-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum dauerhaften Befüllen eines Druckmittlers über eine in einer Gehäusewand befindlichen Befüllöffnung, sowie ein Druckmittler mit einer solchen Befüllöffnung.
-
Druckmittler werden in der industriellen Messtechnik zur Übertragung von Drücken eingesetzt. Dabei werden sie z.B. in Verbindung mit Druck oder Differenzdruckmessgeräten eingesetzt. Bei Druckmessgeräten wird ein zu messender Druck beispielsweise dem Druckmittler zugeführt und über den Druckmittler auf einen im Messgerät ggfl. auch im Druckmittler befindlichen Drucksensorelement übertragen. Bei Differenzdruckmessgeräten werden entsprechend zwei Druckmittler eingesetzt denen jeweils einer der Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, zugeführt wird. Die Druckmittler übertragen diese Drücke dann auf das Drucksensorelement zur Erfassung eines Druckmesswertes.
-
Der Einsatz von Druckmittlern ist z.B. dann erforderlich, wenn der oder die Drücke dem Druck- bzw. Differenzdrucksensor nicht direkt zugeführt werden können. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Sensoren gegenüber chemischen und/oder mechanischen Belastungen sehr empfindliche sind, wie dies z.B. bei piezoresistiven Druckmesszellen, die z.B. Messmembranen aus oder mit empfindlichen Halbleiterbauelementen aufweisen, der Fall ist, oder wenn eine Differenz zwischen zwei an verschiedenen Orten wirkenden Drücken mit einem Differenzdrucksensor erfasst werden.
-
Weiter werden Druckmittler auch dann eingesetzt, wenn, z.B. aus hygienischen Gründen, ein frontbündiger Abschluss zum Prozess gewünscht ist.
-
Druckmittler weisen in der Regel eine auf einen Körper, bspw. ein Gehäusekörper, montierte flexible Trennmembran auf, deren vom Körper abgewandte Seite ein zu übertragender Druck zuführbar ist. Der Körper weist üblicherweise eine zur Trennmembran hin geöffnete hydraulische Kammer auf, die von der Trennmembran überdeckt und nach außen abgeschlossen ist. Vorzugsweise dient eine der Trennmembran zugewandte innere Mantelfläche der Kammer als Membranbett, an das sich die Trennmembran anlegt, wenn der auf sie einwirkende Druck einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Anschluss des Druckmittlers an einen Drucksensorelement kann bspw. über eine Druckleitung, die in die Druckkammer mündet erfolgen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Drucksensorelement sich innerhalb des Körpers befindet und somit keine Druckleitung notwendig ist.
-
Die hydraulische Kammer und ggfl. auch die Druckleitung bilden zusammen einen hydraulischen Kammerverbund aus und werden mit einer inkompressiblen Übertragungsflüssigkeit gefüllt, über die im Betrieb die Druckübertragung erfolgt. Anhand der Befüllung des hydraulischen Kammerverbundes lässt sich somit ein spezifischer Arbeitspunkt des Druckmittles einstellen. Dieser Arbeitspunkt hängt unter anderem von dem, unter der Trennmembran in den hydraulischen Kammerverbund, eingeschlossenen Volumen ab. Hierbei gilt es, für jede Ausgestaltungsvariante der Trennmembran die Kammer und ggfl. die Druckleitung mit einem spezifischen Volumen der Übertragungsflüssigkeit zu befüllen.
-
Eine entsprechende hydraulische Kammer zur Aufnahme der Übertragungsflüssigkeit bzw. des Füllfluids wird typischerweise durch verschiedene Fügeprozesse struktureller Komponenten des Druckmittlers untereinander sowie mit der Trennmembran und ggfl. dem integrierten Sensorelement hergestellt. Erst wenn die Trennmembran und ggfl. auch das integrierte Sensorelement montiert sind, d.h. alle Öffnungen bis auf eine dediziert zur Fluidbefüllung vorgesehene Befüllöffnung verschlossen sind, kann die Fluidbefüllung erfolgen. Anschließend muss die Befüllöffnung hinreichend druckdicht verschlossen werden, um einen bei allen Lastfällen und auf Dauer funktionsfähigen Sensor zu erhalten.
-
Bekannte Verschlussmechanismen und -prozesse basieren entweder auf rein mechanischen Effekten oder in einer Kombination von mechanischem Verschluss und thermischem Fügeverfahren zur Erzielung der Druckdichtigkeit. Die rein mechanischen Verfahren weisen entweder eine geringe Druckfestigkeit auf (z.B. Kugelverschluss), erfordern komplexe und somit teure Teilegeometrien (z.B. Verschluss mit Kugel und Schraube) oder aufwendige automatisierte Prozesse (z. B. Königs-Expander). Verschlussverfahren unter Nutzung thermischer Fügeprozesse erzielen typischerweise eine Dichtheit bis zu sehr hohen Drücken, bringen aber heute so viel thermische Energie unweit der Befüllöffnung ein, dass eine thermische Beeinflussung der Übertragungsflüssigkeit bzw. des Füllfluids nicht ausgeschlossen werden kann. Eine solche thermische Beeinflussung kann über chemische Reaktionen im Füllfluid zum Zerfall von Füllfluid-Molekülen und zur Gasbildung in der hydraulischen Kammer führen, was bei Fortschreiten des derart initiierten Prozesses eine langsame Veränderung der Messeigenschaften bewirken und über längere Zeiträume einen Totalausfall des Sensors zur Folgen haben kann.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Möglichkeit vorzuschlagen, die thermische Rückwirkung auf die Übertragungsflüssigkeit zu verringern.
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum dauerhaften Befüllen eines Druckmittlers über eine in einer Gehäusewand befindlichen Befüllöffnung, sowie ein Druckmittler gelöst.
-
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum dauerhaften Befüllen eines Druckmittlers über eine in einer Gehäusewand befindlichen Befüllöffnung mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Befüllen des Druckmittlers mit einer Übertragungsflüssigkeit über die Befüllöffnung;
- – Anordnen eines Abdichtungselementes in der Befüllöffnung, so dass keine Übertragungsflüssigkeit mehr durch die Befüllöffnung austreten kann;
- – Aufbringen einer generativ aufgebauten, vorzugsweise metallischen Verschlussschicht auf zumindest Teile des Abdichtungselements und der Gehäusewand.
-
Erfindungsgemäß wird also ein Verschlussverfahren vorgestellt, das einen mechanischen Vorverschluss über einfache Teilegeometrien realisiert und im Anschluss über ein generatives Metallaufbauverfahren eine ausreichende Druckfestigkeit ohne thermische Rückwirkung auf die Übertragungsflüssigkeit erzielt.
-
Als generative Fertigungsverfahren werden alle Fertigungsverfahren bezeichnet, die Bauteile durch Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen, vorzugsweise schichtweise, automatisiert herstellen. Der Begriff „Additive Manufacturing“ ist das englische Pendant zum deutschen Begriff „Generative Fertigungsverfahren“ manchmal auch als „Additive Fertigungsverfahren“ bezeichnet. Sowohl der deutsche Begriff „Generative Fertigungsverfahren“ als auch der englische Begriff „Additive Manufacturing“ sind in Deutschland (VDI 3403) und in den USA (ASTM F2792) genormt.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Befüllöffnung mittels einer Stufenbohrung realisiert wird, wobei die Stufenbohrung dergestalt ist, dass sie zumindest einen ersten und einen zweiten zylindrischen Bereich mit einem ersten Durchmesser und einem zweiten Durchmesser, die vorzugsweise unterschiedlichen sind, aufweist.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nach dem Anordnen des Abdichtungselementes in der Befüllöffnung ein Reinigungsschritt durchgeführt wird, durch den zumindest die Gehäusewand und/oder eine erste Stirnseite des Abdichtungselementes, insbesondere von der Übertragungsflüssigkeit, gereinigt wird.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die generativ aufgebaute Verschlussschicht durch ein lokal aufgebrachtes Metallpulver, welches mittels einer exothermen Reaktion aufgeschmolzen wird, hergestellt wird. Insbesondere wird die exotherme Reaktion lokal ausgeübt, bspw. durch die Verwendung eines Lasers. Bezüglich der Reihenfolge der beiden Verfahrensschritte ist es denkbar, dass zuerst das Metallpulver lokal aufgebracht und anschließend durch die exotherme Reaktion aufgeschmolzen wird, aber auch, dass Aufbringen und Aufschmelzen in einem Schritt, d.h. parallel, durchgeführt wird.
-
Hinsichtlich des Druckmittlers wird die Aufgabe durch einen Druckmittler zumindest aufweisend ein Gehäuse mit einer hydraulischen Kammer und einer Trennmembran gelöst, wobei die hydraulische Kammer mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt ist und durch die Trennmembran von einem zu messenden Medium abgetrennt ist, wobei die Trennmembran und die Übertragungsflüssigkeit einen an der Trennmembran anliegenden Mediendruck an ein, vorzugsweise innerhalb des Gehäuses befindliches Drucksensorelement zur Erfassung eines Druckmesswertes übertragen, wobei der Druckmittler ferner eine in einer Gehäusewand befindlichen Befüllöffnung, ein in der Befüllöffnung angeordnetes Abdichtungselement und eine generativ aufgebaute, vorzugsweise metallische Verschlussschicht aufweist, wobei die Verschlussschicht zumindest über dem Abdichtungselement und einen Bereich um die Befüllöffnung auf der Gehäusewand aufgebracht ist.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass das Abdichtungselement und der zweite zylindrische Bereich als eine Passung realisiert sind. Derartig für diesen Anwendungsfall geeignete Passung stellen bspw. eine Press- oder eine Übergangspassung dar. Diese haben gegenüber einer Spielpassung den Vorteil, dass sich das Abdichtungselement nicht aufgrund der Gewichtskraft der Übertragungsflüssigkeit aus dem zweiten zylindrischen Bereich herauslöst, wie dies bei einer Spielpassung möglicherweise der Fall sein könnte. Als besonders bevorzugt haben sich dabei Übergangspassungen des Typs H7/n6 oder H7/k6 oder H7/j6, die in der Norm DIN ISO 286 T2 beschrieben sind, erwiesen.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Befüllöffnung in Form einer Stufenbohrung realisiert ist, die zumindest einen ersten zylindrischen Bereich und einen zweiten zylindrischen Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Stufenbohrung ferner einen dritten zylindrischen Bereich mit einem dritten Durchmesser aufweist und die Stufenbohrung eine zweite Stufenkante zwischen dem zweiten und dritten zylindrischen Bereich aufweist und wobei das Abdichtungselement mit einer zweiten Stirnseite auf der zweiten Stufenkante aufliegt.
-
Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers sieht vor, dass die Befüllöffnung im Wesentlichen konisch zulaufend ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Abdichtungselement im Wesentlichen eine entsprechend der Befüllöffnung konisch zulaufende Außenkontur aufweist.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1: einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmittler,
-
2: eine Detailansicht der Befüllöffnung einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers und des zum Verschluss eingesetzte Abdichtungselement vor der Montage,
-
3: eine Detailansicht der Befüllöffnung der ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers und dem eingesetzten Abdichtungselement nach der Montage und der Anwendung des generativen Fertigungsverfahrens, und
-
4: eine Detailansicht der Befüllöffnung einer zweiten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers und des eingesetzten Abdichtungselementes mit einer kegelstumpfförmigen Aussenkontur nach der Montage und der Anwendung des generativen Fertigungsverfahrens.
-
1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmittler 1, der zumindest ein, vorzugsweise metallisches, Gehäuse 10 mit einer hydraulischen Kammer 11 und einer flexiblen, vorzugsweise metallischen, Trennmembran 12 aufweist. Die hydraulische Kammer 11 ist durch die flexible Trennmembran 12 von einem zu messenden Medium abgetrennt.
-
Die in die hydraulische Kammer 11 eingefüllte Übertragungsflüssigkeit 4 dient dazu, einem (in dieser Ausgestaltung innerhalb des Gehäuses 10 befindlichen) Drucksensorelement 13 ein an der Trennmembran 12 anliegenden Mediendruck möglichst hysteresefrei und zeitstabil zuführen. Eine direkte Exposition des Drucksensorelementes 13 mit dem zu messenden Medium ist, wie eingangs erwähnt, in vielen Fällen nicht empfehlenswert oder sogar verboten.
-
Das Drucksensorelement 13 erfasst anhand des über die Übertragungsflüssigkeit 4 zugeführten Mediendrucks einem Druckmesswert.
-
Der Druckmittler 1 umfasst ferner eine in einer Gehäusewand 2 befindlichen Befüllöffnung 3, die als Stufenbohrung 7 ausgebildet ist. Die Stufenbohrung 7 weist einen in die hydraulische Kammer 11 mündenden dritten zylindrischen Bereich 15 mit einem dritten Durchmesser D3, einem zweiten zylindrischen Bereich 9, der an den dritten zylindrischen Bereich 15 anschließt, mit einem zweiten Durchmesser D2 und einem ersten zylindrischen Bereich 8, der an den zweiten zylindrischen Bereich 9 anschließt, mit einem ersten Durchmesser D1, auf. Die Durchmesser sind, wie aus 1 ersichtlich, derartig gewählt, dass der dritte Durchmesser D3 kleiner als der zweite Durchmesser D2 und dieser wiederum kleiner als der erste Durchmesser D1 ist. Denkbar sind/ist aber auch eine Ausgestaltung bei der der dritte zylindrische Bereich 15 weggelassen wird und/oder auch eine Ausgestaltung bei der der erste Durchmesser D1 und der zweite Durchmesser D2 im Wesentlichen gleich groß sind.
-
Die Symmetrieachsen der drei zylindrischen Bereiche 8, 9, 15 sind dabei ohne Knick ineinander übergehend.
-
Im günstigsten Fall sind die Gehäusewände 2 sowie das Abdichtungselement 5 aus Edelstahl gefertigt. Andere Materialien sind denkbar, wobei deren thermische Ausdehnungskoeffizienten möglichst ähnlich, im besten Fall gleich sein sollten.
-
2 zeigt eine Detailansicht der Befüllöffnung 3 einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers 1 und des zum Verschluss eingesetzte zylindrische Abdichtungselement vor der Montage.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum dauerhaften Befüllen sieht vor, dass nach erfolgter Befüllung der hydraulischen Kammer 11 mit der Übertragungsflüssigkeit 4 mittels eines zylindrischen Abdichtungselementes 5, bspw. eines Stiftes, verschlossen wird. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn beim Befüllvorgang die Übertragungsflüssigkeit 4 mindestens bis zu einer zweiten Stufenkante 17 eingefüllt wird. Als zweite Stufenkante 17 ist die Kante zwischen dem zweiten zylindrischen Bereich 9 und dem ersten zylindrischen Bereich 8 zu verstehen. Dementsprechend ist als erste Stufenkante 16 die Kante zwischen dem dritten zylindrischen Bereich 15 und dem zweiten zylindrischen Bereich 9 zu verstehen.
-
Hierbei ist zu beachten, dass das Abdichtungselement 5 bis zum Übergang zur Bohrung mit dem kleinsten Durchmesser, also dem dritten zylindrischen Bereich, eingeführt wird, so dass eine zweite Stirnseite des Abdichtungselementes 5 auf der zweiten Stufenkante 17 aufliegt. Das Abdichtungselement 5 und die zweite Bohrung bilden eine Passung 14, bei der das Abdichtungselement 5 nicht durch geringfügige Kräfte wie die Gewichtskraft der Übertragungsflüssigkeit 4 aus dem zweiten zylindrischen Bereich 9 bzw. zweite Bohrung herausgedrückt werden kann.
-
Derartig für diesen Anwendungsfall geeignete Passung stellen bspw. eine Press- oder eine Übergangspassung dar. Diese haben gegenüber einer Spielpassung den Vorteil, dass sich das Abdichtungselement nicht aufgrund der Gewichtskraft der Übertragungsflüssigkeit aus dem zweiten zylindrischen Bereich herauslöst, wie dies bei einer Spielpassung möglicherweise der Fall sein könnte. Als besonders bevorzugt haben sich dabei Übergangspassungen des Typs H7/n6 oder H7/k6 oder H7/j6, die in der Norm DIN ISO 286 T2 beschrieben sind, erwiesen.
-
Das Abdichtungselement 5 hat ungefähr die gleiche Länge wie die zweite Bohrung, so dass seine erste Stirnseite nur geringfügig über diese Bohrung übersteht oder in diese Bohrung eintaucht. Da die Übertragungsflüssigkeit 4 in der zweiten Bohrung bzw. zweiten zylindrischen Bereich 9 steht, wird die dort vorhandene Übertragungsflüssigkeit 4 durch das Einführen des Abdichtungselementes 5 derart verdrängt, dass keine Luft in der hydraulischen Kammer 11 eingeschlossen ist und die überschüssige Übertragungsflüssigkeit 4 aus der zweiten Bohrung bzw. dem zweiten zylindrischen Bereich 9 heraus gedrückt wird.
-
Nach dem Verschließen mit dem Abdichtungselement 5 wird der Druckmittler 1 von Resten der Übertragungsflüssigkeit 4 auf den äußeren Flächen gereinigt. Hierzu eigenen sich z.B. ein Tauchprozess oder eine Dampfreinigung mit einem geeigneten Lösungsmittel. Das Abdichtungselement 5 dient dazu, ein Auslaufen der Übertragungsflüssigkeit 4 oder ein Eindringen von Reinigungsfluid vollständig zu verhindern.
-
Anschließend wird der erste zylindrische Bereich 8, der den gleichen oder einen größeren Durchmesser als der mit dem Abdichtungselement 5 verschlossen zweite zylindrische Bereich 9 aufweist, mittels eines generativen Metallaufbauverfahrens druckdicht aufgefüllt. Hierzu wird ein Metallpulver lokal aufgebracht und dieses anschließend oder ggfl. auch gleichzeitig, z.B. per Laser, aufgeschmolzen. Bei diesem Verfahrensschritt verbinden sich das aufgeschmolzene Metallpulver und das vorhandene Metall. Die Höhe des ersten zylindrischen Bereichs 8 ist so zu wählen, dass das System aus dem Abdichtungselement 5 und der generativ hergestellten Verschlusschicht 6 die geforderte Druckfestigkeit sicher bietet.
-
Der erste Durchmesser D1 des ersten zylindrischen Bereichs 8 ist dann größer als der zweite Durchmesser D2 des zweiten zylindrischen Bereichs 9 zu wählen, wenn die Haftung der generativ hergestellten Verschlussschicht 6 durch eine ebene Kontaktfläche um das Abdichtungselement herum verbessert werden kann. Falls ein Überstehen der generativ hergestellten Verschlussschicht 6 über die restliche Oberfläche im konkreten Anwendungsfall unproblematisch und die Haftung der verbundenen Flächen hinreichend hoch ist, kann der erste zylindrische Bereich 8 auch denselben Durchmesser wie der zweite zylindrische Bereich 9 aufweisen. In diesem Fall wird die generativ erzeugte Metallschicht 6 auf der äußeren Oberfläche der Gehäusewand 2 aufgetragen.
-
Sollte sich ein Herausstehen der ersten Stirnseite des Abdichtungselementes 5 aus der Öffnung des zweiten zylindrischen Bereiches 9 für die mit dem generativen Metallaufbauprozess erreichbare Druckfestigkeit (= Grad der Verschmelzens von additiv aufgebrachtem und vorhandenem Metall) als positiv erweisen, ist eine entsprechende Konfiguration durch geeignete Wahl der Länge des zweiten zylindrischen Bereichs und Länge des Abdichtungselementes 5 herzustellen. Vorzugsweise ist dabei die Länge des Abdichtungselementes 5 so zu wählen, dass die erste Stirnseite des Abdichtungselementes 5 nur geringfügig übersteht oder in den zylindrischen Bereich 9 einsinkt.
-
Ist ein geringfügiges Überstehen des Abdichtungselementes 5 gewünscht, kann der überstehende Bereich entweder eine zylindrische oder eine kegelstumpfförmige Kontur aufweisen. Letztere kann wiederum vorteilhaft für die Haftung der generativ aufgetragenen Metallschicht 6 sein.
-
3 zeigt eine Detailansicht der Befüllöffnung der ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers 1 und dem eingesetzten Abdichtungselement 5 nach der Montage bzw. nach der Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens.
-
4 zeigt eine Detailansicht der Befüllöffnung 3 einer zweiten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckmittlers 1 und des eingesetzten Abdichtungselementes 5 mit einer kegelstumpfförmigen Außenkontur nach der Montage bzw. nach der Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens.
-
Die zweite Bohrung bzw. der zweite, in diesem Fall nicht mehr zylindrische Bereich und der Verschlussstift können auch als Kegel bzw. Kegelstumpf und die Befüllöffnung als entsprechendes Gegenstück ausgebildet sein. Hierzu muss sichergestellt sein, dass die Befüllöffnung 3 vollständig verschlossen ist und Überstand oder Absenkung des Abdichtungselementes 5 in der Befüllöffnung 3 für den Metallaufbauprozess nicht zu groß ausfallen. Die Befüllöffnung 3 ist hierbei durch eine im Wesentlichen konisch zulaufende Bohrung realisiert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckmittler
- 2
- Gehäusewand
- 3
- Befüllöffnung
- 4
- Übertragungsflüssigkeit
- 5
- Abdichtungselementes
- 6
- Verschlussschicht
- 7
- Stufenbohrung
- 8
- Erster zylindrischer Bereich
- 9
- Zweiter zylindrischer Bereich
- 10
- Gehäuse
- 11
- Hydraulische Kammer
- 12
- Trennmembran
- 13
- Drucksensorelement
- 14
- Passung
- 15
- Dritter zylindrischer Bereich
- 16
- Erste Stufenkante
- 17
- Zweite Stufenkante
- D1
- Erster Durchmesser
- D2
- Zweiter Durchmesser
- D3
- Dritter Druchmesser
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- VDI 3403 [0013]
- ASTM F2792 [0013]
- Norm DIN ISO 286 T2 [0018]
- Norm DIN ISO 286 T2 [0036]
