DE102018215851B3

DE102018215851B3 - Druck- oder Durchflussmesszelle

Info

Publication number: DE102018215851B3
Application number: DE102018215851.7A
Authority: DE
Inventors: Gilbert Alexander Erdler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: WO2020058315A1; CN112714864B; US11898889B2; CN112714864A; US20210348956A1

Abstract

Eine Druckmesszelle (1) oder Durchflussmesszelle weist ein Rohrstück (6) auf, in dessen Querschnitt entweder eine mit einem zu messenden Druck beaufschlagte elastisch auslenkbare Membran (7) oder eine von einem Fluid durchströmte elastisch auslenkbare Messblende angeordnet ist. Die Membran (7) oder Messblende und das Rohrstück (6) sind einstückig ausgebildet und über ein Festköpergelenk (8) miteinander verbunden. Im Bereich des Festköpergelenks (8) sind auf der Außenseite des Rohrstücks (6) oder von dieser Seite aus zugänglich Sensormittel angeordnet, die eine Auslenkung der Membran (7) oder Messblende erfassen.Um beim Einbau der Druck- oder Durchflussmesszelle Kräfte an dem Festkörpergelenk (8) vorbei zu leiten, ist ein rohrförmiges Trägerteil (10) vorgesehen, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Rohrstücks (6) ist und das in seinem Querschnitt eine Wand (11) mit einer mittigen kreisförmigen Öffnung (12) aufweist, in die das auf die Dicke der Wand (11) verkürzte Rohrstück (6) eingefügt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druck- oder Durchflussmesszelle mit einem Rohrstück, in dessen Querschnitt entweder eine mit einem zu messenden Druck beaufschlagte elastisch auslenkbare Membran oder eine von einem Fluid durchströmte elastisch auslenkbare Messblende angeordnet ist, wobei die Membran oder Messblende und das Rohrstück einstückig aus einem einheitlichen Material ausgebildet und über ein Festköpergelenk miteinander verbunden sind, und wobei im Bereich des Festköpergelenks auf der Außenseite des Rohrstücks oder von dieser Seite aus zugänglich Sensormittel angeordnet sind, die eine Auslenkung der Membran oder Messblende erfassen.
Bei einer derartigen aus der DE 10 2015 216 626 A1 bekannten Druckmesszelle weist die Membran zur Realisierung des Festkörpergelenks in ihrem Umfangsbereich eine geringere Dicke auf als in ihrem mittleren Bereich. Außerdem geht die Membran auf beiden Seiten jeweils über eine Kehlnut in das Rohrstück über. Die Außenwand des Rohrstücks enthält in einem der Membran gegenüberliegenden Bereich eine Ausnehmung zur Verringerung der Rohrdicke. In der Ausnehmung kann ein mittig zur Membran verlaufender und zu einem Teil in die Membran hineinragender Spalt vorgesehen sein. Die Sensormittel sind als Dehnungssensoren (Dehnungsmessstreifen) ausgebildet und in der Ausnehmung des Rohrstücks und/oder an den Innenwänden des Spalts gegenüber der Kehlnut angeordnet.
Aus der DE 10 2017 202 896 A1 ist eine nach dem Wirkdruckverfahren arbeitende Durchflussmesszelle bekannt, die sich von der vorstehend beschriebenen bekannten Druckmesszelle dadurch unterscheidet, dass anstelle der Membran eine von einem Fluid durchströmte Messblende vorgesehen ist.
Bei einer aus der DE 10 2015 216 624 A1 bekannten Druckmesszelle weist die Membran im mittleren Bereich eine hohe Biegesteifigkeit auf und ist im Randbereich in axialer Richtung federnd in dem Rohrstück gelagert, wobei die federnde Lagerung durch eine Aufhängung mit zwei im Wesentlichen parallel zur Ebene der Membran verlaufenden, bezüglich der Rohrachse rotationssymmetrischen Schenkeln realisiert ist. Zur Ausbildung der beiden Schenkel kann die Stirnseite der Membran eine in radialer Richtung in die Membran hineinragende Nut enthalten. Einer von dem zu messenden Druck abhängige Verschiebung der Membran kann durch optische Messung mittels Laser, kapazitive Messung mit geeignet angebrachten Elektroden, magnetische oder Ultraschallmessung oder mit Hilfe von Dehnungsaufnehmern erfolgen, die auf den beiden Innenseiten der Schenkel aufgebracht sind.
Eine aus der DE 10 2015 223 784 A1 bekannte Druckmesszelle unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen bekannten Druckmesszelle dadurch, dass ein zwischen den beiden Schenkeln verlaufendes und die Außenseite des Rohrstücks in radialer Richtung zumindest teilweise überragendes stegförmiges Übertragungsmittel die axiale Verschiebung der Membran anzeigt und die Mittel zur Erfassung der Verschiebung der Membran an der Außenseite des Rohrstücks angeordnet sind.
Aus der DE 10 2008 002 671 A1 ist eine Drucksensoranordnung mit einem Rohr und einer darin angeordneten Trennmembran bekannt, die einstückig aus einem einheitlichen Material gefertigt sind. Das Rohr weist auf seiner Umfangsseite gegenüber der Trennmembran eine Ausnehmung auf, in deren Bereich die Rohrwand mit ihrer reduzierten Dicke als Seitenwandmembran dient. Eine an der Trennmembran anliegende Druckdifferenz führt zu deren Deformation. Da die Trennmembran T-förmig auf die Seitenwandmembran trifft, findet dort wegen der hohen Steifigkeit keine Verformung statt, so dass sich die Deformation der Trennmembran auf die Seitenwandmembran überträgt und mit dort in der Ausnehmung angeordneten Dehnungsaufnehmern erfasst wird.
Die DE 197 38 704 A1 zeigt eine Differenzdruckmesszelle, die beiderseits durch äußere Druckkappen abgeschlossen ist. Dazu sind die Druckkappen mithilfe von Spannbolzen mit dem Gehäuse dichtend verspannt. Jede der beiden Druckkappen enthält eine Druckzuführungsöffnung über die die Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, zugeführt werden. Im Falle einer Durchflussmesszelle der eingangs genannten Art kommt das sensitive Festkörpergelenk genau im Kraftschluss der Druckkappen zu liegen, so dass das hohe Drehmoment der Schrauben zu einer Verspannung der Zelle führen kann, was wiederum eine Offsetverschiebung des Nullpunktes bewirkt.
Das Problem tritt auch auf, wenn eine Durchflussmesszelle der eingangs genannten Art im Zuge einer Rohrleitung zwischen zwei Flanschen montiert wird.
Gemäß der Erfindung wird das Problem dadurch gelöst, dass bei der Druck- oder Durchflussmesszelle der eingangs angegebenen Art ein rohrförmiges Trägerteil vorgesehen ist, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Rohrstücks ist und das in seinem Querschnitt eine Wand mit einer mittigen kreisförmigen Öffnung aufweist, in die das auf die Dicke der Wand verkürzte Rohrstück eingefügt ist, wobei das rohrförmige Trägerteil das Rohrstück in axialer Richtung beidseitig überragt.
Bei einer die erfindungsgemäße Druckmesszelle enthaltenden Differenzdruckmessanordnung ist das rohrförmige Trägerteil an seinen beiden Enden durch äußere Druckkappen (Prozessanschlusskappen) abgeschlossen, die Druckzuführungsöffnungen enthalten und mithilfe von Spannbolzen mit dem Trägerteil dichtend verspannt sind.
Bei einer die erfindungsgemäße Durchflussmesszelle enthaltenden Durchflussmessanordnung ist das rohrförmige Trägerteil mit seinen beiden Enden in eine das Fluid führende Rohrleitung eingebaut. Zu diesem Zweck können die Enden des rohrförmigen Trägerteils mit Prozessflanschen versehen sein.
In beiden Fällen werden die Einspann- oder Montagekräfte von dem rohrförmigen Trägerteil aufgenommen und um das Festkörpergelenk der Druck- bzw. Durchflussmesszelle herum geleitet, wodurch eine deutlich höhere Performance (Nullpunktstabilität) erzielt wird.
Das Rohrstück mit der Membran bzw. Messblende kann auf unterschiedliche Weise, beispielsweise durch Presspassung und/oder Verkleben in der Öffnung der Wand fixiert werden, wobei das Rohrstück vorzugsweise entlang der kreisförmigen Öffnung mit der Wand verschweißt ist.
Um elektrische Kontaktleitungen von den Sensormitteln im Bereich des Festkörpergelenks nach außen zu führen enthält die Innenwand der kreisförmigen Öffnung vorzugsweise eine umlaufende Nut, in die eine von außen quer durch das rohrförmige Trägerteil und die Wand verlaufende Bohrung mündet.
Zu demselben Zweck kann auch die Außenwand des Rohrstücks eine umlaufende Nut enthalten. Diese weist vorzugsweise eine solche Breite auf, dass das Rohrstück an seinen beiden Enden jeweils einen kragenförmigen Flansch bildet, der einer sicheren Schweißnaht bei Verschweißen des Rohrstücks in der Wand dient.
Anhand der Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung zeigen, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Druckmessanordnung im Längsschnitt,
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Durchflussmessanordnung im Längsschnitt,
3 eine Einzelheit eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Druck- oder Durchflussmesszelle,
4 eine Einzelheit eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Druck- oder Durchflussmesszelle,
5 eine Einzelheit eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Druck- oder Durchflussmesszelle und
6 eine Einzelheit eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Druck- oder Durchflussmesszelle.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Differenzdruckmessanordnung im Längsschnitt mit einer Druckmesszelle 1, die beiderseits durch äußere Druckkappen 2, 3 abgeschlossen ist. Jede der beiden Druckkappen 2, 3 enthält eine Druckzuführungsöffnung 4, 5, über die die Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, zugeführt werden.
Die Druckmesszelle 1 enthält ein Rohrstück 6, in dessen Querschnitt eine mit dem zu messenden Differenzdruck beaufschlagte elastisch auslenkbare Membran 7 angeordnet ist. Die Membran 7 und das Rohrstück 6 sind einstückig aus einem einheitlichen Material, z. B. Stahl, ausgebildet und über ein Festköpergelenk 8 miteinander verbunden. Zur Bildung des Festkörpergelenks 8 enthält das Rohrstück 6 auf seiner Umfangsseite in einem der Membran 7 gegenüberliegenden Bereich eine Ausnehmung 9, wodurch die Wandstärke des Rohrstücks 6 beiderseits der Membran 7 reduziert ist. Die Ausnehmung 9 kann, wie hier gezeigt, lokal oder um das Rohrstück 6 umlaufend ausgebildet sein. In der Ausnehmung 9 oder von dieser aus zugänglich sind an dem Festköpergelenk 8 hier nicht gezeigte Sensormittel angeordnet, die eine Auslenkung der Membran 7 erfassen.
Das Rohrstück 6 mit der Membran 7 ist in einem rohrförmigen Trägerteil 10 angeordnet, dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Rohrstücks 6 ist und das in seinem Querschnitt eine Wand 11 mit einer mittigen kreisförmigen Öffnung 12 aufweist. Das Rohrstück 6 ist in diese Öffnung 12 eingesetzt und dabei mit der Wand 11 fest verbunden. Insbesondere kann das Rohrstück 6 entlang der kreisförmigen Öffnung 12 mit der Wand 11 verschweißt sein. Um elektrische Kontaktleitungen von den Sensormitteln im Bereich des Festkörpergelenks 8 nach außen zu führen, enthält die Innenwand der kreisförmigen Öffnung 12 eine umlaufende Nut 13, in die eine von außen in axialer durch das rohrförmige Trägerteil 10 und die Wand 11 verlaufende Bohrung 14 mündet. Die Länge des Rohrstücks 6 entspricht der Dicke der Wand 11, so dass das Rohrstück 6 an seinen beiden Enden bündig mit der Wand 11 abschließt und das rohrförmige Trägerteil 10 das Rohrstück 6 in axialer Richtung beidseitig überragt.
Die Druckkappen 2, 3 liegen an den Enden des rohrförmigen Trägerteils 10 an und sind mithilfe von Spannbolzen 15, 16 mit dem Trägerteil 10 dichtend verspannt. Die Einspannkräfte werden vollständig von dem rohrförmigen Trägerteil 10 aufgenommen und um das Festkörpergelenk 6 der Druckmesszelle 1 herum geleitet.
2 zeigt eine Durchflussmessanordnung im Längsschnitt mit einer Durchflussmesszelle 17, welche sich von der in 1 dargestellten Druckmesszelle 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle der Membran 7 eine von einem Fluid 18 durchströmte Messblende 19 vorgesehen ist. Die Messblende 19 weist in ihrer Mitte eine Blendenöffnung 20 auf, durch die der Strömungsquerschnitt verengt wird. Das strömende Fluid 18 bewirkt daher einen Druckabfall über der Messblende 19, so dass diese verformt und ausgelenkt wird. Das rohrförmige Trägerteil 10 ist an seinen beiden Enden mit Prozessflanschen 21, 22 versehen, um die Durchflussmesszelle 17 in eine, hier nicht gezeigte, das Fluid 18 führende Rohrleitung einzubauen.
Die folgenden 3 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Druck- oder Durchflussmesszelle 1, 17 als Einzelheit im Bereich des Festkörpergelenks 6.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel wird das Festkörpergelenk 8 dadurch gebildet, dass die Wandstärke des Rohrstücks 6 beiderseits der Membran 7 oder Messblende 17 durch die auf seiner Umfangsseite enthaltene Ausnehmung 9 reduziert ist. Eine Auslenkung der T-förmig auf das Rohrstück 6 treffenden Membran 7 oder Messblende 17 wird auf die dickenreduzierte Wand des Rohrstücks 6 übertragen und dort mit Hilfe von Dehnungssensoren 23, 24 erfasst. Die Außenwand des Rohrstücks 6 zusätzlich zu der lokalen Ausnehmung 9 enthält eine umlaufende Nut 25, so dass das Rohrstück 6 an seinen Enden kragenförmige Flansche 26, 27 bildet, an denen das Rohrstück 6 mit der Wand 11 verschweißt ist.
Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach 3 dadurch, dass dort, wo die Membran 7 oder Messblende 19 T-förmig auf das Rohrstück 6 stößt und in dieses übergeht, beiderseits der Membran 7 oder Messblende 19 jeweils eine Kehlnut 28, 29 in die Wand des Rohrstücks 6 und, wie hier gezeigt, vorzugsweise aber nicht zwingend auch in die Membran 7 oder Messblende 19 eingearbeitet ist. Die Dehnungssensoren 23, 24 sind in der Ausnehmung 9 auf der Umfangsseite des Rohrstücks 6 gegenüber den Kehlnuten 28, 29 angeordnet. Von dem Boden der Ausnehmung 9 in dem Rohrstück 6 aus erstreckt ein Spalt 30 in die Membran 7 oder Messblende 19 hinein, in dem gegenüber den Kehlnuten 28, 29 weitere Dehnungssensoren 31, 32 angeordnet sein können.
Wie 4 zeigt, kann die Membran 7 oder Messblende 19 in ihrem mittleren Bereich 33 eine höhere Dicke aufweisen, als in ihrem äußeren Bereich, über den sie mit dem Rohrstück 6 verbunden ist.
Bei den in 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Membran 7 oder Messblende 19 im Randbereich in axialer Richtung federnd in dem Rohrstück 6 gelagert, wobei die federnde Lagerung durch eine Aufhängung mit zwei im Wesentlichen parallel zur Ebene der Membran 7 oder Messblende 19 verlaufenden, bezüglich der Rohrachse rotationssymmetrischen Schenkeln 34, 35 realisiert ist. An den Schenkeln 34, 35 ( 5) oder alternativ an einem zwischen den beiden Schenkeln verlaufenden zeigerartigen Hebel 36 (6) sind Elektroden 37, 38 angeordnet, die mit gegenüberliegenden ortsfesten Elektroden 39, 40 kapazitive Sensormittel zur Erfassung der Auslenkung der Membran 7 oder Messblende 19 bilden.

Claims

Druck- oder Durchflussmesszelle (1, 17) mit einem Rohrstück (6), in dessen Querschnitt entweder eine mit einem zu messenden Druck beaufschlagte elastisch auslenkbare Membran (7) oder eine von einem Fluid (18) durchströmte elastisch auslenkbare Messblende (19) angeordnet ist, wobei die Membran (7) oder Messblende (19) und das Rohrstück (6) einstückig aus einem einheitlichen Material ausgebildet und über ein Festköpergelenk (8) miteinander verbunden sind, und wobei im Bereich des Festköpergelenks (8) auf der Außenseite des Rohrstücks (6) oder von dieser Seite aus zugänglich Sensormittel (23, 24; 31, 32; 37, 38, 39, 40) angeordnet sind, die eine Auslenkung der Membran (7) oder Messblende (19) erfassen, gekennzeichnet durch ein rohrförmiges Trägerteil (10), dessen Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Rohrstücks (6) ist und das in seinem Querschnitt eine Wand (11) mit einer mittigen kreisförmigen Öffnung (12) aufweist, in die das auf die Dicke der Wand (11) verkürzte Rohrstück (6) eingefügt ist, wobei das rohrförmige Trägerteil (10) das Rohrstück (6) in axialer Richtung beidseitig überragt.
Druck- oder Durchflussmesszelle (1, 17) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (6) entlang der kreisförmigen Öffnung (12) mit der Wand (11) verschweißt ist.
Druck- oder Durchflussmesszelle (1, 17) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand der kreisförmigen Öffnung (12) eine umlaufende Nut (13) enthält, in die eine von außen quer durch das rohrförmige Trägerteil (10) und die Wand (11) verlaufende Bohrung (14) mündet.
Druck- oder Durchflussmesszelle (1, 17) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand des Rohrstücks (6) eine umlaufende Nut (25) in einer solchen Breite enthält, dass das Rohrstück (6) an seinen Enden kragenförmige Flansche (26, 27) bildet.
Differenzdruckmessanordnung mit einer Druckmesszelle (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Trägerteil (10) an seinen beiden Enden durch äußere Druckkappen (2, 3) abgeschlossen ist, die Druckzuführungsöffnungen (4, 5) enthalten und mithilfe von Spannbolzen (15, 16) mit dem Trägerteil (10) dichtend verspannt sind.
Durchflussmessanordnung mit einer Durchflussmesszelle (17) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Trägerteil (10) an seinen beiden Enden zum Einbau in eine das Fluid führende Rohrleitung ausgebildet ist.