DE10162044B4

DE10162044B4 - Druckmessaufnehmer

Info

Publication number: DE10162044B4
Application number: DE10162044.6A
Authority: DE
Inventors: Dietfried Burczyk; Wolfgang Dannhauer; Franz Löffler; Ralf Nürnberger; Friedrich Schwabe
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: DE10162044A1

Abstract

Druckmessaufnehmer, umfassend:
einen Grundkörper (1);
eine metallische Trennmembran (3);
ein Anschlusselement (9); und
eine ringförmige Dichtung (13);
wobei die Trennmembran auf dem Grundkörper (1) angeordnet ist,
wobei die Trennmembran (3) einen napfförmig ausgebildeten inneren Bereich aufweist, an den ein äußerer ringscheibenförmiger Abschnitt (15) angrenzt,
wobei die Trennmembran (3) am Übergang vom napfförmigen Bereich zu dem äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt (15) eine ringförmig umlaufende Stufe aufweist, welche eine ringförmige umlaufende Einspannung der Trennmembran (3) bildet;
wobei der äußere ringscheibenförmige Abschnitt (15) der Trennmembran (3) flächig auf dem Grundkörper (1) aufliegt,
wobei das Anschlusselement (9) der Trennmembran (3) vorgeschaltet ist,
wobei das Anschlusselement eine Öffnung (11) aufweist, durch die hindurch im Betrieb ein zu messender Druck auf die Trennmembran (3) einwirken kann,
wobei die Dichtung (13) zwischen dem Anschlusselement (9) und der Trennmembran (3) angeordnet ist,
wobei die Dichtung von der Einspannung räumlich getrennt ist,
wobei die Dichtung (13) zwischen dem äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt (15) der Trennmembran (3) und einer formgleichen ringscheibenförmigen Fläche des Anschlusselements (9) aufliegt,
wobei die Dichtung (13) von einer Mitte der Trennmembran (3) her gesehen hinter der Einspannung liegt,
wobei die Trennmembran (3) an deren äußerem Rand mit dem Grundkörper (1) durch eine ringförmig umlaufende Schweißnaht (4) verbunden ist, die durch die Dichtung (13) geschützt ist, wobei sich die Schweißnaht (4) an einem äußeren Rand eines Absatzringes (27) befindet und der Absatzring (27) im Bereich hinter der Schweißnaht (4) abgeschrägt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmeßaufnehmer mit einer auf einem Grundkörper angeordneten metallischen Trennmembran und einem der Trennmembran vorgeschalteten Anschlußelement, das eine Öffnung aufweist, durch die hindurch im Betrieb ein zu messender Druck auf die Trennmembran einwirken kann, bei dem eine Dichtung zwischen dem Anschlußelement und der Trennmembran vorgesehen ist.
In der Druckmeßtechnik werden z.B. Absolutdruck-, Relativdruck- und Differenzdruckmeßanordnungen verwendet. Bei Absolutdruckmeßanordnungen wird ein zu messender Druck absolut, d.h. als Druckunterschied gegenüber einem Vakuum erfaßt. Mit einem Relativdruckmeßanordnungen wird ein zu messender Druck in Form eines Druckunterschiedes gegenüber einem Referenzdruck, z.B. einem Druck, der dort herrscht, wo sich der Meßaufnehmer befindet, aufgenommen. Bei den meisten Anwendungen ist dies der Atmosphärendruck am Einsatzort. Es wird also bei Absolutdruckmeßanordnungen ein zu messender Druck bezogen auf einen festen Bezugsdruck, den Vakuumdruck, und bei Relativdruckmeßanordungen ein zu messender Druck bezogen auf einen variablen Bezugsdruck, z.B. den Umgebungsdruck, erfaßt. Ein Differenzdruckmeß-anordnung erfaßt eine Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten einer Differenzdruckmeßzelle zugeführten Druck. Diese Druckmeßanordnungen können alle mit Druckmeßaufnehmern der eingangs genannten Art realisiert werden.
Druckmessanordnungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So ist beispielsweise eine Druckaufnahmeeinheit von Druckmesseinrichtungen für diffundierende Medien aus der Patentschrift DD 264 758 A1 bekannt geworden. Ferner ist aus der Patentschrift US 4,199,991 ein Drucksensor mit einem verbesserten Trennmembranaufbau bekannt geworden.
Aus der Patentschrift US 4,787,250 ist ferner ein Verfahren zum Herstellen einer fluiddichten Abdichtung zwischen einem dünnen, flexiblen Element und einem Elementträger bekannt geworden.
Um eine möglichst hohe Empfindlichkeit der Trennmembran gegenüber einem auf sie einwirkenden Druck zu erzielen werden vorzugsweise möglichst weiche Trennmembranen, d.h. Trennmembranen mit einer geringen Steifigkeit verwendet. Bei herkömmlichen Druckmeßaufnehmern der eingangs genannten Art ist zwischen einem äußeren Rand der Trennmembran und dem Anschlußelement eine Dichtung eingespannt. Die Einspannung der Dichtung variiert in Regel, wenn sich Druck und/oder Temperatur am Einsatzort ändern. Damit verändert sich eine auf die Trennmembran einwirkende Kraft. Bei einer empfindlichen Trennmembran kann diese Veränderung Rückwirkungen auf die Empfindlichkeit der Trennmembran haben und führt dadurch zu einer Reduktion der erzielbaren Meßgenauigkeit.
Um dieses Problem zu umgehen kann die Dichtung auch zwischen dem Grundkörper und dem Anschlußemement angeordnet sein. Dies bringt jedoch bei Anwendungen bei denen der Druck von chemisch aggressiven Medien gemessen werden soll Nachteile mit sich. Während bei einer Anordnung der Dichtung zwischen der Trennmembran und dem Anschlußelement nur die Trennmembran und das Anschlußelement gegenüber dem aggressiven Medium beständig sein müssen, muß bei einer Anordnung der Dichtung zwischen Grundkörper und Anschlußelement auch der Grundkörper gegenüber dem Medium beständig sein. Er kann in dem Fall nicht aus einem kostengünstigen Werkstoff, z.B. einem Stahl, bestehen, sondern muß aus einem hochwertigen Metall hergestellt sein oder eine entsprechende Beschichtung aufweisen. Dies bedeutet zusätzliche Kosten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Druckmeßaufnehmer mit einer auf einem Grundkörper angeordneten weichen metallischen Trennmembran und einem der Trennmembran vorgeschalteten Anschlußelement, das eine Öffnung aufweist, durch die hindurch im Betrieb ein zu messender Druck auf die Trennmembran einwirken kann, anzugeben bei dem eine Dichtung zwischen dem Anschlußelement und der Trennmembran vorgesehen ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Druckmeßaufnehmer mit

- einer auf einem Grundkörper angeordneten metallischen Trennmembran, und
- einem der Trennmembran vorgeschalteten Anschlußelement,
-- das eine Öffnung aufweist, durch die hindurch im Betrieb ein zu messender Druck auf die Trennmembran einwirken kann,
- bei dem eine Dichtung zwischen dem Anschlußelement und der Trennmembran vorgesehen ist,
-- die räumlich getrennt von einer ringförmig umlaufenden Einspannung der Trennmembran ist,
-- wobei die Dichtung von einer Mitte der Trennmembran her gesehen hinter der Einspannung liegt,

Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist das Anschlußelement ein Prozeßanschluß eines Druckmeßgeräts.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist das Anschlußelement ein Anschlußflansch eines Differenzdruckmeßgeräts.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Druckmeßaufnehmer ist, daß die Einspannung der Dichtung keine Rückwirkung auf die Empfindlichkeit der Trennmembran ausübt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schweißnaht durch die Dichtung geschützt ist.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die wirksame Einspannung der Trennmembran durch deren Napfform automatisch an einer vorteilhaften Position gegeben ist und nicht durch zusätzliche Maßnahmen und eventuell sogar zusätzliche Bauteile hergestellt werden muß.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmeßaufnehmer;
2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmeßaufnehmer mit einem Prozeßanschluß eines Druckmeßgeräts als Anschlußelemen; und
3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmeßaufnehmer mit Anschlußflanschen eines Differenzdruckmeßgeräts als Anschlußelementen.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmeßaufnehmer. Um eine größere Darstellung zu ermöglichen ist nur eine Hälfte des Druckmeßaufnehmers dargestellt. Die andere Hälfte ist rotationssymmetrisch um eine Längsachse L zu ergänzen. Der Druckmeßaufnehmer weist einen Grundkörper 1 auf. Der Grundkörper 1 besteht aus Metall, z.B. aus einem Stahl. Auf dem Grundkörper 1 ist eine metallischen Trennmembran 3 angeordnet. Die Trennmembran 3 besteht je nach Anwendung z.B. aus einem einfachen Edelstahl, oder aus einem hochwertigen Metall, z.B. Tantal, bzw. einer hochbeständigen Metalllegierung, z.B. aus Hastelloy. Sie ist an deren äußerem Rand mit dem Grundkörper 1 durch eine ringförmig umlaufende Schweißnaht 4 verbunden.
Die Trennmembran 3 dient dazu einen im Betrieb auf sie einwirkenden Druck auf ein in 1 nicht dargestelltes Druckmeßelement, z.B. einen piezoresistiven Drucksensor, zu übertragen. Die Trennmembran 3 überbedeckt eine flache Ausnehmung des Grundkörpers 1, derart, daß Trennmembran 3 und Grundkörper 1 eine annähernd kreisscheibenförmige abgeschlossene Kammer 5 bilden. Von der Kammer 5 führt eine den Grundkörper 1 in membran-abgewandter Richtung durchdringende Bohrung 7 zu dem nicht dargestellten Druckmeßelement. Kammer 5 und Bohrung 7 sind im Betrieb mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. einem Silikonöl, gefüllt, das einen außen auf die Trennmembran 3 einwirkenden Druck übertragt.
Der Trennmembran 3 ist ein Anschlußelement 9 vorgeschaltet. Das Anschlußelement 9 weist eine Öffnung 11 auf, durch die hindurch im Betrieb ein zu messender Druck auf die Trennmembran 3 einwirkt.
Zwischen dem Anschlußelement 9 und der Trennmembran 3 ist eine Dichtung 13 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die Dichtung 13 räumlich getrennt von einer wirksamen ringförmig umlaufenden Einspannung der Trennmembran 3 angeordnet und liegt von einer Mitte der Trennmembran 3 her gesehen hinter der Einspannung.
Die Dichtung 13 ist vorzugsweise ringförmig und liegt zwischen einem flächig auf dem Grundkörper 1 aufliegenden äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt 15 der Trennmembran 3 und einer formgleichen ringscheibenförmigen Fläche des Anschlußelements 9 auf. Da der ringscheibenförmige Abschnitt 15 ohnehin auf dem Grundkörper 1 aufliegt, werden die Eigenschaften der Trennmembran 3 durch die Einspannung der Dichtung 13 nicht verändert. Entsprechend ist auch eine druck- und/oder temperaturbedingte Änderung der Einspannung der Dichtung 13 ohne Auswirkung auf das Übertragungsverhalten der Trennmembran 3.
Zur besseren Fixierung der Dichtung 13 weist das Anschlußelement 9 eine ringförmige Rinne 17 auf, in die die Dichtung 13 eingelegt ist. Die Rinne 17 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine zylindrische Seitenwand 19 des Anschlußelements 9 und einen davon um eine Dichtungsbreite beabstandeten im durch die Seitenwand 19 gebildeten Innenraum des Anschlußelements 9 ringförmig umlaufenden Steg 21 gebildet.
Eine dem Grundkörper 1 zugewandte ringscheibenförmige Stirnfläche bildet eine Auflage, auf der der Grundkörper 1 mit einem äußeren Rand 25 aufliegt. Innerhalb dieses Randes 25 verläuft ein an den Rand 25 angrenzender in anschlußelementzugewandter Richtung vorstehender ringförmig umlaufender Absatzring 27. Der Absatzring 27 ist geringfügig breiter als die gegenüberliegenden Dichtung 13 und der Steg 21 zusammen. Eine Höhe des Stegs 21 ist dabei so gewählt, daß der Steg 21 auch bei fest eingespannter Dichtung 13 von dem Absatzring 27 beabstandet ist. Auf dem Absatzring 27 liegt der äußere Abschnitt 15 der Trennmembran 3 auf.
Die Schweißnaht 4 befindet sich an einem äußeren Rand des Absatzringes 27. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr während des Schweißvorganges ist der Absatzring 27 im Bereich hinter der Schweißnaht 4 abgeschrägt. Da sich die Schweißnaht 4 an dem äußeren Rand des Absatzringes 27 nahe der Seitenwand 19 des Anschlußelements 9 befindet, ist sie durch die Dichtung 13 gegenüber dem Medium, dessen Druck gemessen werden soll geschützt.
Die Trennmembran 3 ist vorzugsweise napfförmig ausgebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist sie einen inneren napfförmigen Bereich auf, an den der äußere ringscheibenförmige Abschnitt 15 angrenzt. Der napfförmige Bereich wird durch einen Napfboden 29 und eine zylindrische Napfseitenwand 31 gebildet. Die Napfseitenwand 31 liegt an einer zylindrischen Mantelfläche des Absatzringes 27 an.
Die Napfform wird vorzugsweise durch Prägung der Trennmembran 3 hergestellt, wobei die Ausnehmung im Grundkörper 1 ein Membranbett bildet, in das die Trennmembran 3 eingeprägt wird.
Die Trennmembran 3 formt am Übergang vom napfförmigen Bereich zum ringscheibenförmigen Abschnitt 15 eine ringförmig umlaufende Stufe, die die Einspannung der Trennmembran 3 bildet.
Mit der Einspannung ist hier immer die wirksame Einspannung gemeint, d.h. Ort der Einspannung ist diejenige Konturlinie der Trennmembran 3 äußerhalb derer keine Auslenkung der Trennmembran 3 mehr auftritt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet der Napfboden 29 die eigentliche Nutzfläche der Trennmembran 3. Der Napfboden 29 wird durch den einwirkenden Druck ausgelenkt. Die Napfseitenwand 31 bildet einen Übergang und der äußere Abschnitt 15 liegt permanent auf dem Grundkörper 1 auf.
Die Napfform bietet den Vorteil, daß keinerlei weitere Bauteile zur Einspannung der Trennmembran 3 erforderlich sind. Es sind jedoch auch andere Membranformen, z.B. einfache Wellmembranen oder flache Membranscheiben, einsetzbar. Die Einspannung ist dann entsprechend mechanisch zu realisieren. Die Trennmembran könnte z.B. von der Mitte der Trennmembran aus gesehen vor der Dichtung 13 mit dem Grundkörper 1 fest verbunden z.B. verklebt oder verschweißt sein, oder es könnte stattdessen ein Einspannring vorgesehen sein, der in grundkörper-zugewandter Richtung gegen die Trennmembran gepreßt ist.
2 zeigt den in 1 dargestellten Druckmeßaufnehmer, bei dem das Anschlußelement 9 ein Prozeßanschluß 33 eines Druckmeßgeräts ist.
An die Seitenwand 19 des Anschlußelements 9 schließt sich hier ein zylindrisches Gehäuses 34 an, in dem beispielsweise ein Druckmeßelement 36 sowie eine daran angeschlossene Auswerteelektronik 38 angeordnet sind.
Der Prozeßanschluß 33 weist eine axiale durchgehende Bohrung 35 auf, deren Innendurchmesser in gehäuse-zugewandter Richtung zunimmt, so daß vor der Trennmembran 3 eine Kammer besteht, die im Betrieb mit dem Medium, dessen Druck zu messen ist, gefüllt ist.
An einem trennmembran-abgewandten Ende weist der Prozeßanschluß 33 einen zylindrischen Endabschnitt auf, an den ein Außengewinde 37 angeformt ist. Das Außengewinde 37 dient zur Befestigung des Druckmeßaufnehmers an einem Meßort. Selbstverständlich können statt des Außengewindes 37 auch andere Befestigungsvorrichtungen, z.B. Flansche, vorgesehen sein.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das in 1 dargestellte Anschlußelement 9 einen Anschlußflansch 39 eines Differenzdruckmeßgeräts bildet.
Das Differenzdruckmeßgerät umfaßt zwei Grundkörper 1, die jeweils mit einer Trennmembran 3 ausgestattet sind und an deren trennmembran-abgewandten Seite unter Einschließung einer Meßmembran 41 miteinander verbunden sind. Die Meßmembran 41 ist beidseits von einer Kammer 43 umgeben, die durch eine Ausnehmung im jeweiligen Grundkörper 1 gebildet ist. Die Kammern 43 stehen über die Bohrungen 7 mit den von den Trennmembranen 3 abgeschlossenen Kammern 5 in Verbindung und sind ebenfalls mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. einem Silikonöl, gefüllt.
Indem die Dichtung 13 räumlich getrennt von der wirksamen ringförmig umlaufenden Einspannung der Trennmembran 3 ist und die Dichtung 13 von der Mitte der Trennmembran 3 her gesehen hinter der Einspannung liegt, ist es möglich sehr dünne Trennmembranen 3 einzusetzen. Die Dichtung 13 und deren möglicherweise nicht immer gleichbleibende Einspannung hat keinerlei Einfluß auf die Empfindlichkeit der Trennmembran 3, auch dann nicht, wenn eine sehr dünne und damit gegenüber Störungen sehr empfindliche Trennmembran 3 verwendet wird. Die Trennmembran 3 kann somit auch zur Erfassung sehr kleiner Drücke eingesetzt werden.

Claims

Druckmessaufnehmer, umfassend: einen Grundkörper (1); eine metallische Trennmembran (3); ein Anschlusselement (9); und eine ringförmige Dichtung (13); wobei die Trennmembran auf dem Grundkörper (1) angeordnet ist, wobei die Trennmembran (3) einen napfförmig ausgebildeten inneren Bereich aufweist, an den ein äußerer ringscheibenförmiger Abschnitt (15) angrenzt, wobei die Trennmembran (3) am Übergang vom napfförmigen Bereich zu dem äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt (15) eine ringförmig umlaufende Stufe aufweist, welche eine ringförmige umlaufende Einspannung der Trennmembran (3) bildet; wobei der äußere ringscheibenförmige Abschnitt (15) der Trennmembran (3) flächig auf dem Grundkörper (1) aufliegt, wobei das Anschlusselement (9) der Trennmembran (3) vorgeschaltet ist, wobei das Anschlusselement eine Öffnung (11) aufweist, durch die hindurch im Betrieb ein zu messender Druck auf die Trennmembran (3) einwirken kann, wobei die Dichtung (13) zwischen dem Anschlusselement (9) und der Trennmembran (3) angeordnet ist, wobei die Dichtung von der Einspannung räumlich getrennt ist, wobei die Dichtung (13) zwischen dem äußeren ringscheibenförmigen Abschnitt (15) der Trennmembran (3) und einer formgleichen ringscheibenförmigen Fläche des Anschlusselements (9) aufliegt, wobei die Dichtung (13) von einer Mitte der Trennmembran (3) her gesehen hinter der Einspannung liegt, wobei die Trennmembran (3) an deren äußerem Rand mit dem Grundkörper (1) durch eine ringförmig umlaufende Schweißnaht (4) verbunden ist, die durch die Dichtung (13) geschützt ist, wobei sich die Schweißnaht (4) an einem äußeren Rand eines Absatzringes (27) befindet und der Absatzring (27) im Bereich hinter der Schweißnaht (4) abgeschrägt ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Anschlusselement (9) ein Prozessanschluss (33) eines Druckmessgeräts ist.
Druckmessaufnehmer nach Anspruch 1, wobei das Anschlusselement (9) ein Anschlussflansch (39) eines Differenzdruckmessgeräts ist.