DE10311977B4

DE10311977B4 - Druckgeber mit Prozeßkopplung

Info

Publication number: DE10311977B4
Application number: DE10311977.9A
Authority: DE
Inventors: David A. Broden; Debra K. Zeller; Chad M. McGuire
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: DE10311977A1; CN1447096A; US20030177837A1; JP2003294563A; CN1278102C; US6675655B2

Abstract

Prozeßgeber zum Messen eines Prozeßdrucks mit:
einem Drucksensor (16);
einem Sensorgehäuse (14) mit einer Fläche, die so konfiguriert ist, daß sie Prozeßfluid ausgesetzt ist;
einem Füllfluid-Kapillarrohr (32, 34), das Fluid vom Drucksensor (16) mit der Fläche koppelt;
einer Isoliermembran (60, 62), die Füllfluid im Kapillarrohr (32, 34) vom Prozeßfluid isoliert;
einer Membranschweißverbindung (64, 66), die die Isoliermembran (60, 62) an der Fläche befestigt, ferner mit einem Schweißring, der sich um die Isoliermembran erstreckt, und wobei sich die Membranschweißverbindung durch den Schweißring erstreckt; und
einer Prozeßfluiddichtung (80, 82), die eine Prozeßfluidverbindung an der Fläche des Sensorgehäuses (14) abdichtet, um so Prozeßfluid mit der Isoliermembran zu koppeln, wobei die Prozeßfluiddichtung (80, 82) in senkrechter Richtung zu einer Ebene der Fläche von der Membranschweißverbindung beabstandet ist, um Spannung auf die Membran von der Prozeßfluiddichtung infolge einer Anordnungskraft zu reduzieren.

Description

Die Erfindung betrifft Meßinstrumente der Prozeßleittechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung die Prozeßkopplung, die zum Koppeln eines Druckgebers mit Prozeßfluid verwendet wird.
Industrielle Prozesse, z. B. Ölraffinerien, chemische Produktionsanlagen usw., verwenden als ”Geber” bezeichnete Fernsensoren, um verschiedene Prozeßgrößen zu erfassen, z. B. Druck, Temperatur, Durchfluß usw. Die erfaßten Prozeßgrößen dienen dazu, den Ablauf des Prozesses zu überwachen und/oder zu steuern.
Geber, die den Druck eines Prozeßfluids erfassen, verwenden einen Drucksensor, der normalerweise mit mindestens einer Isoliermembran gekoppelt ist. Die Geber sind an einem Flansch befestigt und weisen eine Öffnung auf, die so ausgerichtet ist, daß sie Prozeßfluid aus einem Durchgang im Flansch aufnimmt. Die Isoliermembran ist in der Öffnung des Gebers positioniert und isoliert den Drucksensor von den erfaßten Prozeßfluiden. Damit verhindert man, daß der Sensor durch das Prozeßfluid beschädigt oder korrodiert wird. Von der Isoliermembran wird Druck zum Drucksensor über ein im wesentlichen inkompressibles ”Füllfluid” übertragen, das in einem Kapillardurchgang enthalten ist. Die US-A-4833922 mit dem Titel MODULAR PRESSURE TRANSMITTER und 5094109 mit dem Titel PRESSURE TRANSMITTER WITH STRESS ISOLATION DEPRESSION sind Beispiele für Druckgeber dieser Art. Die Druckschrift DD 229 282 A3 betrifft eine konstruktive Ausführung von Druckmessern mit dünnen metallischen Membranen, die auf einen massiven Membranträger geschweißt sind, auf dessen Randzone ein Messkammerdeckel abdichtend aufgesetzt ist. Eine so gestaltete Druckmesskammer ist zum Beispiel in Druck- und Differenzdruckmessumformern als zur Messdruckerfassung dienende Funktionseinheit enthalten. Die DE 304 7276 A1 bezieht sich auf einen Differenzdruck-Messumformer mit einem Halbleitermessfühler zum Umformen eines Differenzdrucks zwischen dem Druck eines Hochdruckfluids und dem Druck eines Niederdruckfluids in ein elektrisches Signal.
Oft weisen Druckgeber eine Schweißverbindung auf, um die Isoliermembran am Geberkörper zu befestigen. Ein Schweißring kann verwendet werden, der am Geberkörper und an der Isoliermembran verschweißt ist, was die Isoliermembran am Geberkörper befestigt. Zudem kann der Schweißring dazu dienen, eine Dichtung abzustützen, z. B. einen O-Ring. Beim Befestigen des Gebers am Prozeßflansch durch eine Befestigungskraft, z. B. wenn der Geber am Flansch verschraubt wird, werden die Dichtung und der Schweißring gegen den Flansch gedrückt, um zu verhindern, daß Prozeßfluid an der Öffnung vorbei austritt.
Die Befestigungskraft, die den Schweißring gegen den Flansch drückt, neigt dazu, Abschnitte des Schweißrings und Geberkörpers zu verformen oder durchzubiegen. Außerdem verursacht die Befestigungskraft Spannung in der Isoliermembran, die zu Verformung oder Durchbiegung der Isoliermembran führt. Will man hochgenaue Druckmessungen anstellen, kann diese Verformung oder Durchbiegung der Isoliermembran Ungenauigkeiten des Meßdrucks hervorrufen.
Die Erfindung ist definiert in dem unabhängigen Anspruch 1. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Prozeßgeber zum Messen eines Prozeßdrucks mit einem Drucksensor in einem Sensorgehäuse mit einer Fläche, die so konfiguriert ist, daß sie Prozeßfluid ausgesetzt ist. Ein Füllfluid-Kapillarrohr koppelt Fluid vom Drucksensor mit der Fläche des Sensorkörpers. Eine Isoliermembran isoliert das Füllfluid vom Prozeßfluid. Eine Membranschweißverbindung dichtet die Isoliermembran an der Fläche ab. Ein Schweißring erstreckt sich um die Isoliermembran, wobei sich die Membranschweißverbindung durch den Schweißring erstreckt. Eine Prozeßfluiddichtung dichtet eine Prozeßfluidverbindung an der Fläche des Sensorgehäuses ab, um so Prozeßfluid mit der Isoliermembran zu koppeln. Die Prozeßfluiddichtung ist von der Schweißverbindung beabstandet, um Spannung auf die Isoliermembran von der Prozeßfluiddichtung zu reduzieren.
1 ist eine fragmentarische Querschnittansicht eines Druckgebers mit einer Schweißverbindung und einer Prozeßfluiddichtung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konfiguriert sind.
2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts des Gebers von 1.
3 ist ein Nebenbild einer Membranschweißverbindung gemäß 2.
4 ist eine fragmentarische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in der die Membranen auf Plateaus getragen werden.
5 ist ein Diagramm des prozentualen Bereichsfehlers als Funktion des Drehmoments in Nm.
6A ist eine Seitenansicht und 6B eine Untersicht auf eine Ausführungsform der Erfindung, die Plateaus mit darin enthaltenen Entlüftungs- und Sperrventilen aufweist.
7A ist eine Seitenquerschnittansicht einer Ausführungsform, in der Plateaus am Geberkörper verschweißt sind.
7B ist eine vergrößerte Querschnittansicht einer Schweißverbindung von 7A.
7C ist eine Seitenansicht von Plateaus, die mit Impulsrohren gekoppelt sind.
8 ist eine Seitenquerschnittansicht einer erhöhten Kopplung.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckgeber 10 mit einem Geberkörper 12, der mit einem Flansch (oder koplanaren Verteiler) 13 über ein Sensorgehäuse 14 gekoppelt ist. Obwohl die Erfindung mit einem Prozeßlansch vom Typ Coplanar^TM gezeigt ist, kann die Erfindung mit jeder Art von Flansch, Verteiler oder anderer Kopplung verwendet werden, die zur Aufnahme von Prozeßfluid geeignet ist. Das Sensorgehäuse 14 weist einen Drucksensor 16 auf, und das Gebergehäuse 12 weist einen Geberschaltungsaufbau 20 auf. Ein Sensorschaltungsaufbau 18 ist mit dem Geberschaltungsaufbau 20 über einen Kommunikationsbus 22 gekoppelt.
Der Geberschaltungsaufbau 20 sendet Informationen über den Prozeßfluiddruck über eine Prozeßsteuerschleife 23, z. B. vom Typ 4–20 mA, HART, Fieldbus, Profibus. Der Geber 10 überträgt Informationen über den Prozeßfluiddruck zu einer Steuerwarte 25 oder zu anderen Vorrichtungen (nicht gezeigt), die mit der Prozeßsteuerschleife 23 gekoppelt sind. Die Prozeßsteuerwarte 25 ist als Stromquelle 27 und Widerstand 29 modelliert. Der Geber 10 kann vollständig durch Strom gespeist sein, den er über die Schleife 23 empfängt.
Der Drucksensor 16 kann ein Absolut-, Meß- bzw. Über- oder Differenzdrucksensor sein. In Ausführungsformen, in denen der Drucksensor 16 ein Differenzdrucksensor ist, mißt der Sensor 16 eine Druckdifferenz zwischen Druck P1 in einem Durchgang 24 und Druck P2 in einem Durchgang 26 des Flansches 13. Der Druck P1 ist mit dem Sensor 16 über einen Durchgang 32 gekoppelt. Der Druck P2 ist mit dem Sensor 16 über einen Durchgang 34 gekoppelt. Der Durchgang 32 erstreckt sich durch eine Kopplung 36 und ein Rohr 40. Der Durchgang 34 erstreckt sich durch eine Kopplung 38 und ein Rohr 42. Die Durchgänge 32 und 34 sind mit einem relativ inkompressiblen Fluid gefüllt, z. B. Öl. Die Kopplungen 36 und 38 sind in das Sensorgehäuse 14 eingeschraubt und bilden einen langen Flammenlöschweg zwischen dem Inneren des Sensorgehäuses, das den Sensorschaltungsaufbau 18 trägt, und Prozeßfluid, das in den Durchgängen 24 und 26 enthalten ist.
Membranaussparungen 28 und 30 sind im unteren Abschnitt des Gehäuses 14 gebildet und mit den Durchgängen 24 und 26 gekoppelt. Isoliermembranen 60 und 62 sind in den Aussparungen 28 und 30 durch Schweißverbindungen 64 und 66 mit Aussparungsflächen 68 bzw. 70 verschweißt. Erfindungsgemäß dichten Prozeßdichtungen 80 und 82 das Gehäuse 14 am Flansch 13 ab und sind von den Schweißverbindungen 64 und 66 körperlich getrennt.
Der Flansch 13 ist an einer Fläche 58 des Gehäuses 14 z. B. durch Schrauben oder andere Einrichtungen angeordnet. Diese Anordnung bewirkt das Ausüben einer Anordnungskraft auf das Gehäuse 14, die Spannung im Gehäuse 14 hervorruft. In der Tendenz konzentriert sich die Spannung in der Umgebung der Dichtungen 80 und 82. In Gestaltungen des Stands der Technik lagen die Schweißverbindungen 64 und 66 normalerweise nahe den Dichtungen 80 und 82. Dadurch wurde die Anordnungsspannung direkt auf die Isoliermembranen übertragen. Die Anordnungsspannung kann bewirken, daß Druck auf das Füllfluid in den Kapillarrohren 32 und 34 ausgeübt wird. Dieser ausgeübte Druck kann zu Fehlern bei den Druckmessungen führen.
Mit der Erfindung reduziert der körperliche Raum zwischen den Dichtungen 80, 82 und den Schweißverbindungen 64, 66 die von der Dichtung auf die Schweißverbindung und die Membranen 60, 62 übertragene Spannung. Außerdem konzentriert sich jede Anordnungsspannung im Gehäuse 14 in der Tendenz nahe den Außenflächen des Gehäuses 14 und besonders um die Fläche 58. Da aber die Membranen 60, 62 von der Fläche 58 beabstandet sind, ist auch die Spannung reduziert.
2 ist eine nähere Querschnittansicht des Gehäuses 14, und 3 ist ein im Querschnitt gezeigtes Nebenbild von 2, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Gemäß 3 erstreckt sich ein optionaler Schweißring 90 um die Membran 62. Ein optionaler Dichtungsschweißring 92 trägt eine Dichtung 82 (siehe 2). Das Nebenbild von 3 zeigt auch die Schweißverbindung 66, die sich durch den Schweißring 90 und die Membran 62 und in das Gehäuse 14 erstreckt. Ein kleiner Spalt 94 zwischen der Membran 62 und dem Gehäuse 14 ist mit dem zuvor diskutierten Isolier-/Füllfluid gefüllt.
4 ist eine fragmentarische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Körpers 14, in der die Membranen 60, 62 auf Plateaus 100 bzw. 102 relativ zur Fläche 58 getragen werden. Die Plateaus 100, 102 können durch Bearbeiten oder durch Anbringen gesonderter Stücke hergestellt sein. Die Dichtungen 80 und 82 erstrecken sich um die Basen 103, 105 der Plateaus 100 bzw. 102. Wie in den Ausführungsformen von 1 bis 3 verstärkt in der Ausführungsform von 4 ein Abstand zwischen den Membranschweißverbindungen 64, 66 die Membranen 60, 62 relativ zu den Dichtungen 80 und 82 und verringert die auf die Membranen ausgeübte Spannung infolge der Anordnung, was Meßfehler reduziert. Da ferner die Membranen 60, 62 an einer Stelle positioniert sind, die weniger Verformung infolge von Anordnungsspannung ausgesetzt ist, sind die Membranen geringerer Spannung ausgesetzt und können daher genauere Messungen liefern.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf einen Differenzdrucksensor mit einer speziellen Bauart dargestellt wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Allgemein weist die Erfindung den Einsatz von Membranschweißverbindungen oder anderen Verbindungsarten auf, die von der Lage der Prozeßdichtung beabstandet sind. Die verschiedenen Schweißverbindungen können jede Art von Schweißverbindung sein, u. a. Laser- und WIG-Schweißverbindungen. Die Dichtung kann ein O-Ring mit einer Dichtungsscheibe oder eine andere Art von Dichtung sein. Die Erfindung kann mit jeder Vorrichtung oder in jeder Konfiguration zum Einsatz kommen, in der Isoliermembranen verwendet werden. Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte Differenzdruckerfassung beschränkt. Ferner kann die Erfindung mit passiven Vorrichtungen verwendet werden, z. B. Ferndichtungen, bei denen die Elektronik und der Sensorschaltungsaufbau von den Membranen beabstandet sind.
5 ist ein Diagramm des prozentualen Bereichsfehlers als Funktion des Drehmoments in Nm für eine einzelne Schraube, die zum Abdichten eines Flansches am Körper 14 gemäß 4 verwendet wird, im Vergleich zu einer typischen Konfiguration des Stands der Technik. Die erfindungsgemäße Konfiguration zeigt eine Verbesserung um den Faktor 10 gegenüber Gestaltungen des Stands der Technik bei Nullpunkt- und Bereichsfehlern als Funktion des Drehmoments.
6A ist eine Seitenansicht und 6B eine Untersicht auf eine weitere Ausführungsform, in der Plateaus 153 optionale Sperrventile 150 und Entlüftungsventile 152 aufweisen, die allein oder in Kombination verwendet werden können. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, Prozeßfluid ohne Verwendung eines zusätzlichen Verteilers abzusperren oder zu entlüften. In einer solchen Ausführungsform weist das Sperrventil 150 Teile auf, die so konfiguriert sind, daß sie eine sich durch die Plateaus 153 erstreckende Bohrung 154 absperren. Ähnlich sind die Entlüftungsventile 152 so konfiguriert, daß sie für eine Entlüftung für die Bohrungen 154 sorgen. In einer solchen Ausführungsform müssen die Isoliermembranen in den Bohrungen 154 versenkt sein. Die Bohrungen 154 können mit Gewinde versehen sein, um Standardgewinderohre aufzunehmen.
7A ist eine Seitenquerschnittansicht und 7B eine vergrößerte Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform ähnlich wie 6A und 6B, in der Plateaus 155 an Schweißverbindungen 160 mit dem Körper 14 verschweißt sind.
7C ist eine Seitenansicht der Ausführungsform von 7A, in der die Plateaus 155 mit Impulsrohren 164 über Schraubfittings 166 gekoppelt sind. Die Impulsrohre 164 bilden eine Kopplung mit dem Prozeßfluid. Allerdings können andere Techniken als Impulsrohre zur Kopplung mit dem Prozeß verwendet werden.
8 zeigt eine Ausführungsform, in der eine erhöhte Kopplung 170 mit dem Körper 14 gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform kann die Anordnung eine Schweiß-, Schraub- oder andere Anordnung sein. Eine Dichtungsfläche 176 ist in der Kopplung 174 zum Koppeln mit Prozeßrohren vorgesehen.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Wenngleich die Zeichnungen Geber mit zwei Prozeßkopplungen darstellen, gehören zur Erfindung Geber mit jeder Anzahl von Kopplungen, u. a. einer einzelnen Kopplung. Das Plateau oder die Aussparung der Erfindung sorgt für einen Abstand zwischen der Prozeßfluiddichtung und der Membranschweißverbindung, um Spannung als Ergebnis einer Anordnungskraft zu reduzieren.

Claims

Prozeßgeber zum Messen eines Prozeßdrucks mit: einem Drucksensor (16); einem Sensorgehäuse (14) mit einer Fläche, die so konfiguriert ist, daß sie Prozeßfluid ausgesetzt ist; einem Füllfluid-Kapillarrohr (32, 34), das Fluid vom Drucksensor (16) mit der Fläche koppelt; einer Isoliermembran (60, 62), die Füllfluid im Kapillarrohr (32, 34) vom Prozeßfluid isoliert; einer Membranschweißverbindung (64, 66), die die Isoliermembran (60, 62) an der Fläche befestigt, ferner mit einem Schweißring, der sich um die Isoliermembran erstreckt, und wobei sich die Membranschweißverbindung durch den Schweißring erstreckt; und einer Prozeßfluiddichtung (80, 82), die eine Prozeßfluidverbindung an der Fläche des Sensorgehäuses (14) abdichtet, um so Prozeßfluid mit der Isoliermembran zu koppeln, wobei die Prozeßfluiddichtung (80, 82) in senkrechter Richtung zu einer Ebene der Fläche von der Membranschweißverbindung beabstandet ist, um Spannung auf die Membran von der Prozeßfluiddichtung infolge einer Anordnungskraft zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem Plateau auf der Sensorgehäusefläche und wobei die Membran und die Schweißverbindung auf dem Plateau getragen werden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei sich die Dichtung um eine Basis des Plateaus erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Schweißring, der sich um die Dichtung erstreckt, um die Dichtung mit dem Sensorgehäuse zu koppeln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Dichtung einen O-Ring aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fläche eine Aussparung aufweist und die Isoliermembran und Schweißverbindung in der Aussparung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich die Dichtung um eine Öffnung zur Aussparung erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer zweiten Isoliermembran und einer zweiten Schweißverbindung, die von der Fläche beabstandet sind, und einer zweiten Prozeßfluiddichtung, wobei der Geber so konfiguriert ist, daß er einen Differenzdruck mißt.
Verfahren zum Koppeln eines Prozeßdrucks mit einem Drucksensor in einem Prozeßgeber mit den folgenden Schritten: Befestigen einer Isoliermembran an einer Fläche des Prozeßgebers mit einem Schweißring, der sich um die Isoliermembran erstreckt, und wobei sich eine Membranschweißverbindung durch den Schweißring erstreckt; Bereitstellen einer Dichtung auf der Fläche des Prozeßgebers, um an einem Prozeßflansch abzudichten; Beabstanden der Dichtung von der Isoliermembran in senkrechter Richtung zu einer Ebene der Fläche, um Verformung der Isoliermembran infolge von Anordnungsspannung zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Beabstanden der Dichtung von der Isoliermembran das Plazieren der Isoliermembran in einer Aussparung auf der Fläche aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Beabstanden der Dichtung von der Isoliermembran das Plazieren der Isoliermembran auf einem Plateau auf der Fläche aufweist.