-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Membran-Druckmittlers zum Einsatz bei aggressiven oder hochviskosen Medien, bestehend aus einem Grundkörper mit einem in einer Ausnehmung eingelassenen Membranbett, welches von einer Auflagefläche für eine Membran umgeben ist, wobei die Membran einen ebenen Randbereich und einen mittleren gewellten Messbereich aufweist und eine Verbindung zwischen Auflagefläche und dem Randbereich der Membran durch ein Verbindungsmittel (Interlayer) hergestellt wird.
-
Gattungsgemäße Membran-Druckmittler, beispielsweise Flanschdruckmittler, Zellendruckmittler oder Nahrungsmitteldruckmittler, bestehend in der Regel aus einem metallischen Grundkörper mit einem meist konzentrisch ausgebildeten Membranbett sowie einer zum Teil den Grundkörper und insbesondere das Membranbett überspannenden dünnen Membran. Der Raum zwischen Membran und Membranbett ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die infolge einer Druckbeaufschlagung der Membran eine Druckerhöhung oder Druckerniedrigung erfährt. Die gattungsgemäßen Membranen werden überwiegend dort eingesetzt, wo der Druck von aggressiven oder hochviskosen Medien gemessen werden muss und bestehen demzufolge aus hochwertigen nichtkorrosiven Metallen. Die weiteren Bestandteile des Membran-Druckmittlers können hingegen aus weniger rost- und säurebeständigen Materialien hergestellt werden, da nur die vorhandene Membran mit den aggressiven oder hochviskosen Medien in Berührung kommt. In der Regel bestehen derartige Membran-Druckmittler aus einem flachen Grundkörper, der eine ringförmige Vertiefung aufweist, in der das Membranbett eingearbeitet ist. Um das Membranbett herum ist ein Randbereich zur Befestigung der Membran auf dem Grundkörper vorgesehen. Auf diese Weise kann ein zur Aufnahme der druckübertragenden Flüssigkeit ausgebildeter Zwischenraum geschaffen werden. Durch eine Auslenkung der Membran wird insofern der Druck der Flüssigkeit verändert und kann über eine Kapillarverbindung an ein angeschlossene Messwerk weitergeleitet und zur Anzeige eines Messwertes genutzt werden.
-
Die Membranen, die in der Regel aus einem Sonderwerkstoff bestehen, weisen eine Dicke von bis zu 250 μ auf und sind in der Regel so dimensioniert, dass sie bei maximaler Druckeinwirkung an dem Membranbett zur Anlage gelangen.
-
Aus dem Dokument Patent-Abstact of Japan, Band 7, Nummer 150, (P-207),
JP-A-58 060 232 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine bereits vorgeformte Membran mit einem Grundkörper verlötet wird. Das Verbinden der gewellten Membran mit dem Grundkörper geschieht hierbei in der Weise, dass auf die Auflagefläche des Grundkörpers ein Lot aufgebracht wird und die Membran mit ihrem Randbereich auf die Auflagefläche aufgelegt wird und durch Erwärmen des Randbereiches das Lot mit dem Grundkörper verbunden wird. Bei diesem Verfahren soll jedoch das nur der kreisringförmige Bereich, in dem sich das Lot befindet, erwärmt werden. Hierbei ergibt sich der Nachteil, dass bei den infrage kommenden Werkstoffen für die Membran und den Grundkörper aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten nach dem Erkalten unerwünschte Verformungen der geprägten Membran eintreten. Diese Verformungen sind auf entstehende Spannungen zurückzuführen, die durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten entstehen und können auch unter erheblichem Aufwand bei der Herstellung des Prägewerkzeuges sowie unter Berücksichtigung eventueller Toleranzen nicht ausreichend berücksichtigt werden. Daher wird zur Vermeidung einer größeren Erwärmung des Grundkörpers eine Erwärmung nur im Bereich der Auflagefläche vorgeschlagen. Durch den entsprechenden Wärmeabfluss in den Grundkörper gestaltet sich der Lötvorgang aber sehr schwierig und führt nicht zur einer gleichmäßigen und vollflächigen Verbindung zwischen Membrane und Grundkörper.
-
Aus diesem Grunde wird in der europäischen Patentschrift
EP 0 655 615 B1 ein Verfahren zur Herstellung einer Baueinheit eines Membran-Druckmittlers offenbart, bei dem zur Vermeidung einer durchzuführenden genauen Positionierung ein ebener Membranrohling verwendet wird, der an eine Fügefläche angelegt und mit Hilfe eines Lotes verbunden wird. Im Anschluss nach der erfolgten Verbindung wird durch Druckbeaufschlagung der Membranrohling in die Ausnehmung bis zur Anlage an das vorhandene Membranbett gedrückt, sodass die Membran eine Prägung erfährt. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass infolge der unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Grundkörper und Membran, wobei der Grundkörper einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, nach dem Abkühlen des Membran-Druckmittlers infolge des schrumpfenden Grundkörpers der nicht verlötete innere Bereich der Membran zu einer Verformung mit einem Materialüberschuss der Membran führt. Der vorhandene Materialüberschuss wird anschließend dazu genutzt die Membran nach der erfolgten Verlötung gegen das vorhandene Membranbett zu drücken und damit die dort vorhandene Struktur in die Membran einzuprägen. In der Regel wird hierzu eine konzentrische Struktur in einer Wellen- oder Trapezform verwendet, sodass das überschüssige Membranmaterial zur Ausbildung der Membranstruktur herangezogen werden kann. Hierbei hat sich jedoch herausgestellt, dass das verfügbare Material zu einem nachträglichen Prägen der Membran zur Formgebung nicht ausreichend ist und infolge der bereits durchgeführten festen Verbindung mit dem Grundkörper Spannungen innerhalb der Membran entstehen, die sich nachteilig auf die Empfindlichkeit auswirken und zu einem nicht ausreichend optimierten Kurvenverlauf des K-Faktors im ΔV/ΔP-Diagramm führen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die in das Membranbett nachträglich eingeprägte Membran zumindest im Bereich der Auflagefläche einen nur äußerst geringen Abstand zum Membranbett aufweist und somit entsteht bei einer nachträglichen Prägung gegen das Membranbett eine nur geringe Spaltwirkung mit einem entsprechend geringen Volumen für den Zwischenraum. Verantwortlich ist das teilweise Anliegen der Membran am Membranbett. In der Regel muss daher eine Druckbeaufschlagung des Zwischenraums zwischen Membran und Grundkörper erfolgen, um die Membran aus dem Membranbett herauszudrücken. Dieser zusätzliche Arbeitsschritt führt aber zu höheren Produktionskosten und nur zu einer teilweisen Verbesserung der Membranlinearität hinsichtlich des K-Faktors.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren dahingehend zu verbessern, dass nur geringe Restspannungen nach dem Verbinden der Membran mit dem Grundkörper entstehen, ein definierter Zwischenraum zur Aufnahme der druckübertragenden Flüssigkeit geschaffen wird und den Fertigungsaufwand durch eine rationelle Herstellung zu reduzieren.
-
Erfindungsgemäß ist zur Herstellung des Membran-Druckmittlers vorgesehen,
- a) dass auf die Auflagefläche ein auf die jeweilige Größe der Auflagefläche zugeschnittenes Verbindungsmittel in einer Dicke von 40 bis 45 μ aufgelegt wird,
- b) dass die vorgeformte Membrane mit ihrem ebenen Randbereich auf das Verbindungsmittel aufgelegt wird,
- c) dass die Membran durch Erzeugen einer Andruckkraft gegen das Verbindungsmittel und zusammen mit dem Verbindungsmittel gegen die Auflagefläche gepresst wird und
- d) dass der Grundkörper (2) zusammen mit der Membran (3) unter Hochvakuum für eine Stunde auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Verbindungsmittels erwärmt und anschließend durch eine längere Abkühlphase abgekühlt wird.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Die Herstellung eines Membran-Druckmittlers mit einer bereits vorgeformten Membran führt bei Einhaltung der aufgezeigten Verfahrensschritte zu einer äußerst geringen Restspannung, die im Übrigen durch die vorhandene Struktur der Membran sei es in Sinus- oder Trapezform aufgenommen werden und somit eine nur geringe Beeinflussungen des K-Faktors nach sich ziehen. Die hierbei verwendeten Materialien weisen zwar wie bei den bekannten Verfahren unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten auf, weil beispielweise für den Grundkörper ein geeigneter Stahl verwendet wird, während für die Membran in der Regel ein Sonderwerkstoff eingesetzt wird. Durch die vorherige Prägung der Membran in einer Prägevorrichtung, bestehend aus einer Patrize und Matrize, ohne dass der Randbereich bereits ortsfest fixiert ist, besteht die Möglichkeit, das Material vollflächig aus der Membran zu Prägen, wobei das notwendige Material zur Ausbildung der Wellenform großflächig aus dem gesamten Membranmaterial gezogen werden kann. Dies ist beispielweise bei dem zweitgenannten Verfahren nur innerhalb der verringerten Membranfläche möglich, die nicht fest mit dem Grundkörper verbunden ist. Der bei diesem bekannten Verfahren vorhandene Überschuss an Material infolge des stärkeren Zusammenziehens des Grundkörpers reicht jedoch nicht aus, die Struktur vollständig spannungsfrei zu Prägen. Dieser Vorteil wirkt sich jedoch bei einer vorherigen Prägung der Membran deutlich aus, sodass die Membran insbesondere der wirksame Membrandurchmesser nahezu spannungsfrei hergestellt werden kann. Nach erfolgter Verbindung mit dem Grundkörper, welcher sich aufgrund seines höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten stärker kontrahiert als die Membran, wird die konzentrisch vorgegebene Membranstruktur in vorteilhafter Weise nicht nach außen, sondern mehr zum Zentrum der Messfläche infolge der entstehenden Schubkraft gedrückt, wobei die konzentrische Struktur infolge der vorhandenen Wellenstruktur diese Verformung wesentlich besser kompensieren kann.
-
Damit kein unnötiger Spannungsaufbau in der Membran entsteht wird der gesamte Grundkörper zusammen mit der Membran auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Verbindungsmittels erwärmt und anschließend abgekühlt. Das hierfür vorgesehene Verbindungsmittel beispielweise ein metallisches Verbindungsmittel wird vollflächig zwischen der Auflagefläche und dem Randbereich der Membran angeordnet, sodass eine vollflächige homogene Verbindung des gesamten Randbereichs der Membran mit der Auflagefläche des Grundkörpers entsteht. Hierbei wird zunächst das Verbindungsmittel auf die Auflage aufgelegt und sodann die Membran auf das Verbindungsmittel aufgelegt und durch Erzeugen einer Andruckkraft die Membran mit dem Verbindungsmittel gegen die Auflagefläche des Grundkörpers gepresst, damit während der Erwärmung keine Verwerfungen entstehen und die Membran vollflächig und eben auf der Auflagefläche liegen bleibt, während das Verbindungsmittel in eine flüssige Phase übergeht und eine metallische Verbindung zwischen der Auflagefläche und dem Randbereich der Membran herstellt.
-
Die Temperaturerwärmung erfolgt für einen Zeitraum von bis zu einer Stunde, woran sich eine längere Abkühlphase anschließt, damit die Membran und der Grundkörper während der Abkühlphase keine zusätzlichen Spannungen aufbaut. In bevorzugter Anwendung des aufgezeigten Verfahrens wird hierbei die metallische Verbindung unter einem Hochvakuum erstellt, sodass Verunreinigungen und Oxyde auf der Oberfläche des Grundkörpers und der Membran vermieden werden. Hierdurch entsteht eine äußerst blanke Oberfläche beider zu verbindender Teile des Membran-Druckmittlers, sodass eine qualitativ äußerst hochwertige Verbindung mit einem hohen Reproduktionsfaktor entsteht. Durch den Einsatz eines Hochvakuumofens wird ferner ein Anlaufen der verwendeten Materialien verhindert, sodass der fertiggestellte Membran-Druckmittler eine absolut rein wirkende Oberfläche aufweist. Aus diesem Grunde eignen sich derartige Membran-Druckmittler beispielweise für den Einsatz in der chemischen Industrie oder Nahrungsmittelindustrie, da das fertige Produkt einen optisch absolut sauberen Eindruck hinterlässt. Eine Blasenbildung oder Verwerfung der Membran im Auflagebereich wird hierbei durch die aufgebrachte Andruckkraft verhindert und zudem eine vollflächige Verbindung zwischen der Membran und der Auflagefläche durch das verwendete Verbindungsmittel erreicht, da unerwünschte Verunreinigungen oder Oxyde an den Oberflächen der verwendeten Materialien infolge der unter Hochvakuum durchgeführten Erwärmung vermieden werden und somit hochreine Oberflächen für die metallische Verbindung zur Verfügung stellen. Der gleichmäßige Andruck der Membrane und des Verbindungsmittels auf die hierfür vorgesehene Auflagefläche des Grundkörpers erfolgt durch ein Andruckgewicht.
-
Die Membran selbst wird in einer Prägevorrichtung, bestehend aus einer Patrize und einer Matrize, vorgeprägt, wobei die Prägevorrichtung mit einem Mediumeinlass versehen ist, damit eine Prägung der Membran vorzugsweise mit Wasserdruck, Luft oder einem anderen Medium erfolgen kann. Die Membran wird hierbei aus einem Sonderwerkstoff gefertigt, vorzugsweise Tantal, V4A, Titan, Nickel, Monel, Duplex, Inconel oder Hastelloy C 276 oder es wird ein Werkstoff verwendet, der mit einem der Sonderwerkstoffe beschichtet ist, damit die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran-Druckmittler bei korrosiven oder hochviskosen Messstoffen eingesetzt werden können.
-
Erfindungsgemäß ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass das Verbindungsmittel beispielweise aus einem Lot, vorzugsweise aus einer dünnen Lotfolie besteht, die beispielweise aus einem dünnen Kreisring bestehen kann, der auf die Auflagefläche aufgelegt wird. Das hierbei verwendete Verbindungselement weist eine Dicke von 30 bis 50 μ auf.
-
Damit das Verbindungsmittel nicht in den eigentlichen Messraum während der Erwärmung gelangt, ist in besonderer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zwischen dem Membranbett und der Auflagefläche in dem Grundkörper ein ringförmiger Einstichkanal eingearbeitet ist, welcher die zwischen den Kontaktflächen entstehende Kapillarwirkung unterbricht und somit verhindert, dass das Verbindungsmittel in die Struktur des Membranbettes gelangt oder an der Struktur der Membran anhaftet. Durch den verwendeten Einstichkanal wird ein Eindringen des Verbindungsmittels in den Zwischenraum zwischen der Membran und dem Grundkörper somit ausgeschlossen und zudem kann gegebenenfalls überschüssiges Verbindungsmittel durch den Einstichkanal aufgenommen werden.
-
Durch das aufgezeigte erfindungsgemäße Verfahren wird der besondere Vorteil erzielt, dass bei der vorherigen Prägung der Membran das zur Ausbildung der Membranstruktur notwendige Material aus einer großen Fläche nachgezogen werden kann und somit Spannungen in der geprägten Membran verhindert werden. Ferner wird durch das aufgezeigte Verfahren zur Verbindung der Membran mit der Auflagefläche des Grundkörper infolge der gleichmäßigen Erwärmung des gesamten Grundkörpers mit der Membran und einer längeren Abkühlphase verhindert, dass nach erfolgter Verbindung zwischen Membran und Grundkörper Spannungen entstehen. Soweit Spannungen unvermeidlich sind, können diese in vorteilhafter Weise durch die vorhandene Membranstruktur nahezu vollständig kompensiert werden. Hierdurch wird eine hervorragende Linearität des Membran-Druckmittlers erreicht. Durch den Einsatz eines Hochvakuumofens wird ferner ein Anlaufen der verwendeten Materialien verhindert, sodass der fertiggestellte Membran-Druckmittler eine absolut rein wirkende Oberfläche aufweist. Eine Blasenbildung oder Verwerfung der Membran im Auflagebereich wird hierbei durch die erzielte Andruckkraft verhindert und zudem eine vollflächige Verbindung zwischen der Membran und der Auflagefläche durch das verwendete Verbindungsmittel erreicht, da unerwünschte Verunreinigungen oder Oxyde an den Oberflächen der verwendeten Materialien infolge der unter Hochvakuum durchgeführten Erwärmung vermieden werden und somit hochreine Oberflächen für die metallische Verbindung zur Verfügung stehen.
-
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der nachstehend aufgeführten Figuren nochmals erläutert.
-
Es zeigt
-
1 in einer Seitenansicht einen Grundkörper mit metallischem Verbindungsmittel und Membran vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
-
2 ein Membran-Druckmittler nach erfolgter metallischer Verbindung zwischen der Membran und dem Grundkörper.
-
1 zeigt in einer Seitenansicht einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran-Druckmittler 1, welcher aus einem Grundkörper 2, einer Membran 3 sowie einem vorzugsweise metallischen Verbindungsmittel 4 hergestellt wird.
-
Der Grundkörper 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel rund ausgeführt und weist eine Erhöhung 5 auf, die mit einem in einer Vertiefung liegenden Membranbett 6 versehen ist. Das Membranbett 6 kann beispielsweise aus einer Sinuswellen- oder Trapezform bestehen oder einer ähnlichen Formgebung und weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine ebene zentrische Messfläche 10 auf. Gegenüberliegend zur Messfläche 10 ist auf der Unterseite 11 des Grundkörpers 2 zentrisch im Grundkörper 2 eine Bohrung 7 angeordnet, welche auf der Unterseite in einen Anschluss 12 übergeht, um beispielsweise ein Kapillarrohr zum Messwerk anzuschließen. Das Messwerk und die Kapillarrohre selbst sind nicht dargestellt. An das Membranbett 6 in der Erhöhung 5 schließt sich randseitig eine ebene Auflagefläche 8 an, auf der das metallische Verbindungsmittel 4 in Form eines Kreisringes, wie er oberhalb des Grundkörpers 2 dargestellt, zur Anlage gelangt. Darüber wird die Membran 3 mit einem ebenen Randbereich 9 aufgelegt, die bereits vorgeprägt ist und einen ähnlichen Konturenverlauf wie das Membranbett 6 aufweist. Zwischen Membranbett 6 und Auflagefläche 8 ist ein ringförmiger Einstichkanal 13 angeordnet, um die Kapillarwirkung zwischen Verbindungsmittel 4 und Auflagefläche 8 zu unterbrechen. Umfangsverteilt sind im Grundkörper 2 zur Befestigung mehrere Befestigungsbohrungen 14 angeordnet.
-
2 zeigt in einer Seitenansicht einen Membran-Druckmittler 1 nach dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wurde. Zwischen der Auflagefläche 8 des Grundkörpers 2 und dem Randbereich der Membran 3 besteht eine vollflächige Verbindung unter Verwendung des dazwischen gefügten Verbindungsmittels 4.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Membran-Druckmittler
- 2
- Grundkörper
- 3
- Membran
- 4
- Verbindungsmittel
- 5
- Erhöhung
- 6
- Membranbett
- 7
- Bohrung
- 8
- Auflagefläche
- 9
- Randbereich
- 10
- Messfläche
- 11
- Unterseite
- 12
- Anschluss
- 13
- Einstichkanal
- 14
- Befestigungsbohrung
