DE10227479A1

DE10227479A1 - Druckmeßgerät

Info

Publication number: DE10227479A1
Application number: DE10227479A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Banholzer; Bernd Rosskopf
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2004-01-08
Also published as: CN1662799A; RU2292020C2; AU2003242709A1; RU2005101079A; WO2004001359A1; US20060053893A1; CN100350231C; EP1514087A1

Abstract

Es ist eine möglichst vielseitig einsetzbare Druckmeßeinheit vorgesehen, mit einem in einem metallischen Gehäuse (1, 29) eingefaßten keramischen Drucksensor (2), bei dem die mit einem Medium, dessen Druck zu messen ist, während der Messung in Kontakt stehenden Oberflächen des Gehäuses (1, 29) mit einer Beschichtung (27) aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmeßeinheit.
In der Druckmeßtechnik werden Absolut-, Relativ- und Differenzdrucksensoren verwendet. Bei Absolutdrucksensoren wird ein zu messender Druck absolut, d.h. als Druckunterschied gegenüber einem Vakuum erfaßt. Mit einem Relativdrucksensor wird ein zu messender Druck in Form eines Druckunterschiedes gegenüber einem Referenzdruck, z.B. einem Druck, der dort herrscht, wo sich der Sensor befindet, aufgenommen. Bei den meisten Anwendungen ist dies der Atmosphärendruck am Einsatzort. Es wird also beim Absolutdrucksensor ein zu messender Druck bezogen auf einen festen Bezugsdruck, den Vakuumdruck, und beim Relativdrucksensor ein zu messender Druck bezogen auf einen variablen Bezugsdruck, z.B. den Umgebungsdruck, erfaßt. Mit Differenzdrucksensoren wird eine Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten auf den Sensor einwirkenden Druck erfaßt.
Unabhängig von der Art des zu messenden Druckes ist allen Druckmessungen gemeinsam, daß eine Druckmeßeinheit vorgesehen ist, bei dem ein in einem Gehäuse eingefaßter Drucksensor mit einem Medium, dessen Druck erfaßt werden soll in Kontakt steht. An das Gehäuse können Druckmittler, Staudrucksonden oder Durchflußblenden angeschlossen sein, oder das Gehäuse selbst kann mittels eines daran angeformten Prozeßanschlusses unmittelbar an einem Meßort montiert sein.
Als Druckmeßzellen eignen sich besonders gut keramische Drucksensoren. Keramische Drucksensoren weisen eine Meßgenauigkeit auf, die über sehr lange Zeit stabil ist. Ein Grund hierfür ist die feste ionische Bindung von Keramik, durch die der Werkstoff sehr dauerhaft ist und im Vergleich zu anderen Werkstoffen, z.B. Metallen, praktisch nicht altert.
Mit dem Medium in Kontakt stehende Bauteile müssen je nach Medium eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen. Außerdem können sie vorzugsweise bei hohen Temperaturen eingesetzt werden und sollten eine glatte leicht zu reinigende Oberfläche aufweisen, die nach Möglichkeit frei von Metallionen ist.
Bei einer kermamischen Druckmeßzelle sind diese Anforderungen erfüllt. Keramik ist ein sehr robuster, mit sehr hohen Drücken und Temperaturen belastbarer chemisch hoch beständiger Werkstoff.
Die chemische Beständigkeit der übrigen Bauteile wird heute häufig realisiert, indem für die Druckaufnehmer sehr hochwertige Metalle, z.B. Tantal oder mit speziellen hochbeständigen Legierungen, z.B. Hastelloy, beschichtete Metalle eingesetzt werden.
Damit ist zwar eine hohe chemisch beständige Oberfläche gegeben, die Forderung nach Metallionenfreiheit ist jedoch nicht erfüllt. Außerdem sind hochwertige Metalle und besondere Legierungen im Vergleich zu einfachen Stählen sehr teuer.
Metallionenfreiheit wird heute durch Kunststoffbeschichtungen, z.B. Beschichtungen mit Fluorthermoplasten, wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), erzielt. Derartige Kunststoffe sind zwar metallionenfrei, sie sind jedoch nur bei verhältnismäßig geringen Temperaturen, z.B. bis zu 150° C einsetzbar. Außerdem ist bei diesen Kunststoffen auch der zulässige Druckbereich beschränkt, da diese Kunststoffe sich bei zu hohen Drücken mechanisch verformen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Druckmeßeinheit anzugeben, die möglichst vielseitig einsetzbar ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einer Druckmeßeinheit mit

– einem in einem metallischen Gehäuse eingefaßten keramischen Drucksensor,
– bei dem die mit einem Medium, dessen Druck zu messen ist, während der Messung in Kontakt stehenden Oberflächen des Gehäuses mit einer Beschichtung aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen sind.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist das Gehäuse ein an einem Meßort zu befestigender Flansch, in den der Drucksensor eingebaut ist, und am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen des Flansches sind mit einer Beschichtung aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung weist das Gehäuse einen Prozeßanschluß auf, und am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen des Prozeßanschlusses sind mit einer Beschichtung aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung ist der Drucksensor eine Differenzdruckmeßzelle, das Gehäuse weist zwei Seitenflansche auf, zwischen denen der Drucksensor eingespannnt ist, und am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen der Seitenflansche sind mit einer Beschichtung aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen.
Gemäß einer Ausgestaltung besteht das Gehäuse aus einem Stahl oder Edelstahl.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Druckmeßeinheit mit einem in einen Flansch eingefaßten Drucksensor;
2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Druckmeßeinheit mit einem in einen Gehäuse mit Prozeßanschluß eingefaßten Drucksensor; und
3 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Druckmeßeinheit mit einem zwischen zwei Seitenflanschen eingefaßten Differenzdrucksensor.

1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmeßeinheit.
Die Druckmeßeinheit weist ein metallisches Gehäuse 1 auf, in das ein keramischer Drucksensor 2 eingefaßt ist.
Das Gehäuse 1 besteht z.B. aus einem im Vergleich zu Sonderwerkstoffen sehr kostengünstigen Stahl oder Edelstahl.
Der keramische Drucksensor 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Absolutdruckmeßzelle bestehend aus einem Grundkörper 3 und einer auf dem Grundkörper 3 angeordneten druckempfindlichen Membran 5. Der Grundkörper 3 besteht aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃ ). Die Membran 5 kann ebenfalls aus Keramik bestehen oder z.B. aus Glas oder aus Saphir sein. Die Membran 5 und der Grundkörper 3 sind an deren Rand unter Bildung einer Meßkammer 7 mittels einer Fügestelle 9 druckdicht und gasdicht miteinander verbunden. Die Membran 5 ist druckempfindlich, d.h. ein auf sie einwirkender Druck p bewirkt eine Auslenkung der Membran 5 aus deren Ruhelage.
Der Drucksensor 2 weist einen Wandler zur Umwandlung der druckabhängigen Auslenkung der Membran 5 in eine elektrische Meßgröße auf.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors 2 umfaßt der Wandler eine auf einer Innenseite der Membran 5 angeordnete Elektrode 11 und mindestens eine auf einer gegenüberliegenden membranzugewandten Außenseite des Grundkörpers 3 angeordneten Gegenelektrode 13.
Eine Kapazität des durch die Elektrode 11 und die Gegenelektrode 13 gebildeten Kondensators wird durch die Auslenkung der Membran 5 bestimmt und ist somit ein Maß für den auf die Membran 5 einwirkenden Druck.
Die Elektrode 11 und die Gegenelektrode 13 werden an eine Meßschaltung 15 angeschlossen, die die Kapazität in ein druckabhängiges Ausgangssignal umwandelt und einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung stellt.
Anstatt des beschriebenen kapazitiven Wandlers können auch andere Wandlertypen eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind auf der Membran angeordnete, z.B. zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschlossene Dehnungsmeßstreifen oder piezoresistive Elemente.
Ebenso könnte hier natürlich auch anstelle der Absolutdruckmeßzelle eine Relativdruckmeßzelle oder eine Differenzdruckmeßzelle vorgesehen sein. Ein Beispiel für eine Relativdruckmeßzelle ist in 2, ein Beispiel für eine Differenzdruckmeßzelle ist in 3 dargestellt.
Das Gehäuse 1 ist ein Flansch, in den der Drucksensor 2 eingefaßt ist. Hierzu weist der Flansch eine im wesentlichen zylindrische Ausnehmung 17 auf, an der endseitig eine sich radial ins Innere der Ausnehmung 17 erstreckende Schulter 19 aufweist. Die Schulter 19 weist in deren ins Innere der Ausnehmung 17 weisenden Seite eine ringförmig umlaufende Nut 21 zur Aufnahme einer Dichtung 23 auf. Als Dichtung 23 eignet sich z.B. ein O-Ring aus einem Elastomer. Es können auch mehrere Dichtungen vorgesehen sein.
Der Drucksensor 2 liegt mit einem äußeren druckunempfindlichen Rand der Membran 5 auf der Dichtung 23 auf. Auf einer von der Schulter 19 abgewandten Seite ist ein Gewindering 25 in die Ausnehmung 17 eingeschraubt, der auf einer membran-abgewandten Seite des Grundkörpers 3 aufliegt und den Drucksensor 2 gegen die Dichtung 23 und die Schulter 19 preßt.
Erfindungsgemäß sind alle mit einem Medium, dessen Druck zu messen ist, währende der Messung in Kontakt stehenden Oberflächen des Gehäuses 1 mit einer Beschichtung 27 aus Emaille oder einem glasartigen Material versehen.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kommen neben einer zum Meßort hinweisenden äußeren Oberfläche des Flansches die Oberflächen der Schulter 19 und der Nut 21 mit dem Medium in Berührung und sind daher mit der Beschichtung 27 versehen.
2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmeßeinheit.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor 2 eine keramische Relativdruckmeßzelle, die in einem metallischen Gehäuse 29 eingebaut ist.
Die Relativdruckmeßzelle unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Absolutdruckmeßzelle lediglich darin, daß der Grundkörper 3 eine durchgehende Bohrung 31 aufweist, durch die hindurch im Betrieb ein Referenzdruck, auf den der zu messende Druck bezogen werden soll auf eine grundköper-zugewandte Seite der Membran 5 einwirkt.
Das Gehäuse 29 ist nahezu zylindrisch und weist eine sich radial ins Innere des Gehäuses 29 erstreckende Auflagefläche 33 auf, auf der der Drucksensor 2 mit einem äußeren druckunempfindlichen Rand der Membran 5 aufliegt.
Zwischen dem Rand und der Auflagefläche 33 ist eine Dichtung 23, z.B. ein O-Ring aus einem Elastomer, angeordnet. Vorzugsweise ist in die Auflagefläche 33 eine Nut 21 zur Aufnahme der Dichtung 23 eingefräßt.
Das Gehäuse 29 umfaßt einen Prozeßanschluß 35, der dazu dient, die Druckmeßeinheit an einem Einsatzort zu befestigen. Der Prozeßanschluß 35 ist durch einen vor der Membran 5 befindlichen Abschnitt des Gehäuses 29 mit einem geringeren Außendurchmesser gebildet, an dessen membranabgewandten Ende ein Außengewinde 37 angeformt ist, mittels dessen die Druckmeßeinheit dann an einem in 2 nicht dargestellten Meßort zu befestigen ist. Andere Arten der Befestigung, z.B. mittels einer Flanschverbindung, sind ebenfalls einsetzbar.
Der Prozeßanschluß 35 weist eine zentrale axiale durchgehende Bohrung 39 auf, die sich vor der Membran 5 zu einer Kammer 41 aufweitet. Die Kammer 41 ist durch die Membran 5, den Prozeßanschluß 35 und die Dichtung 23 begrenzt.
Ein am Meßort herrschender Druck p wirkt über die Bohrung 39 und die Kammer 41 auf die Membran 5 ein.
Der Prozeßanschluß 35 kann integraler Bestandteil des Gehäuses 29 sein, er kann aber auch als ein abnehmbares Bauteil ausgestaltet sein. Letztere Variante ist in 2 dargestellt. Dort weist der Prozeßanschluß 35 einen sich radial nach außen erstreckenden Absatz 42 auf, durch den hindurch zur Befestigung des Prozeßanschlusses 35 Schrauben 44 in einen den Drucksensor umgebenden zylindrischen Abschnitt des Gehäuses 29 geschraubt sind.
Auch hier sind erfindungsgemäß alle mit dem Medium in Kontakt kommenden Oberflächen des Gehäuses 29 mit der Beschichtung 27 aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen. Diese Oberflächen sind, eine Außenfläche 43 des Prozeßanschlusses 35 die von der Bohrung 39 bis zum Außengewinde 37 reicht, eine Mantelfläche 45 der Bohrung 39, eine Mantelfläche 47 des Prozeßanschlusses 35 die die Kammer 41 begrenzt, die Auflagefläche 33 und die Oberfläche der Nut 21.
3 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmeßeinheit. Hierbei handelt es sich um eine Differenzdruckmeßeinheit mit einer zwischen zwei Seitenflanschen 49 eingefaßten keramischen Differenzdruckmeßzelle.
Die kermamische Differenzdruckmeßzelle weist einen Grundkörper 51 auf, an dessen einander gegenüberliegenden Stirnflächen jeweils eine druckempfindliche Membran 5 angeordnet ist. Der Grundkörper 51 besteht aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃ ). Die Membranen 5 können ebenfalls aus Keramik bestehen oder z.B. aus Glas oder aus Saphir sein. Die Membranen 5 und der Grundkörper 3 sind an deren Rand unter Bildung von jeweils einer Meßkammer 7 mittels einer Fügestelle 9 druckdicht und gasdicht miteinander verbunden. Die beiden Meßkammern 7 sind durch eine den Grundkörper 51 durchdringende Bohrung 53 miteinander verbunden. Die Meßkammern 7 und die Bohrung 53 sind mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. einem Silikonöl, gefüllt. Die Membranen 5 sind druckempfindlich, d.h. ein auf sie einwirkender Druck p bewirkt eine Auslenkung der Membran 5 aus deren Ruhelage.
Der Differenzdrucksensor weist einen Wandler zur Umwandlung der druckabhängigen Auslenkung der Membranen 5 in eine elektrische Meßgröße auf.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Differenzdrucksensors umfaßt der Wandler jeweils eine auf einer Innenseite jeder Membran 5 angeordnete Elektrode 11 und mindestens eine auf einer gegenüberliegenden der jeweiligen membran zugewandten Außenseite des Grundkörpers 51 angeordnete Gegenelektrode 13.
Die Kapazitäten der durch die Elektroden 11 und die Gegenelektroden 13 gebildeten Kondensatoren wird durch die Auslenkung der Membranen 5 bestimmt und sind somit ein Maß für den auf den Differenzdrucksensor einwirkenden Differenzdruck.
Die Elektroden 11 liegt vorzugsweise über die Fügestellen 9 an Masse und die Gegenelektroden 13 werden durch den Grundkörper 51 hindurch kontaktiert und an eine Meßschaltung 55 angeschlossen, die die Kapazitäten in ein vom Differenzdruck abhängiges Ausgangssignal umwandelt und einer weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung stellt.
Die beiden Seitenflansche 49 sind im wesentlichen Scheiben mit reckteckigem Querschnitt, die den Drucksensor derart einfassen, daß die Membranen 5 jeweils zu einer Stirnfläche eines Seitenflansches 49 weisen. Jeder Seitenflansch 49 weist eine durchgehende Bohrung 57 auf, durch die jeweils einer der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, auf eine der Membranen 5 einwirkt. An deren der jeweiligen Membran 5 zugewandten Seite münden die Bohrungen 57 in durch Ausnehmungen in den Seitenflanschen 49 gebildeten Kammern 59. Die Kammern 59 werden an deren Rand auf den Stirnflächen der Seitenflansche 49 durch Auflageflächen 61 eingefaßt, auf denen die Membranen 5 mit einem äußeren druckunemfpindlichen Rand unter Zwischenfügung mindestens einer Dichtung 23, z.B. eines O-Rings aus einem Elastomer, aufliegen. Vorzugsweise sind auch hier Nuten 21 zur Aufnahme der Dichtungen 23 vorgesehen.
Erfindungsgemäß sind auch hier am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen, hier Mantelflächen 63 der Bohrungen 57, die Oberflächen 65 der Kammern 59, die Auflageflächen 61 und die Oberflächen der Nuten 21 mit einer Beschichtung 27 aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen.
Durch die Beschichtung 27 ist es möglich die erfindungsgemäß ausgebildeten Druckmeßeinheiten bei hohen Drücken, hohen Temperaturen und/oder in Verbindung mit chemisch hoch aggressiven Medien einzusetzen. Da die Beständigkeit der Druckmeßeinheiten durch die Beständigkeit von Keramik und von der Beschichtung gegeben ist, kann das Gehäuse selbst aus einem einfachen, kostengünstigen Metall bestehen.
Alle mit dem Medium in Kontakt stehenden Oberflächen sind metallionenfrei, da sowohl die kermischen Membranen 5 als auch die Beschichtungen 27 metallionenfrei sind.
Weiter bieten die Beschichtungen 27 glatte Oberflächen, die sehr leicht zu reinigen sind, und auch unter Umständen bei Reinigungsvorgängen auftretenden hohen Temperarturen und/oder Drücken standhalten können.

Claims

Druckmeßeinheit mit – einem in einem metallischen Gehäuse (1, 29) eingefaßten keramischen Drucksensor (2), – bei dem die mit einem Medium, dessen Druck zu messen ist, während der Messung in Kontakt stehenden Oberflächen des Gehäuses (1, 29) mit einer Beschichtung (27) aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen sind.
Druckmeßeinheit nach Anspruch 1, bei dem – das Gehäuse (1) ein an einem Meßort zu befestigender Flansch ist, in den die Druckmeßzelle (2) eingebaut ist, und – am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen des Flansches mit einer Beschichtung (27) aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen sind.
Druckmeßeinheit nach Anspruch 1, bei dem – das Gehäuse (29) einen Prozeßanschluß (35) aufweist, und – am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen (43, 45, 47) des Prozeßanschlusses (35) Oberflächen des Prozeßanschlusses (35) mit einer Beschichtung (27) aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen sind.
Druckmeßeinheit nach Anspruch 1, bei dem – der Drucksensor eine Differenzdruckmeßzelle ist, – das Gehäuse zwei Seitenflansche (49) aufweist, zwischen denen der Drucksensor eingespannnt ist, und – am Meßort mit dem Medium in Kontakt kommende Oberflächen (61, 63, 65) der Seitenflansche (49) mit einer Beschichtung (27) aus Emaille oder aus einem glasartigen Material versehen sind.
Druckmeßeinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse (1, 29) aus einem Stahl oder Edelstahl besteht.