche umfassen,
deren Kontur in axialen Längsschnitten
eine konkave Krümmung
aufweist, um Kerbspannungen in der Druckkammer zu vermeiden bzw.
zu vermindern.
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Dementsprechend
kann der Füllkörper eine Mantelfläche mit
einer konvexen Kontur aufweisen, welche im wesentlichen parallel
zur konkaven Kontur der Mantelfläche
der Druckkammerwand verläuft.
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Sofern
in die Trennmembran auf einem Vorsprung in einem zentralen Bereich
der ersten Stirnfläche
angeordnet ist, was ratsam ist, um die Trennmembran bei der Herstellung
der Schweißnaht
zu schützen,
kann der Füllkörper eine
zu dem Vorsprung komplementäre
Ausnehmung in einer der ersten Stirnfläche zugewandten Oberfläche des
Füllkörpers aufweisen,
wobei sich der axiale Vorsprung in diese Ausnehmung erstreckt.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung kann bereits der Füllkörper als Abschirmung für die Trennmembran
bei der Herstellung der Schweißnaht dienen,
so dass auf den Vorsprung ganz verzichtet werden kann, oder dieser
mit geringerer Bauhöhe ausgeführt werden
kann.
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Je
nach Ausgestaltung der Druckkammer und des Füllkörpers kann es geboten sein,
eine gesonderte Passage für
die Übertragungsflüssigkeit vorzusehen,
damit sie den Druck vom Druckmittler ungehindert zur Trennmembran übertragen
kann. Dazu kann entweder eine Bohrung durch den Füllkörper geführt werden,
oder in seiner Oberfläche
kann beispielsweise eine Nut geführt
werden.
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Der
Füllkörper füllt vorzugsweise
mindestens 90% besonders bevorzugt mindestens 95% des freien Volumens
der Druckkammer aus.
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Um
Toträume
zu vermeiden, kann es geboten sein, Abstandhalter zwischen dem Füllkörper und den
angrenzenden Oberflächen
der Druckkammer vorzusehen, hierzu können kleine punktförmige Vorsprünge, beispielsweise
Schweißpunkte
an der Oberfläche
des Füllkörpers bzw.
den Oberflächen der
Druckkammer vorgesehen sein.
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Eine
andere sichere Positionierung kann erzielt werden, wenn der Füllkörper beim
Erstellen der Schweißnaht
mit der Wand der Druckkammer zumindest punktuell verbunden wird.
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Bei
dieser Varianten ist es derzeit bevorzugt, dass der Füllkörper das
gleiche Material aufweist, wie der Druckmittlerkörper und der Messwerkkörper beispielsweise
Edelstahl, insbesondere V4A-Stahl.
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Sofern
der Füllkörper die
umlaufende Ausnehmung aufweist, die so bemessen ist, dass sie eine
Wechselwirkung des Materials des Füllkörpers mit dem Schweißprozess
bei der Erstellung der Schweißnaht
ausschließt,
kann es auch von Interesse sein, den Füllkörper aus einem anderen Material zu
fertigen, beispielsweise einem Material welches einen kleineren
Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Druckmittlerkörpers und
des Messwerkkörpers,
so dass das freie Restvolumen der Druckkammer auf diese Weise eine
stärkere
Volumenausdehnung aufweisen könnte,
um damit mehr von der Volumenausdehnung der Übertragungsflüssigkeit
zu kompensieren.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
Ein Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers;
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2:
Einen Längsschnitt
durch ein zweites Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers.
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Der 1 gezeigte
Druckaufnehmer 1 umfasst ein Druckmesswerk 2,
in dem eine Druckmesszelle 3 angeordnet ist. Diese Druckmesszelle 3 kann beispielsweise
eine Piezoresistive, Kapazitive oder eine nach dem Resonatorprinzip
arbeitende Druckmesszelle sein, wobei sämtliche dem Fachmann geläufige Druckmessverfahren
der Druckmesstechnik zur Anwendung kommen können.
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Die
Druckmesszelle 3 ist in einem Messwerkkörper 4, in einer Messzellenkammer
angeordnet. Der Messzellenkörper 4 weist
eine Stirnfläche 5 auf,
an der, in diesem Ausführungsbeispiel
auf einem Vorsprung 18, eine Trennmembran 6 befestigt
ist, die einen hydraulischen Pfad 7 verschließt, der
sich von der Trennmembran zur Druckmesszelle erstreckt, um diese
mit dem an der Trennmembran anstehenden Druck zu beaufschlagen.
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Der
hydraulische Pfad ist, wie der Name sagt mit einem hydraulischen Übertragungsmedium
gefüllt,
beispielsweise mit einem Silikonöl.
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Die
Druckmesszelle ist über
hier nicht näher gezeigte
Anschlussleitungen, die über
geeignete Durchführung
in die Messzellenkammer geführt
werden, gespeist, wobei weiterhin für Relativdrucksensoren eine
Referenzluftleitung vorgesehen sein kann. Das soeben beschriebene
Druckmesswerk kann mit beliebigen Druckmittlern kombiniert werden, indem
die erste Stirnfläche 5 des
Messwerkkörpers mit
einer komplementären
zweiten Stirnfläche 11 eines
Druckmittlerkörpers 10 mit
einer umlaufenden Schweißnaht 14 verbunden
wird.
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In
der 1 ist der Druckmittlerkörper eines Kapillardruckmittlers
gezeigt, wobei hier der Kapillaransatz lediglich angedeutet ist.
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Jedenfalls
mündet
in der zweiten Stirnfläche 11 ein
zweiter Kanal 12, der als Bohrung realisiert ist, um bestimmungsgemäß das Druckmesswerk 2 über die
zwischen dem Druckmittlerkörper 10 und
dem Messwerkkörper 4 ausgebildete
Druckkammer 17 mit einem zu messenden Druck zu beaufschlagen. Die
Druckkammer 17 kann durch eine erste Ausnehmung 8 in
der ersten Stirnfläche 5 und
eine zweite Ausnehmung 16 in der zweiten Stirnfläche 11 gebildet
werden.
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Insbesondere
für Hochdruckanwendungen weist
die Druckkammerwand eine konkave Kontur auf, die zumindest abschnittsweise
toroidförmig
verlaufen kann. Zur Reduzierung des Volumens der Druckkammer ist
ein Füllkörper 20 angeordnet,
dessen Kontur im wesentlichen der Kontur der Druckkammer folgt.
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In
der Mantelfläche
des Füllkörpers ist
in der Ebene der Schweißnaht 14,
mit welcher der Messwerkskörper
mit dem Druckmittlerkörper
verbunden ist, eine umlaufende Nut vorgesehen. Dies gewährleistet,
dass es beim Erstellen der Schweißnaht 14 zu keiner
Wechselwirkung zwischen dem Material des Füllkörpers und dem Schweißvorgang
kommt.
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Der
Füllkörper weist
weiterhin eine Ausnehmung 24 auf, in welche der Vorsprung 18 hineinragt, auf
welche die Trennmembran angeordnet ist. Sinn und Zweck der des Vorsprungs 18 ist
der Schutz der Trennmembran vor adversen Effekten bei der Herstellung
der Schweißnaht 14.
Dieses Konstruktionsprinzip war insbesondere in den Fällen erforderlich,
in denen kein Füllkörper in
der Druckkammer vorgesehen war. Jedoch kann der Füllkörper durchaus
so gestaltet werden, dass auf den Vorsprung verzichtet werden kann.
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Ein
entsprechendes Ausführungsbeispiel
ist in 2 skizziert, welches aufgrund der prinzipiellen Ähnlichkeit
mit dem ersten Ausführungsbeispiel
nur kurz erläutert
wird. Der Druckaufnehmer 30 umfasst eine Druckmesszelle 33 in
einer Messwerkkammer, in einem Messwerkkörper 34 der mit einem
Druckmittlerkörper 38 anhand
einer umlaufenden Schweißnaht
verschweißt
ist. Durch Ausnehmungen in den gegenüberliegenden Stirnflächen des
Messwerkkörpers 34 und
des Druckmittlerkörpers 38 ist
eine Druckkammer ausgebildet. Eine Trennmembran 36 ist
im wesentlichen fluchtend mit den umgebenden Bereichen in einem
zentralen Bereich der Ausnehmung in der Stirnfläche des Messwerkkörpers 34 befestigt,
um einen hydraulischen Pfad 37 zu verschließen, über den
die Druckmesszelle 33 mit dem an der Trennmembran anstehenden
Druck beaufschlagt wird.
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In
der Druckkammer ist ein Füllkörper 40 angeordnet,
welcher über
hier nicht näher
gezeigte Abstandshalter, die durch Schweißpunkte an der Füllkörperoberfläche realisiert
sind, lose in Position gehalten wird.
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Eine
umlaufende Ausnehmung in der Ebene der Schweißnaht ist vorgesehen, um eine
Wechselwirkung zwischen dem Körpermaterial
und dem Schweißvorgang
zu verhindern. Weiterhin ist der Füllkörper so gestaltet, dass er
die Trennmembran vor adversen Effekten beim Schweißen schützt. Dies geschieht
insbesondere dadurch, dass es keine geradlinige Verbindung zwischen
irgendeinem Punkt der Trennmembran und einem Punkt der Schweißnaht gibt,
die nicht den Füllkörper schneiden
müsste.