DD264758A1 - Druckaufnahmeeinheit von druckmesseinrichtungen fuer diffundierende medien - Google Patents

Abstract

Vorliegende Erfindung betrifft eine Druckaufnahmeeinheit von Druckmesseinrichtungen fuer solche Prozessmedien, die durch die Edelstahl-Trennmembranen diffundieren, z. B. fuer Wasserstoff. Aufgabengemaess soll ein nachteiliger Einfluss auf die messtechnischen Eigenschaften der Trennmembran ausgeschlossen werden. Das wird dadurch erreicht, dass eine fuer nichtdiffundierende Medien uebliche und in ihren messtechnischen Eigenschaften optimierte Trennmembran ohne Mittel zur Diffusionsminderung verwendet wird, und dass Mittel vorgesehen sind, die ein Ableiten des in die Fuellfluessigkeit eingetretenen diffundierenden Mediums sicherstellen, d. h. die eine Diffusionsrate aufweisen, die erheblich groesser ist als jene durch die Trennmembran. Nach einer ersten Ausfuehrungsform ist zwischen der Rueckseite des Membrantraegers und dem Messwerksgehaeuse eine duenne Diffusionsfolie fluessigkeitsdicht mit dem Membrantraeger verbunden. Die Membran sowie die entsprechenden Gehaeuseflaechen koennen sandgestrahlt sein. Es ist auch moeglich, die Gasableitung durch eine duenne poroese Zwischenlage zwischen Membran und Membrantraeger bzw. Membran und Gehaeuse zu erleichtern.

Description

Hierzu 2*Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Druckaufnahrneeinheit von Dmckmeßeinrichtungen für solche Prozeßmedien, die durch die zur Druckübertragung verwendeten Trennmembranen aus Edelstahl durchdiffundieren, z. B. für Wasserstoff.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den meisten derzeit eingesetzten Druckmeßeinrichtungen befindet sich das eigentliche Meßelement, z. B. ein piozoresistiver oder kapazitiver Druckwandler, in einem mit einer inkompiessiblen Flüssigkeit, z. B. Silikonöl, gefüllten Gehäuse, das nach außen, d. h. gegenüber dem Prozeßmedium, mittels dünner Druckühertragungs-nembranen aus Edelstahl abgeschlossen ist. Diese Membranen müssen extrem dünn sein, da die Membransteifigkeit Meßfehler verursacht. Sollen derartige Druckmeßeinrichtungen für Prozeßmedien mit diffundierenden Gasan,^v 'ie ». B. Wasserstoff, eingesetzt werden, sind besondere Maßnahmen erforderlich, um ein Ansammeln des diffuncimrendon Gases in der Überti'agungsflüssigkeit zu vermeiden. Anderenfalls würde beim Entspannen der verfahrenstechnischen Anlage ,.n Auf b'öhen der Trennmembran bis hin zur Zerstörung der Meßeinrichtung auftreten. Zum anderen verschlechtern Gaseinschiüssn die nkomprcssibilität der Übortragungsflüssigkeit und verursachen dadurch Meßfehlei.

Die bekannten Maßnahmen versuchen durchweg die Diffusion des Mediums .:u verhindern b/w. hinreichend zu verkleinern. Durch gezielte Werkstoffauswahl, Edelmetalle wie Gold und Silber, oder geeigr Ue Boschichtungen der Trennmembran mit speziellen Ölen und Wachsen lassen sich kleinere Diffusionsraten erzielen. Dennoch bleibt dio erreichbare Lebensdauer der Meßeinrichtung weit unterhalb der sonst üblichen, so daß erhöhte Kosten für die Instand 'ng der Geräte unausbleiblich sind. Bei der Verwendung von Ölen und/oder Wachsen ist zusätzlich die TempereUirbestänuigkait schlechter und ist der Einsatzbereich wegen der Löslichkeit dieser Stoffe durch Wasserstoff-Kohlenwasafi'stoff-Oemische eingeschränkt. Eine weitere Maßnahme ist aus der DE-OS 3121799 bekannt. Diese sieht ein Membranpaket, bestehend aus zwei Metallmembranon unterschiedlichen Durchmessers und eine dazwischenliegende Sinbmembran vor. Die Siebmembran soll ein inniges Berühren der Metallmembranen verhindern. D6r durch die erste Membran diffundierte Wasserstoff gelangt in den

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Membranzwisrhonraum und wird über eine Ringnut und eine Entlüftungsbohrung zur Außenatmosphäre abgeleitet. Durch das Verschweißen und Prägen von zwoi Metdllmembranen und das Einbringen der Ringnut und dos Entlüftungskanals ist diese Lösung mit einem hohen Fertigungsaufvind bnhaftet. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Membrananordnung nicht mit einer so geringen Steifigkeit hergestellt werden kann, wie das im Interesse einer möglichst unverfälschten Druckübertragung wünschenswert wäre.

Eine gewisse Verringerung des Herstellungseufwandos wird mit der im DD-WP 274429.7 beschriebenen Lösung erreicht. Hier wird einer einfachen Trennmombran eine aus mehreren Schichten bestehende Kunststoffmembran nV>t Gewebeeinlage unmittelbar vorgeschaltet. Die Gewebeeinlage besitzt eine nach außen rjo.'ichtete Kapillarwirkung zur Ableitung des Wasserstoffs nach außen. Neben einem höheren Aufwund ist auch hier ein negativer Einfluß auf die meßtechnischen Eigenschaften der Trennmembran in Kaut zu nehmen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Druckaufnahmeeinheit von Druckmeßeinrichtungen fur diffundierende Medien zu schaffen, die preisgünstig herstellbar ist und mit üblichen für nichtdiffundierende Medien optimierte Trennmembranen auskommt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Ei findung liegt die Aufgabe zugrundo, eine Druckaufnahmeeinheit zu schaffen, die für diffundierende Medien, wie Wasserstoff, geeignet ist, wobei ein nachteiliger Einfluß auf die meßtechnischen Eigenschaften der Trennmembran ausgeschlossen ist. Erfinriungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß eine für nishtdiffundierende Medien übliche und in ihren meßtechnischen Eigenschaften optimierte Trennmembran ohne Mittel zur Diffusionsveiminderung verwendet wild und daß Mittel vorgesehen sind, die ein Ableiten des in die Flüssigkeit eingetretenen diffundierenden Mediums sicherstellen, d. h. die eine Diffusionsrate aufweisen, die erheblich größer ist als jene durch die Trennmembran. Die erfinderische Lösung nimmt somit bewußt ein Eindiffundieren des Mediums in die Füllfiussigkeit in Kauf und sorgt dafür, daß das in die Füllflüssigkeit eingetretene gasförmige Medium schnell und widerstandsarm in die äußere Atmosphäre abgeleitet wird.

Eine erste Ausführungsform zur Erfüllung o.g. Forderung besteht darin, daß zwischen der Rückseite des Membranträgers und dem Meßwerkgehäuse eine dünne Lifusionsfolie flüssigkeitsdicht mit dem Membranträgor verbunden ist. Vorzugsweise sind beide dieser Folie gegenüberliegenden Flächen, d.h. sowohl die entsprechende Fläche auf der Membranträgerrückseite als auch die gegenüberliegende Gehäusefläche so beschaffen, daß das diffundierende Medium mit geringem Widerstand nach außen treten kann. Eine mögliche erste Realisierungsform ist das Sandstra.ilen der o.g. Flächen. Nach einer weiteren Ausführungsform sind diese Flächen oder wesentlichen Teile dieser mittels geringfügiger Ausnehmungen etwas versenkt und ist zwischen der Diffusionsfolie und der Membranträgerrückseite bzw. der Gehäusefläche eine dünne poröse Zwischenlage eingelegt, die z. B. aus Glasseide oder Sintermetall besteht. Eine Ringnut am Rand der Diffusionsfolie und mindestens eine in die Ri.ignut mündende Anbohrung denen der ungehinderten Ableitung des diffundierenden Mediums in die Atmosphäre. Eine weitere Möglichkeit zur Ableitung des diffundierenden gasförmigen Mediums besteht darin, d jß die Schweißnaht zur Cefestigung der Trennmc /nbran auf dem Membranträger aus der mit dem diffundierenden Medium ausgefüllten, unter Druck stehenden Meßkammor, nach außen vcilagort wird. Die Schweißverbindung kann beispielsweise am äußeren Rand des Membranträgers vorgesehen sein, wobei mittels eines Dichtringe» die Abdichtung der MeßKammer weiter innen erfolgt. Dadurch wird einmal der Vorteil erreicht, daß durch die Schweißnaht, die eine Diffusionsrate von etwa 10 ^e-10~⁷ Torr · Liter Sekunde"¹ gegenüber 1O"^l2--1O"²⁰ der Trennmembran aufweist, weniger Medium in die Füllflüssigkeit gelangt und zum anderen, daß das in die Füllflüssigkeit durch die Trennmembran diffundierende Medium unterstützt durch den sehr hohen Druckunterschied, z.B. 40MPa, einer üblichen Nenndruckstufe bei Differenzdtuckmessungen, über den sehr dünnen Spalt zwischen Tmnnmembran und Membranträger und die Schweißnaht relativ widerstandsarm nach außen in die Λ»rnosphäre gelangt.

Es bedarf keiner weiteren Begründung, dtß die beiden o.g. Maßnahmen sowohl für sich allein als auch, besonders bei sehr hohen Anforderungen, gemeinsam angev/endet werden können und alle drei Möglichkeiten als zum Gegenstand vorliegender Erfindung zu betrachten sind.

AusfQI(irun(isbelspiel

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine Schnittdarstellung durch einen erfindunysgemöß gestalteten Differenzdruckmeßumformer Fig. 2. oiinen vergrößerten Ausschnitt der Fi₁-). 1 von der Druckaufnahmeeinheit, speziell deren Membranträger mit vorderseitig

aufgeschweißter Trennmembran, rückseitig befestigter Diffusionsfolie und poröser Zwischenlage Fig.3: ein Ausführungsbeispiel analog Fig.2, bei dem das leichte Nachaußentreten des aus der Füllfestigi. iit ins Freie diffundierenden Mediums ohne poröse Zwischenlage durch rauhe sandgestrahlte Oberflächen der Viffusionsfolie und ihrer Anlageflächen errei htwird.

Die Fig. 1 zoigt die Druckaufnelimeeinhoit einer Druckmeßeinrichtung am Beispiel eines Differenzdruckmeßumformers für diffundierende Medien w>e z. B. für Wasserstoff. Der Meßumformer besteht aus den beiden Baugruppen Druckaufnahmeeiniieit 1 und dem Meßelement 2, z. B. einem mikroelektronischen Drucksensor. Die Druckaufnahmeeinheit besitzt zwei Meßkammern 3 und 4, in welche die beiclon Pro.Toßmodien, deren Druckdifferenz gemessen werden soll, über den Meßleitungsanschluß 5 des Meßkammerdeckols 6 einzuleiten sind. Eine Trennnmmbran 7 bildet die jeweils innere Wandungsteile oiner Meßkammer, die mittels Dichtring 8 abgedichtet ist Die Übertragung des Proreßdruckes von der Trennmembran auf das Meßelement erfolgt hydraulisch mittels einer Füllflüssigkeit 9, z. B. Silikonöl. Die Trennmembran: st mit ihrem Rand 10 auf einen Membranträger 11

aufgeschweißt, welcher an einem Gehäusemittelteil 12 anliegt. Die Schweißnaht 10 liegt außerhalb der Abdichtung 8 und damit nicht in der Meßkammer 4. Die Trennmembran ist in ihren Druckübertragungseigenschaften, wie kleine Federsteifigkeiten und Hyslerosef reiheit durch Einsatz hysteresoarmer Werkstoffe und gerinne Stärke dahingehend optimiert, daß sie boi Auslenkung durch den Meßvorgang oder Änderung bestimmter Betriebsverhältnisse, wie der Temperatur, eine geringste Fehierwirkung auf das Meßergebnis ausübt. Vorzugsweise bestoht sie deshalb aus kaltverfestigtem Chrom-Nickel-Stahl von nur etwa 0,05mm Stärke.

Erfindungsgemäß ist auf der am Gehäu3emittelteil anliegenden Rückseite des Membranträgers eine dünne Diffusionsfolie 3 in ihrer Randzone 14 flüssigkeitsdicht mit dem Membranträger verbunden. Im Membranträger führen Verbindungskanäle 15 von der Trennnembranseite zur Auflagefläche 16 der Diffusionsfolie 13. Die Folie weist eine geringere Stärke und eine größere Oberfläche, die mit der Füllflüssigkeit kontaktteil, auf als die Trennmembran. Die größere Oberfläche der DiVfusionsfolie wird nach dem Ausführungsbeispiel Fig.3 auch durch eine sandgestrahlte rauhe Folienoberfläche erzielt, die auch die Ausbreitung der Füllflüssigkeit auf die Gesamtberührungsfläche von Folie 13 und Membranträger 11 sichert, wobei es vorteilhaft ist, wenn auch die Anlagefläche 16 des Membranträgers aufgerauht oder entsprechend Fig. 1 und 2 mit einer flachen Ausdrehung 17 versehen ist.

Das GehäusemittPl'eil 12 ist im Bereich der anliegenden Diffusionsfolie 13, z. B. durch Sandstrahiung, aufgerauht (Fig. 3) oder es 'st entsprechend Fig. 1 und 2 eine dünne poröse Zwischenlage 18 eingelegt, welche aus Glasseide oder Sintermetall bestehen kann und dabei sichert, daß einerseits die durch den Prozeßdruck beaufschlagte Diffusionsfolie 13 so abgestützt ist, daß sie nicht reißt und andererseits die aus der Füllflüssigkeit durch die Diffusionsfolie 13 diffundierenden gasförmigen Anteile eines Prozeßmediums, wie Wasserstoff, widerstandslos zu einer Sammelringnut 19 und weiter über deren Anbohrungen 20 ins Freie abwandern.

Tritt der Wasserstoff aus der Meß^ammer 4 bzw. 3 durch die Trennmembran 7 in den mit Füllflüssigkeit gefüllten Raum, so gelangt er über die Verbindungskanäle auf Grund des Konzentrationsgefälles zur Diffusionsfolie. Die Diffusionsfolie besitzt aufgrund der o.g. Ausführung einen geringen Diffusionswiderstand, so daß das diffundierende Gas, unterstützt durch den großen Druckunterschied, zwischen Füllflüssigkeit und Atmosphäre, widerstandsarm über die poröse Zwischenlage 18 bzw. die rauhe Anlagefläche der Diffusionsfolie 13 die Ringnut 19 und die Anbohrung 20 in die Atmosphäre austreten kann. Gleichzeitig gelangt das diffundierende Medium über den sehr dünnen Spalt zwischen Membran 7 und Membranträger 11 an die Schweißnaht 10. Bedingt durch die wesentlich größere Diffusioncrete der Schweißnaht und begünstigt durch den o. g. großen Druckunterschied gelangt das diffundiei ende Medium auch übet diesen Weg relativ widerstandsarm in die äußere Atmosphäre.

Claims (6)

1. Druckaijfnahmeeinheit von Druckmeßeinrichtungen für diffundierende Medion mit einer bzw. zwei Trennmembranen, die das innere der Diuckmeßeinrichtung nach außen zum Prozeßmedium abschließen, wobei die Druckmeßeinnchtung mit einer inkompressiblen Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt ist und mit einem Membranträger, auf den die Trennmembranen aufgeschweißt sina, dadurch gekennzeichnet, daß eine einfache unbeschichtete Trennmembran, wie sie für nichtdiffundierende Prozeßmedien üblich ist, verwendet wird und daß Mittel vorgesehen sind, die ein Nachaußentreten des diffundierenden Mediums aus der Füllflüssigkeit sicherstellen, wobei die l.eckrate für das diffundierende Medium von der Füllflüssigkeit nach außen größer ist als die Leckrate» für das Durchtreten des Mediums durch die Trennmembran.

2. Druckaufnahmeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Anspruch 1 genannten Mittel darin bestehen, daß zwischen der Rückseite des Membranträgers und dem Gehäuse eine dünne Folie flüssigkeitsdicht mit dem Membranträger verbunden ist und daß die Rückseite des Membranträgeis sowie die gegenüberliegende Gehäusefläche so beschaffen sind, daß dac diffundierende gasförmige Medium mit geringem Widerstand nach außen treten kann.

3. Druckaufnahrneeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Membranträgers und/oder die gegenüberliegende Gehäusefläche sandgestrahlt sind.

4. Druckaufnahmeeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Rückseite des Membranträgers als auch die gegenüberliegende Gehäusefläche im Bereich der Diffusionsfolie eine geringfügige Ausnehmung aufweisen und daß zwischen der Diffusionsfolie und den genannten Flächen eine dünne poröse Zwischenlage aus Glasseide, Sintermetall oder dergleichen eingelegt ist.

5. Druckaufnahmeeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht zwischen Trennmembran und Membranträger außerhalb der Abdichtung zwischen Gehäusodeckel und Membranträger, d. h. außerhalb dor unter diffundierenden Medium stehenden Meßkammer, liegt, so daß durch die Trennmembran diffundierende gasförmige Medium mit geringem Widerstand durch die Schweißnaht nach außen treten kann.

6. Druckaufnahmeeinheit nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide in den Ansprüchen 2 bis 4 beschriebenen Mittel realisiert sind.