DE102005035931B4 - Hydraulic diaphragm seal and pressure transducer with hydraulic diaphragm seal - Google Patents
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Abstract
Druckmittler zum Übertragen des Drucks eines Prozessmediums, umfassend: einen Grundkörper (1), der eine Oberfläche (2) aufweist; und eine Trennmembran (3), die an der Oberfläche (2) befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer (4) gebildet wird, welche über eine Öffnung (6) in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad (5) kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist, die Druckkammer (4) und der hydraulische Pfad (5) mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran (3) eine Ringmembran mit einem umlaufenden inneren Rand (31) und einem umlaufenden äußeren Rand (32) ist und sowohl der innere Rand als auch der äußere Rand druckdicht mit der Oberfläche (2) des Grundkörpers (1) verbunden sind; wobei der Druckmittler weiterhin einen Sensor (20) für eine zweite Messgröße umfasst, der in dem von dem inneren Rand (31) der Trennmembran (3) umgebenen Bereich angeordnet ist.A pressure transmitter for transmitting the pressure of a process medium, comprising: a base body (1) having a surface (2); and a separation membrane (3) fixed to the surface (2), wherein between the separation membrane and the surface a pressure chamber (4) is formed, which communicates via an opening (6) in the surface with a hydraulic path (5) in that the separation membrane can be acted upon by the process medium, the pressure chamber (4) and the hydraulic path (5) are filled with a transfer liquid in order to transfer the pressure of the process medium; the separation membrane (3) is a ring membrane having a circumferential inner edge (31) and a peripheral outer edge (32) and both the inner edge and the outer edge are pressure-tightly connected to the surface (2) of the base body (1); wherein the pressure transmitter further comprises a sensor (20) for a second measured variable, which is arranged in the area surrounded by the inner edge (31) of the separating membrane (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydraulischen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem hydraulischen Druckmittler.The present invention relates to a hydraulic diaphragm seal and a pressure transducer with a hydraulic diaphragm seal.
Hydraulische Druckmittler umfassen gewöhnlich einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist, an dem eine Trennmembran mit ihrem Rand druckdicht befestigt ist, so dass zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, die über eine Öffnung in der Oberfläche des Grundkörpers mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert. Die Druckkammer und der hydraulische Pfad sind mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt.Hydraulic diaphragm seals usually comprise a base body having a surface to which a separation membrane is pressure-tightly secured with its edge, so that between the separation membrane and the surface of a pressure chamber is formed, which communicates via an opening in the surface of the body with a hydraulic path , The pressure chamber and the hydraulic path are filled with a transfer fluid.
Insoweit als temperaturabhängige Verformungen der Trennmembranen mit einem Trennmembranfehler bei der Druckmessung einhergehen, ist es für präzise Druckmessungen von grundsätzlichem Interesse, die Temperatur des Druckmittlers im Bereich der Druckkammer bzw. der Trennmembran möglichst genau zu kennen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen einen Temperatursensor auf, der entweder neben der Trennmembran angeordnet ist, oder von hinten in den Grundkörper des Druckmittlers eingeführt ist, um die Temperatur des Grundkörpers in der Nähe der Druckkammer zu messen. Diese Sensorpositionen sind grundsätzlich fehlerbehaftet, denn die thermische Masse des Grundkörpers verhindert eine unverzügliche Anpassung der Grundkörpertemperatur an die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer, die sich bei schnellen Änderungen der Medientemperatur und konvektivem Wärmetransport durch ein strömendes Medium sehr schnell ändern kann. Ein neben der Trennmembran angeordneter ggf. medienberührender Temperatursensor erfordert dagegen entweder eine zusätzliche Öffnung im Medienbehälter oder der medienführenden Leitung, durch welche der Temperatursensor eingesetzt werden kann, oder bei gegebener Trennmembranfläche muss der Radius des Grundkörpers um einen solchen Wert vergrößert werden, dass auf dem Rand des Grundkörpers noch Platz für die Montage eines Temperatursensors neben der Trennmembran vorhanden ist.Insofar as temperature-dependent deformations of the separation membranes are associated with a separation membrane error in the pressure measurement, it is of fundamental interest for precise pressure measurements to know the temperature of the pressure transmitter in the region of the pressure chamber or the separation membrane as precisely as possible. The solutions known from the prior art have a temperature sensor, which is either arranged next to the separating membrane, or introduced from behind into the main body of the pressure transmitter in order to measure the temperature of the main body in the vicinity of the pressure chamber. These sensor positions are fundamentally faulty, because the thermal mass of the body prevents immediate adaptation of the base body temperature to the temperature of the transfer fluid in the pressure chamber, which can change very rapidly with rapid changes in the temperature of the medium and convective heat transport through a flowing medium. On the other hand, a temperature-sensitive temperature sensor arranged next to the separating membrane requires either an additional opening in the media container or the media-carrying line through which the temperature sensor can be inserted, or for a given separating membrane surface the radius of the base body must be increased by such a value that on the edge There is still room for mounting a temperature sensor next to the separation membrane.
Sollte in anderen Messaufgaben neben dem Prozessdruck eine zweite Messgröße mit einem zweiten Sensor erfasst werden, stellt sich das gleiche konstruktive Problem. D. h. es muss wieder ein Montageplatz für den zweiten Sensor vorgesehen werden.If, in addition to the process pressure, a second measured variable with a second sensor is detected in other measuring tasks, the same design problem arises. Ie. It must be provided again a mounting location for the second sensor.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler und einen Druckwandler mit einem Druckmittler bereit zu stellen, der die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.It is therefore the object of the present invention to provide a pressure transmitter and a pressure transducer with a pressure transmitter, which overcomes the disadvantages of the prior art.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Anspruchs 1 und des Druckwandlers gemäß des unabhängigen Anspruchs 8.The object is achieved by the diaphragm seal according to the
Der erfindungsgemäße Druckmittler zum übertragen eines Drucks eines Prozessmediums umfasst:
- – einen Grundkörper, der eine Oberfläche aufweist;
- – und eine Trennmembran, die an der Oberfläche befestigt ist, wobei zwischen der Trennmembran und der Oberfläche eine Druckkammer gebildet wird, welche über eine Öffnung in der Oberfläche mit einem hydraulischen Pfad kommuniziert, die Trennmembran mit dem Prozessmedium beaufschlagbar ist, die Druckkammer und der hydraulische Pfad mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um den Druck des Prozessmediums zu übertragen; die Trennmembran eine Ringmembran mit einem umlaufenden inneren Rand und einem umlaufenden äußeren Rand ist und sowohl der innere Rand als auch der äußere Rand druckdicht mit der Oberfläche des Grundkörpers verbunden sind; wobei der Druckmittler weiterhin einen Sensor für eine zweite Messgröße umfasst, der in dem von dem inneren Rand der Trennmembran umgebenen Bereich angeordnet ist.
- A base body having a surface;
- - And a separation membrane which is attached to the surface, wherein between the separation membrane and the surface, a pressure chamber is formed which communicates via an opening in the surface with a hydraulic path, the separation membrane is acted upon by the process medium, the pressure chamber and the hydraulic Path are filled with a transfer fluid to transfer the pressure of the process medium; the separation membrane is a ring membrane having a circumferential inner edge and a peripheral outer edge and both the inner edge and the outer edge are pressure-tightly connected to the surface of the base body; wherein the pressure transmitter further comprises a sensor for a second measurement, which is arranged in the region surrounded by the inner edge of the separation membrane.
Der Sensor für eine zweite Messgröße kann beispielsweise ein Temperatursensor ein Feuchtesensor, ein potentiometrischer Sensor, insbesondere ein pH-Sensor, ein photometrischer, spektrometrischer oder ein anderer analytischer Sensor sein.The sensor for a second measured variable may be, for example, a temperature sensor, a humidity sensor, a potentiometric sensor, in particular a pH sensor, a photometric, spectrometric or another analytical sensor.
Der Grundkörper kann beispielsweise eine durchgehende, zentrale Bohrung aufweisen, in welche der zweite Sensor von der medienabgewandten Rückseite des Grundkörpers eingesetzt wird. Gleichermaßen kann der Sensor von der Vorderseite, d. h. der Seite an welcher die Trennmembran befestigt ist an dem Grundkörper bzw. in einer zentralen Öffnung des Grundkörpers befestigt werden.The main body may, for example, have a continuous, central bore into which the second sensor is inserted from the rear side of the main body facing away from the media. Likewise, the sensor can be viewed from the front, i. H. the side to which the separation membrane is attached to the base body or in a central opening of the base body are attached.
Vorzugsweise weisen der Grundkörper und die Trennmembran ein metallischen Werkstoff auf, wobei die Trennmembran mit der Oberfläche des Grundkörpers verschweißt oder verlötet sein kann, gegebenenfalls können zwischen der Trennmembran und dem Material des Grundkörpers Zwischenschichten vorgesehen sein, um die Befestigung der Trennmembran zu erleichtern.Preferably, the base body and the separation membrane to a metallic material, wherein the separation membrane can be welded or soldered to the surface of the body, optionally intermediate layers may be provided between the separation membrane and the material of the body to facilitate the attachment of the separation membrane.
Die Trennmembran weist beispielsweise Edelstahl, Tantal, oder beschichtete metallische Membranen auf.The separation membrane has, for example, stainless steel, tantalum, or coated metallic membranes.
Zwischen dem inneren Randbereich und dem äußeren Randbereich der Trennmembran erstreckt sich der so genannte Arbeitsbereich, d. h. der Bereich der auslenkbar ist, um temperaturbedingte Volumenänderungen der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer aufnehmen zu können. Dieser Arbeitsbereich, sowie ggf. der damit fluchtende Bereich der Oberfläche des Grundkörpers, das so genannte Membranbett, kann eine Wellenstruktur aufweisen, wodurch der maximale Volumenhub der Trennmembran vergrößert wird.Between the inner edge region and the outer edge region of the separation membrane extends the so-called work area, ie the Range is deflected to record temperature-induced changes in volume of the transfer fluid in the pressure chamber can. This work area, as well as possibly the area of the surface of the base body that is flush therewith, the so-called membrane bed, can have a wave structure, as a result of which the maximum volume stroke of the separating membrane is increased.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Trennmembran zwischen dem inneren und/oder äußeren Rand und dem Arbeitsbereich jeweils eine umlaufende Sicke auf, die vorzugsweise tiefer ist als die Amplituden der Wellenstruktur des Arbeitsbereiches.In one development of the invention, the separating membrane between the inner and / or outer edge and the working area each have a circumferential bead, which is preferably deeper than the amplitudes of the wave structure of the working area.
Weiterhin kann die Trennmembran, die, abgesehen von der ggf. vorgesehenen Wellenstruktur und ggf. vorgesehenen Sicken, im wesentlichen abschnittsweise eben gestaltet ist, als Napfmembran ausgebildet sein, d. h., die Trennmembran weist einen inneren Randbereich und einen äußeren Randbereich sowie einen Arbeitsbereich auf, der sich zwischen dem inneren und dem äußeren Randbereich erstreckt, wobei der Arbeitsbereich, bezogen auf eine Ebene, die durch den äußeren Randbereich der Trennmembran definiert ist, tiefer liegt. Die Oberfläche des Grundkörpers ist entsprechend gestaltet, d. h. sie weist einen, axial hervorstehenden äußeren Randbereich und ein entsprechenden axial vorstehenden inneren Bereich auf sowie ein dazwischenliegendes Membranbett, über dem sich der Arbeitsbereich der Trennmembran erstreckt, wobei die Trennmembran mit ihrem äußeren Randbereich und ihrem inneren Randbereich an entsprechenden äußeren und inneren Randbereich in der Oberfläche befestigt ist. Die als Napfmembran gestaltete Trennmembran weist vorzugsweise geneigte Übergangsflächen auf, die sich zwischen dem Arbeitsbereich und den Randbereichen erstrecken.Furthermore, the separation membrane, which, apart from the possibly provided wave structure and possibly provided beads, is substantially planar in sections, may be formed as a cup membrane, d. h., The separation membrane has an inner edge region and an outer edge region and a work area extending between the inner and the outer edge region, wherein the work area, based on a plane defined by the outer edge region of the separation membrane is lower , The surface of the body is designed accordingly, d. H. it has an axially projecting outer edge region and a corresponding axially projecting inner region and an intermediate membrane bed over which extends the working region of the separation membrane, wherein the separation membrane with its outer edge region and its inner edge region at corresponding outer and inner edge region in the surface is attached. The separating diaphragm designed as a membrane membrane preferably has inclined transition surfaces which extend between the working area and the edge areas.
Sofern die zuvor erwähnten Sicken bei Napfmembranen realisiert werden sollen, verlaufen sie vorzugsweise zwischen den Übergangsflächen und dem Arbeitsbereich.If the aforementioned beads are to be realized in cup membranes, they preferably run between the transition surfaces and the working area.
Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler und eine Druckmesszelle, die über den hydraulischen Pfad mit dem Druck des Prozessmediums beaufschlagbar ist, sowie eine elektronische Schaltung, um aus einem Primärsignal der Druckmesszelle ein aufbereitetes druckabhängiges Signal zu erzeugen.The pressure transducer according to the invention comprises a pressure transmitter according to the invention and a pressure measuring cell which can be acted upon by the pressure of the process medium via the hydraulic path, as well as an electronic circuit for generating a conditioned pressure-dependent signal from a primary signal of the pressure measuring cell.
Die Druckmesszelle kann nach sämtlichen, dem Fachmann geläufigen Prinzipien gestaltet sein, beispielsweise als kapazitive, resistive im Zusammenhang der piezoresistive Druckmesszelle, oder Messzelle nach einem Resonatorprinzip.The pressure measuring cell can be designed according to all principles familiar to the person skilled in the art, for example as capacitive, resistive in the context of the piezoresistive pressure measuring cell, or measuring cell according to a resonator principle.
In einer Weiterbildung der Erfindung verarbeitet die elektronische Schaltung des auch die Signale des Sensors für die zweite Messgröße.In a development of the invention, the electronic circuit also processes the signals of the sensor for the second measured variable.
Sofern der Sensor für die zweite Messgröße ein Temperatursensor ist, kann dessen Signal zur Korrektur eines Temperaturfehlers des Druckmesswerts verwendet werden.If the sensor for the second measured variable is a temperature sensor, its signal can be used to correct a temperature error of the pressure measured value.
Der Begriff des Druckwandlers bezieht sich im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung auf Absolutdruckwandler, Relativdruckwandler und Differenzdruckwandler, wobei selbstverständlich ist, dass für einen Differenzdruckwandler zwei Druckmittler vorzusehen sind, von denen mindestens einer als erfindungsgemäßer Druckmittler gestaltet sein muss.In the context of the present invention, the term pressure transducer refers to absolute pressure transducers, relative pressure transducers and differential pressure transducers, it being understood that two pressure transducers are to be provided for a differential pressure transducer, of which at least one must be designed as a pressure transmitter according to the invention.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained with reference to an embodiment shown in the drawing. It shows:
Der dargestellte Druckwandler umfasst einen Grundkörper
Die bisher beschriebenen Komponenten betreffen mit anderen Worten ein Druckmittlermodul, welches mit einem Sensormodul kombiniert ist, um den erfindungsgemäßen Druckwandler zu bilden. Das Sensormodul umfasst einen Sensorträgerkörper
Das Primärsignal der Druckmesszelle
Der erfindungsgemäße Druckwandler umfasst weiterhin einen Temperatursensor
Der Grundkörper
Zwischen dem Flansch
Der Druckmittler gemäß
Die Trennmembran dieses Ausführungsbeispiels ist als Napfmembran gestaltet. D. h., die Trennmembran umfasst einen auslenkbaren Arbeitsbereich
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