DE4231823C2 - Prozeßanschlußflansch für Druckmeßaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prozeßanschlußflansch für Druckmeßaufnehmer mit einer lösbaren Verbindung, mit welcher der Prozeßanschlußflansch mit dem Druckmeßaufnehmer formschlüssig verbunden ist und mit Anschlußmitteln, über welche der Druckmeß­ aufnehmer mit dem Meßmedium, dessen Druck gemessen werden soll, in räumlicher Verbindung steht.

Solche in räumlicher und formschlüssiger Verbindung mit dem Pro­ zeßanschlußflansch stehende Druckmeßaufnehmer dienen dazu, den Differenz-, Über- und Unterdruck; Durchfluß von Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten; sowie hydrostatisch den Füllstand eines Behäl­ ters zu messen.

Nach dem allgemein bekannten Stand der Technik, wie er z. B. in dem Prospekt "Meßumformer für Differenzdruck, deltabar PMD 130", Januar 1991, insbesondere Seite 6, Zeichnung "Aufbau des Meßumformers" der Anmelderin dargestellt ist, bestehen solche Meßumformer aus der eigentlichen keramischen Meßzelle, welche im Innenraum des Meßzellengehäuses angeordnet ist, dem ringförmigen Meßzellen­ gehäuse, sowie den zwei gleichförmigen spiegelbildlich zueinander angeordneten Prozeßanschlußflanschen, welche die Meßzelle mit dem Meßzellengehäuse mittels lösbarer Schraubverbindungen formschlüs­ sig und abdichtend zwischen sich einspannen. Die Meßzelle steht über elektrische Verbindungsleitungen mit einer elektronischen Schaltung in Verbindung. Die elektronische Schaltung ist von einem Gehäuse umschlossen. Das Elektronikgehäuse weist außerdem Anschlußmittel zum elektrischen Verbinden des Meßwertaufnehmers mit einer Energieversorgungs- und/oder Informationsverarbeitungs­ zentrale auf. Das Elektronikgehäuse kann aber auch mit einem Anzeigegerät zur direkten Anzeige des Druckes ausgestattet sein.

Um nun die Meßzelle mit dem Meßmedium in räumliche Verbindung zu bringen, durchdringen Bohrungen die beiden Prozeßanschlußflan­ sche. An die Bohrungen sind jene Leitungen anschließbar, über die der Meßraum und damit das Meßmedium mit dem Druckmeßaufnehmer in räumlicher Verbindung steht.

Sehr häufig besteht die Meßaufgabe des Meßwertaufnehmers in der Druckmessung von aggressiven oder korrosiven Medien, sowohl gas­ förmiger als auch in fluidischer Form. Für solche Aufgaben ist es notwendig und üblich, die Prozeßanschlußflansche aus einem Werk­ stoff herzustellen, welcher resistent gegen die Aggressivität oder Korrosivität der Meßmedien ist. Aber auch die ringförmigen Dichtungen, welche zwischen keramischer Meßzelle und den Prozeß­ anschlußflanschen bzw. zwischen den Meßzellengehäuse und den Prozeßanschlußflanschen eingespannt sind, müssen aus einem Werk­ stoff bestehen, welcher ebenfalls resistent gegenüber den Meßme­ dien ist. Prozeßanschlußflansche aus hochlegierten, nicht rosten­ den Stählen, z. B. X 6 CrNiMoTi 17122 1.4571 oder hochkorrosions­ beständige Ni, Co, Cr, Mo, Fe-Legierungen sind besonders geeig­ net hierzu.

Aus der DD-PS 2 04 767 ist eine Druckmeßkammer von Druck- und Diffe­ renzdruckmessern für aggressive Meßmedien beschrieben. Ein metal­ lischer Meßdruckübermittler ist zwischen metallischen Anschluß­ flanschen eingespannt. Der Meßdruckübermittler steht mittels Übertragungsleitungen mit dem, entfernt angeordneten, Meßwertauf­ nehmer in Verbindung. Zum Schutz gegenüber aggressiven Meßmedien ist auf die Oberfläche der beiden Membranen sowie die Innenfläche eines der beiden Anschlußflanschen eine korrosionsbeständige Metallauflage aufplattiert. Verbindungsmittel, mit welchem der Meßraum mit dem Meßmedium in Verbindung steht, sind aus dem gleichen korrosionsbeständigem Werkstoff hergestellt. Sie durch­ dringen einen der beiden Prozeßanschlußflanschen derart, daß im Innenraum der Druckmeßkammer mittels Schweißverbindungen eine homogene Oberfläche gebildet ist, deren Werkstoff allein mit dem aggressiven Meßmedien in Verbindung tritt.

Aus der US PS 49 93 265 ist ein Drucksensor zur Messung des Dif­ ferenzdruckes bekannt, bei welchem eine Druckmeßzelle von einem Gehäuse aus einem Polymerwerkstoff umschlossen ist. Das Gehäuse kann bei geeigneten Maßnahmen zur elektrischen Isolierung der Anschlußleitungen auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein.

Die DE-Zeitschrift messen, prüfen, automatisieren, Mai 1986, Seiten 257 bis 261 zeigt Konstruktionskriterien für Druck- und Differenzdruckmeßumformer. Hinsichtlich von entkoppelten Diffe­ renzdrucksensoren wird vorgeschlagen, die Trennmembranen aus hochkorrosionsbeständigen Werkstoffen, wie hochlegierten Stählen, oder anderen hochlegierten Metallen entsprechend den Kenntnissen der Werkstoffchemie herzustellen.

Bei der Verwendung der Druckmeßgeräte unter besonders schwieri­ gen Bedingungen jedoch, z. B. in einer Chemieanlage, besteht die Notwendigkeit, solche Medien messen zu müssen, deren Aggressivi­ tät und/oder Korrosivität weit über der Beständigkeit der üblicher­ weise verwendeten Flanschwerkstoffe liegt. Dies können z. B. Kupfer- oder Natriumchloride, Mischungen von Salz- und Salpeter­ säuren, oder Schwefelsäuren im erhitzten Zustand sein. Um zu ver­ hindern, daß der Aggressivität oder Korrosivität nichtbeständi­ ge Werkstoff mit den Meßmedien in Verbindung tritt, wurde be­ reits vorgeschlagen, Prozeßanschlußflansche statt aus einem me­ tallischen Werkstoff aus einem polymeren Kunststoff, welcher widerstandsfähig gegenüber den meisten Säuren oder Basen ist, herzustellen.

Die mit dem Prozeßablauf in solchen Chemieanlagen verbundene hohe Erhitzung des Meßmediums bringt aber den Nachteil, daß solche Kunststoffflansche zwar resistent gegenüber den Meßmedien sind, jedoch infolge der hohen Temperatur ihre Stabilität aufgeben, was zu Undichtigkeiten und damit gefährlichem Austreten von Meß­ medien an den formschlüssigen Verbindungen zwischen den Prozeß­ anschlußflanschen und dem Meßzellengehäuse führen kann.

Demgegenüber stellt sich die Erfindung die Aufgabe, einen Prozeß­ anschlußflansch vorzuschlagen, welcher gewährleistet, daß außer dem keramischen Werkstoff der Druckmeßzelle, nur Teile aus einem dem aggressiven und/oder korrosiven Meßmedium widerstandsfähigen Kunststoff mit diesen Medien in Verbindung treten kann, und da­ bei, trotz der auftretenden hohen Temperaturen, eine die Druck­ dichtheit des Druckmeßaufnehmers gewährleistende Formstabilität der Kunststoffteile gegeben ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in dem Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Merkmale. Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnungen weiter beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen Druckmeßaufnehmer, bei welchen der erfindungsgemäße Prozeßanschlußflansch zur Anwen­ dung kommt.

Fig. 2 einen Schnitt durch den Prozeßanschlußflansch.

Fig. 3 einen Schnitt durch den Prozeßanschlußzapfen.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Druckmeßaufnehmer dargestellt, der ob­ wohl die Anwendung der Erfindung nicht darauf beschränkt ist, beispielsweise ein Differenzdruckmeßaufnehmer sein soll. Zum Mes­ sen des Differenzdruckes ist es notwendig, die Druckmeßzelle mit beiden Drücken zu beaufschlagen, deshalb besitzt der Differenz­ druckaufnehmer zwei gegenüberliegende Prozeßanschlußflansche, die beide spiegelbildlich aufgebaut und angeordnet sind. Der besseren Erklärung wegen, ist nachfolgend jedoch nur eine Seite des Diffe­ renzdruckaufnehmers 1 betrachtet.

Der Druckmeßaufnehmer 1 setzt sich aus der keramischen Meßzelle 2, dem die Meßzelle 2 umschließenden Meßzellengehäuse 3, den Prozeßanschlußflanschen 4 und 5, dem Prozeßanschlußzapfen 6, 7, sowie dem Elektronikgehäuse 8 zusammen. Mittels einer lösbaren Schrauben-Muttern-Verbindung 10, 11 sind die Prozeßanschluß­ flansche 4, 5 so gegeneinander gespannt, daß sie eine Lage ein­ nehmen, in welcher sie das Meßzellengehäuse 3 zwischen sich ein­ spannen. Dabei stützen sich die Prozeßanschlußflansche 4, 5 unter Einschließen von ringförmigen Dichtungen 12, 13 sowohl an dem Meßzellengehäuse 3 als auch an der keramischen Meßzelle 2 ab. Zur Herstellung der lösbaren Schrauben-Muttern-Verbindung 10, 11 durchdringen die Bolzen der Schrauben 10 die Prozeßanschlußflan­ sche 4, 5.

Das zylindrische Zwischenstück 31 stellt die räumliche Verbindung zwischen dem Meßzellengehäuse 3 und dem Elektronikgehäuse 8 her. Im Innern des Zwischenstückes 31 sind (nicht dargestellt) die elektrischen Leitungen angeordnet, über welche die Meßzelle 2 mit der im Innern des Elektronikgehäuses 8 befindlichen elektroni­ schen Schaltung in elektrischer Verbindung steht.

Auf der, dem Zwischenstück 31 zugewandten Seite ist an dem Elek­ tronikgehäuse 8 ein Sechskant 81 angeformt. Der Sechskant 81 dient der Einleitung eines Drehmomentes, mit dessen Hilfe das Elektronikgehäuse 8 über ein nicht dargestelltes Gewinde mit dem nichtdargestellten Gewinde des Zwischenstückes 31 des Meßzellen­ gehäuses 3 verschraubt ist. Das Elektronikgehäuse 8 umschließt außer der elektrischen Schaltung auch elektrische Anschlußelemen­ te, über welche der Druckmeßaufnehmer in elektrischer Verbindung mit einer Energieversorgungs- und/oder Informationsverarbei­ tungszentrale steht. Das Elektronikgehäuse 8 kann außerdem mit einem elektrischen Anzeigegerät ausgestattet sein, welches einen elektrischen Meßwert anzeigt, der dem von der Druckmeßzelle ermittelten Druck des Meßmediums entspricht. Die flanschförmige Fläche 14 mit den Gewindebohrungen 15 ist zur Befestigung des Meßwertaufnehmers 1 am Meßort bestimmt.

Zur Erfassung des Meßwertes ist es notwendig, daß die Druckmeß­ zelle 2 mit dem Meßraum, in dessen Inneren sich das Meßmedium befindet, und damit mit dem Meßmedium selbst in räumlicher Ver­ bindung steht. Diese räumliche Verbindung ist über eine nichtdar­ gestellte Verbindungsleitung hergestellt, welche an ihrem einen Ende an der, den Meßraum umschließenden Wandung und an dem ande­ ren Ende an dem Prozeßanschlußflansch 4 angeschlossen ist. Zur räumlichen Verbindung der Verbindungsleitung mit der Meßzelle 2 durchdringt eine Bohrung 61 den Prozeßanschlußflansch 4. Die Bohrung 61 mündet in einem kurzen zylindrischen Hohlraum 62 (Fig. 3) welcher dazu dient, den Druck des Meßmediums gleichmäßig auf die Kreisfläche der Meßmembran 21 zu verteilen. Zum Anschluß der Verbindungsleitung an dem Prozeßanschlußflansch 4 ist in die Bohrung 61 ein Innengewinde 63 eingebracht.

Um nun den Druck eines aggressiven oder korrosiven Mediums messen zu können, ist es erforderlich, nur solche Werkstoffe mit dem Meßmedium in Verbindung zu bringen, welche widerstandsfähig gegenüber diesen Medien sind. Die keramische Meßzelle besitzt diese Eigenschaft. Bei Wahl eines geeigneten Werkstoffes ist dies ebenfalls für die Verbindungsleitung der Fall. Die metallischen Prozeßanschlußflansche sind jedoch sehr häufig bei extrem aggres­ siven und korrosiven Medien nicht einsetzbar. Es muß deshalb auf einen nichtmetallischen Werkstoff, z. B. auf einen polymeren Kunststoff zurückgegriffen werden. Solche Kunststoffe haben aber den Nachteil, daß ihre Formstabilität mit zunehmender Erwärmung stark abnimmt, so daß eine Abdichtung zwischen der Meßzelle 2 und dem Innenraum des Meßzellengehäuses 3, sowie zwischen dem Meßzel­ lengehäuse 3 und der Umwelt auch durch den Einschluß der ringför­ migen Dichtungen 12 und 13 nicht mehr gewährleistet ist. Zur Behebung dieser Nachteile ist ein Prozeßanschlußzapfen 6 vorgese­ hen, welcher den Prozeßanschlußflansch 4 so durchdringt, daß außer der Meßmembran 21 nur der Prozeßanschlußzapfen 6 mit dem Meßmedium in Verbindung treten kann. Ohne jedoch auf die, durch einen metallischen Flansch gegebene temperaturbeständige Stabili­ tät des Prozeßanschlußflansches 4 zu verzichten.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, durchdringt eine Bohrung 41 den Prozeßanschlußflansch 4 koaxial zu seiner Symmetrieachse. Der Prozeßanschlußflansch 4 ist wie bisher aus einem formstabilen metallischen Werkstoff hergestellt. Die Mantelfläche der Bohrung 41 ist mit einem Innengewinde 42 versehen. Auf der, der Meßzelle 2 zugewandten Seite mündet die Bohrung 41 in einem zylindrischen Abschnitt 43 größeren Durchmessers. Dabei weist der Abschnitt 43 eine Mantelfläche 47 auf. Durch die unterschiedlichen Durchmesser von Bohrung 42 und zylindrischen Abschnitt 43 ist an dem Boden des zylindrischen Abschnittes 43 eine, sich radial erstreckende ringförmige Schulter 44 ausgebildet. Weiter ist an der, der Meß­ zelle 2 zugewandten Stirnseite des Prozeßanschlußflansches 4 eine Nut 45 von rechteckigem Querschnitt angeformt. Die Nut 45 umläuft koaxial die Bohrung 41 derart, daß ihre Symmetrieachse mit der Symmetrieachse der Bohrung 41 und damit des Prozeßanschlußflan­ sches 4 zusammenfällt. Der Boden der Nut 45 ist durch eine weite­ re Nut 46 durchbrochen. Im zusammengebauten Zustand wird sich die Gehäusewand des Meßzellengehäuses 3 an dem Boden der Nut 45 ab­ stützen und wird dabei gegen die in der Nut 46 angeordnete ring­ förmige Dichtung 12 gepreßt.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den, aus einem polymeren Kunst­ stoff, vorteilhaft aus einem Polyvinylidenfluorid (PVDF) herge­ stellten Prozeßanschlußzapfen 6. Der Prozeßanschlußzapfen 6 setzt sich aus einem längeren Abschnitt kleineren Durchmessers 64 und einen kürzeren Abschnitt größeren Durchmessers 65 zusammen. Die Mantelfläche des Abschnittes 64 ist mit einem Außengewinde 66 versehen. Wie in der Bohrung 41 des Prozeßanschlußflansches 4 ist auch an dem Prozeßanschlußzapfen 6 durch die unterschiedlichen Durchmesser der Abschnitte 64 und 65 eine ringförmige Schulter 67 ausgebildet, welche sich radial erstreckt und den Abschnitt 64 rechtwinklig umläuft. An der, der Meßzelle 2 zugewandten Stirn­ fläche umläuft außerdem eine Nut 68 koaxial zur Symmetrieachse der Bohrung 61 und damit der des Prozeßanschlußzapfen 6 den zy­ lindrischen Hohlraum 62. Im zusammengebauten Zustand wird sich eine ringförmige Fläche außerhalb der Membran 21 der Druckmeßzel­ le 2 an der, nicht von dem Hohlraum 62 durchbrochenen, ringförmi­ gen Dichtfläche 69, des Anschlußzapfens 6 abstützen und dabei gegen die, in der Nut 68 angeordnete ringförmige Dichtung 13 gepreßt.

Um nun zu verhindern, daß das aggressive oder korrosive Medium mit dem metallischen Prozeßanschlußflansch 4 in Berührung kommen kann, ist der Prozeßanschlußzapfen 6 so mit seinem Außengewinde 66 in das Innengewinde 42 des Prozeßanschlußzapfens 4 einge­ schraubt, daß der Abschnitt 64 die Bohrung 41 durchdringt und sich dabei die Schulter 67 an der Schulter 44 abstützt. Dabei durchdringt ein kurzes Stück des Abschnittes 65 des Prozeßan­ schlußzapfens 6 den zylindrischen Abschnitt 43 des Prozeßan­ schlußflansches 4. Somit nimmt die Schulter 44 alle axialen und die Mantelfläche 47 des Abschnittes 43 alle radialen Kräfte auf, welche durch ein temperaturbedingtes Verformen des polymeren Werkstoffes von dem Prozeßanschlußzapfen 6 ausgehen.

Durch den Anschluß der Verbindungsleitung an dem Prozeßanschluß­ zapfen 6, und damit räumliche Verbinden der Meßzelle 2 über die Bohrung 61, mit der Verbindungsleitung, die Abdichtung der Meßzelle 2 gegenüber dem Innenraum des Meßzellengehäuses 3 mit­ tels der Dichtflächen 69, 21 und der Dichtung 13 ist nun gewähr­ leistet, daß das Meßmedium, außer dem keramischen Werkstoff der Meßzelle 2 und dem polymeren Kunststoff des Prozeßanschlußzapfens 6, mit keinen anderen Werkstoffen in Verbindung treten kann. Dabei wird der Prozeßanschlußzapfen 6 so, von dem metallischen Prozeßanschlußflansch 4 gestützt und gehalten, daß auch bei höhe­ ren Temperaturen des Meßmediums oder des Prozesses die Dichtheit der Dichtflächen gewährleistet ist.

Selbstverständlich kann anstelle des Anschlusses der Verbindungs­ leitung an dem Prozeßanschlußzapfen 6 über das Gewinde 63 jede andere geeignete Anschlußform realisiert sein.

Claims (6)

1. Prozeßanschlußflansch für einen Druckmeßaufnehmer mit einer lösbaren Verbindung, durch welche der Prozeßanschlußflansch formschlüssig mit dem Druckmeßaufnehmer verbunden ist und mit Anschlußmitteln, über welche der Druckmeßaufnehmer mit dem Meßmedium, dessen Druck gemessen werden soll, in räumlicher Verbindung steht, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a.) Der metallische Prozeßanschlußflansch (4) weist Verbindungsmittel (6) aus einem Meßmedien-beständigen, nichtmetallischen Kunststoff auf, über welche der Druckmeßaufnehmer (2) mit dem Meßmedium räumlich verbindbar ist;
• b.) die nichtmetallischen Verbindungsmittel (6) durchdringen den metallischen Prozeßanschlußflansch (4);
• c.) die nichtmetallischen Verbindungsmittel (6) stützen sich axial an einer Schulter (44) und radial an einer Mantelfläche (47) des Prozeßanschlußflansches (4) ab.

2. Prozeßanschlußflansch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel ein Prozeßanschlußzapfen (6) sind.

3. Prozeßanschlußflansch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Innengewinde (42) des Prozeßanschlußflansches (4) und dem Außengewinde (66) des Prozeßanschlußzapfens (6) eine Schraubverbindung gebildet ist, durch welche der Prozeßan­ schlußzapfen (6) in dem Prozeßanschlußflansch (4) eingesetzt und gehalten ist.

4. Prozeßanschlußflansch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßanschlußzapfen (6) aus einem Polyvinylidenfluo­ rid (PVDF) hergestellt ist.

5. Prozeßanschlußflansch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Hohlraum des Prozeßanschlußzapfens (62) gegenüber dem Inneren des Meßzellengehäuses (3) für die Meßzelle des Druckmeßaufnehmers und des Meßzellengehäuses (3) gegenüber der Umwelt abgedichtet ist.

6. Prozeßanschlußflansch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Prozeßanschlußflansch (4) mit dem Boden einer Nut (45) des Prozeßanschlußflansches unter Einschluß einer ringförmigen Dichtung (12) an einer Ringfläche des Meßzellengehäuses (3) und gleichzeitig der Prozeßanschlußzapfen (6) mit einer Dichtfläche (69) unter Einschluß einer weiteren ringförmigen Dichtung (13) an einer ringförmigen Dichtfläche der Membran (21) der Meßzelle (2) dichtend abstützt.