DE102006040545A1 - Druckaufnehmer mit Druckmittler - Google Patents
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Abstract
Ein Druckaufnehmer 1 umfasst ein Druckmesswerk 2 mit einer Druckmesszelle 3 und einem Messwerkkörper 4, der eine erste Stirnfläche 5 aufweist, an der eine Trennmembran 6 befestigt ist, welche einen hydraulischen Pfad verschließt, der sich über einen ersten Kanal 7 durch den Messwerkkörper zu der Druckmesszelle 3 erstreckt, um diese mit einem an der Trennmembran 6 anstehenden Druck zu beaufschlagen; und einem Druckmittlerkörper 10, der eine zweite Stirnfläche 11 aufweist, in welcher ein zweiter Kanal 12 mündet, der sich durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die zweite Stirnfläche 11 entlang einer umlaufenden Schweißnaht 14 mit der ersten Stirnfläche 15 des Messwerkkörpers verbunden ist und die erste und die zweite Stirnfläche jeweils eine Ausnehmung 8, 16 aufweisen, so dass zwischen den Stirnflächen eine Druckkammer 17 ausgebildet ist und der Druckaufnehmer weiterhin einen Füllkörper 20 aufweist, welcher in der Druckkammer angeordnet ist, um das freie Volumen der Druckkammer zu minimieren.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer mit Druckmittlern. Ein solcher Druckaufnehmer ist beispielsweise im Deutschen Gebrauchsmuster
DE 203 05 869 offenbart. Er umfasst ein Druckmesswerk mit einer Druckmesszelle und einem Messwerkskörper, der eine erste Stirnfläche aufweist, an der eine Trennmembran befestigt ist, wobei die Trennmembran einen hydraulischen Pfad verschließt, der sich von einer Öffnung in der Stirnfläche über einen ersten Kanal durch den Messwerkkörper zu der Druckmesszelle erstreckt, um diese mit einem an der Trennmembran anstehenden Druck zu beaufschlagen; und einen Druckmittlerkörper, der eine zweite Stirnfläche aufweist in welcher ein zweiter Kanal mündet, der sich durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die zweite Stirnfläche entlang einer umlaufenden Schweißnaht mit der ersten Stirnfläche des Messwerkkörpers verbunden ist, und die erste und die zweite Stirnfläche jeweils eine Ausnehmung aufweisen, so dass zwischen den Stirnflächen eine Druckkammer ausgebildet ist. Derartige Konstruktionen werden beispielsweise in der Prozessautomatisierungstechnik eingesetzt, um verschiedene Druckmittler an ein Druckmesswerk anschließen zu können, beispielsweise kann der Druckmittlerkörper ein Druckmittlerkörper eines Flanschdruckmittlers oder eines Kapillarleitungdruckmittlers sein, wobei zur Vereinfachung des logistischen Aufwands vorgefertigte Druckmesswerke mit dem aktuell gewünschten Druckmittler kombiniert werden, indem der entsprechende Druckmesswerkskörper mit dem Druckmittlerkörper des ausgewählten Druckmittlers verschweißt wird. - Dieses Konstrunktionsprinzip hat sich bewährt, aber es weist die folgenden Nachteile auf.
- Beim Verschweißen des Druckmittlerkörpers mit dem Messwerkskörper ist zu vermeiden, dass die Trennmembran beschädigt wird. Um dies zu gewährleisten ist in der genannten Gebrauchsmusterschrift ein Druckaufnehmer offenbart, bei dem die Trennmembran auf einem Vorsprung angeordnet ist, der sich von der ersten Stirnfläche durch die Ebene der Schweißnaht hindurch in axialer Richtung erstreckt. Dies bewirkt, dass die Trennmembran beim Erstellen der Schweißnaht durch die Mantelflächen des Vorsprungs, auf dessen Stirnseite sie angeordnet ist, abgeschirmt bzw. abgeschattet wird, so dass sie beim Schweißen keinen Schaden nimmt. Die Kehrseite dieses Konstruktionsprinzip ist jedoch, dass die axiale Dimension der Druckkammer mindestens der Größe des Vorsprungs entsprechen muss, was zu einem erhöhten Volumen der Druckkammer führt. Da die Druckkammer zu dem geschlossenen hydraulischen Übertragungssystem des Druckmittlers gehört, bedingt dieses größere Volumen einen ausgeprägten Temperaturfehler aufgrund der Volumenausdehnung der Übertragungsflüssigkeit.
- Weiterhin werden derartige Konstrunktionsprinzipien bei Hochdruckanwendungen eingesetzt, welche zur Vermeidung von Kerbspannungen gerundete Mantelflächen mit großen Krümmungsradien erfordern, was im Ergebnis wieder zu großem Druckkammervolumina führt.
- Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckaufnehmer bereit zu stellen, welcher die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch den Druckaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1. Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer umfasst ein Druckmesswerk mit einer Druckmesszelle und einem Messwerkkörper, der eine erste Stirnfläche aufweist, an der eine Trennmembran befestigt ist, wobei die Trennmembran einen hydraulischen Pfad verschließt, der sich von der ersten Stirnfläche über einen ersten Kanal durch den ersten Messwerkskörper zu der Druckmesszelle erstreckt, um diese mit einem an der Trennmembran anstehenden Druck zu beaufschlagen; und einen Druckmittlerkörper der eine zweite Stirnfläche aufweist, in welcher ein zweiter Kanal mündet, der sich durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die zweite Stirnfläche entlang einer umlaufenden Schweißnaht mit der ersten Stirnfläche des Messwerkkörpers verbunden ist, und die erste und die zweite Stirnfläche jeweils eine Ausnehmung aufweisen, so dass zwischen den Stirnflächen eine Druckkammer ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer weiterhin einen Füllkörper aufweist, welcher in der Druckkammer angeordnet ist, um das freie Volumen der Druckkammer zu minimieren.
- In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Ebene in welche die Schweißnaht verläuft von dem Füllkörper durchdrungen. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann der Füllkörper in der Ebene der Schweißnaht eine umlaufende Ausnehmung aufweisen. Dies hat insbesondere den Effekt, dass der Füllkörper, welcher bestimmungsgemäß bei der Herstellung der Schweißnaht bereits in der Druckkammer angeordnet sein muss, durch die Herstellung der Schweißnaht nicht beeinträchtigt wird, und gleichermaßen keinen adversen Effekt auf die Herstellung der Schweißnaht hat. Gleichermaßen wird das Ausgasen der Schweißnaht durch die umlaufende Ausnehmung begünstigt.
- Aus fertigungstechnischen Gründen ist es derzeit bevorzugt, wenn der Messwerkkörper, und der Druckmittlerkörper und der Füllkörper eine im wesentlichen axialsymmetrische Struktur aufweisen, also eine Struktur, die sich bei der Herstellung von Drehteilen ergibt.
- Insbesondere für Hochdruckanwendungen kann die Wand der Druckkammer eine umlaufende Mantelfläche umfassen, deren Kontur in axialen Längsschnitten eine konkave Krümmung aufweist, um Kerbspannungen in der Druckkammer zu vermeiden bzw. zu vermindern.
- Dementsprechend kann der Füllkörper eine Mantelfläche mit einer konvexen Kontur aufweisen, welche im wesentlichen parallel zur konkaven Kontur der Mantelfläche der Druckkammerwand verläuft.
- Sofern in die Trennmembran auf einem Vorsprung in einem zentralen Bereich der ersten Stirnfläche angeordnet ist, was ratsam ist, um die Trennmembran bei der Herstellung der Schweißnaht zu schützen, kann der Füllkörper eine zu dem Vorsprung komplementäre Ausnehmung in einer der ersten Stirnfläche zugewandten Oberfläche des Füllkörpers aufweisen, wobei sich der axiale Vorsprung in diese Ausnehmung erstreckt.
- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann bereits der Füllkörper als Abschirmung für die Trennmembran bei der Herstellung der Schweißnaht dienen, so dass auf den Vorsprung ganz verzichtet werden kann, oder dieser mit geringerer Bauhöhe ausgeführt werden kann.
- Je nach Ausgestaltung der Druckkammer und des Füllkörpers kann es geboten sein, eine gesonderte Passage für die Übertragungsflüssigkeit vorzusehen, damit sie den Druck vom Druckmittler ungehindert zur Trennmembran übertragen kann. Dazu kann entweder eine Bohrung durch den Füllkörper geführt werden, oder in seiner Oberfläche kann beispielsweise eine Nut geführt werden.
- Der Füllkörper füllt vorzugsweise mindestens 90% besonders bevorzugt mindestens 95% des freien Volumens der Druckkammer aus.
- Um Toträume zu vermeiden, kann es geboten sein, Abstandhalter zwischen dem Füllkörper und den angrenzenden Oberflächen der Druckkammer vorzusehen, hierzu können kleine punktförmige Vorsprünge, beispielsweise Schweißpunkte an der Oberfläche des Füllkörpers bzw. den Oberflächen der Druckkammer vorgesehen sein.
- Eine andere sichere Positionierung kann erzielt werden, wenn der Füllkörper beim Erstellen der Schweißnaht mit der Wand der Druckkammer zumindest punktuell verbunden wird.
- Bei dieser Varianten ist es derzeit bevorzugt, dass der Füllkörper das gleiche Material aufweist, wie der Druckmittlerkörper und der Messwerkkörper beispielsweise Edelstahl, insbesondere V4A-Stahl.
- Sofern der Füllkörper die umlaufende Ausnehmung aufweist, die so bemessen ist, dass sie eine Wechselwirkung des Materials des Füllkörpers mit dem Schweißprozess bei der Erstellung der Schweißnaht ausschließt, kann es auch von Interesse sein, den Füllkörper aus einem anderen Material zu fertigen, beispielsweise einem Material welches einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Druckmittlerkörpers und des Messwerkkörpers, so dass das freie Restvolumen der Druckkammer auf diese Weise eine stärkere Volumenausdehnung aufweisen könnte, um damit mehr von der Volumenausdehnung der Übertragungsflüssigkeit zu kompensieren.
- Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
- Es zeigt:
-
1 : Ein Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers; -
2 : Einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers. - Der
1 gezeigte Druckaufnehmer1 umfasst ein Druckmesswerk2 , in dem eine Druckmesszelle3 angeordnet ist. Diese Druckmesszelle3 kann beispielsweise eine Piezoresistive, Kapazitive oder eine nach dem Resonatorprinzip arbeitende Druckmesszelle sein, wobei sämtliche dem Fachmann geläufige Druckmessverfahren der Druckmesstechnik zur Anwendung kommen können. - Die Druckmesszelle
3 ist in einem Messwerkkörper4 , in einer Messzellenkammer angeordnet. Der Messzellenkörper4 weist eine Stirnfläche5 auf, an der, in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Vorsprung18 , eine Trennmembran6 befestigt ist, die einen hydraulischen Pfad7 verschließt, der sich von der Trennmembran zur Druckmesszelle erstreckt, um diese mit dem an der Trennmembran anstehenden Druck zu beaufschlagen. - Der hydraulische Pfad ist, wie der Name sagt mit einem hydraulischen Übertragungsmedium gefüllt, beispielsweise mit einem Silikonöl.
- Die Druckmesszelle ist über hier nicht näher gezeigte Anschlussleitungen, die über geeignete Durchführung in die Messzellenkammer geführt werden, gespeist, wobei weiterhin für Relativdrucksensoren eine Referenzluftleitung vorgesehen sein kann. Das soeben beschriebene Druckmesswerk kann mit beliebigen Druckmittlern kombiniert werden, indem die erste Stirnfläche
5 des Messwerkkörpers mit einer komplementären zweiten Stirnfläche11 eines Druckmittlerkörpers10 mit einer umlaufenden Schweißnaht14 verbunden wird. - In der
1 ist der Druckmittlerkörper eines Kapillardruckmittlers gezeigt, wobei hier der Kapillaransatz lediglich angedeutet ist. - Jedenfalls mündet in der zweiten Stirnfläche
11 ein zweiter Kanal12 , der als Bohrung realisiert ist, um bestimmungsgemäß das Druckmesswerk2 über die zwischen dem Druckmittlerkörper10 und dem Messwerkkörper4 ausgebildete Druckkammer17 mit einem zu messenden Druck zu beaufschlagen. Die Druckkammer17 kann durch eine erste Ausnehmung8 in der ersten Stirnfläche5 und eine zweite Ausnehmung16 in der zweiten Stirnfläche11 gebildet werden. - Insbesondere für Hochdruckanwendungen weist die Druckkammerwand eine konkave Kontur auf, die zumindest abschnittsweise toroidförmig verlaufen kann. Zur Reduzierung des Volumens der Druckkammer ist ein Füllkörper
20 angeordnet, dessen Kontur im wesentlichen der Kontur der Druckkammer folgt. - In der Mantelfläche des Füllkörpers ist in der Ebene der Schweißnaht
14 , mit welcher der Messwerkskörper mit dem Druckmittlerkörper verbunden ist, eine umlaufende Nut vorgesehen. Dies gewährleistet, dass es beim Erstellen der Schweißnaht14 zu keiner Wechselwirkung zwischen dem Material des Füllkörpers und dem Schweißvorgang kommt. - Der Füllkörper weist weiterhin eine Ausnehmung
24 auf, in welche der Vorsprung18 hineinragt, auf welche die Trennmembran angeordnet ist. Sinn und Zweck der des Vorsprungs18 ist der Schutz der Trennmembran vor adversen Effekten bei der Herstellung der Schweißnaht14 . Dieses Konstruktionsprinzip war insbesondere in den Fällen erforderlich, in denen kein Füllkörper in der Druckkammer vorgesehen war. Jedoch kann der Füllkörper durchaus so gestaltet werden, dass auf den Vorsprung verzichtet werden kann. - Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in
2 skizziert, welches aufgrund der prinzipiellen Ähnlichkeit mit dem ersten Ausführungsbeispiel nur kurz erläutert wird. Der Druckaufnehmer30 umfasst eine Druckmesszelle33 in einer Messwerkkammer, in einem Messwerkkörper34 der mit einem Druckmittlerkörper38 anhand einer umlaufenden Schweißnaht verschweißt ist. Durch Ausnehmungen in den gegenüberliegenden Stirnflächen des Messwerkkörpers34 und des Druckmittlerkörpers38 ist eine Druckkammer ausgebildet. Eine Trennmembran36 ist im wesentlichen fluchtend mit den umgebenden Bereichen in einem zentralen Bereich der Ausnehmung in der Stirnfläche des Messwerkkörpers34 befestigt, um einen hydraulischen Pfad37 zu verschließen, über den die Druckmesszelle33 mit dem an der Trennmembran anstehenden Druck beaufschlagt wird. - In der Druckkammer ist ein Füllkörper
40 angeordnet, welcher über hier nicht näher gezeigte Abstandshalter, die durch Schweißpunkte an der Füllkörperoberfläche realisiert sind, lose in Position gehalten wird. - Eine umlaufende Ausnehmung in der Ebene der Schweißnaht ist vorgesehen, um eine Wechselwirkung zwischen dem Körpermaterial und dem Schweißvorgang zu verhindern. Weiterhin ist der Füllkörper so gestaltet, dass er die Trennmembran vor adversen Effekten beim Schweißen schützt. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass es keine geradlinige Verbindung zwischen irgendeinem Punkt der Trennmembran und einem Punkt der Schweißnaht gibt, die nicht den Füllkörper schneiden müsste.
Claims (18)
- Druckaufnehmer (
1 ), umfassend: ein Druckmesswerk (2 ) mit einer Druckmesszelle (3 ); und einem Messwerkkörper (4 ), der eine erste Stirnfläche (5 ) aufweist, an der eine Trennmembran (6 ) befestigt ist, wobei die Trennmembran einen hydraulischen Pfad verschließt, der sich von der Stirnfläche über einen ersten Kanal (7 ) durch den Messwerkkörper zu der Druckmesszelle (3 ) erstreckt, um diese mit einem an der Trennmembran (6 ) anstehenden Druck zu beaufschlagen; und einen Druckmittlerkörper (10 ), der eine zweite Stirnfläche (11 ) aufweist, in welcher ein zweiter Kanal (12 ) mündet, der sich durch den Druckmittlerkörper erstreckt, wobei die zweite Stirnfläche (11 ) entlang einer umlaufenden Schweißnaht (14 ) mit der ersten Stirnfläche (15 ) des Messwerkkörpers verbunden ist, und die erste und die zweite Stirnfläche jeweils eine Ausnehmung (8 ) (16 ) aufweisen, so dass zwischen den Stirnflächen eine Druckkammer (17 ) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufnehmer weiterhin einen Füllkörper (20 ) aufweist, welcher in der Druckkammer angeordnet ist, um das freie Volumen der Druckkammer zu minimieren. - Druckaufnehmer nach Anspruch 1, wobei die Ebene, in welcher die umlaufende Schweißnaht verläuft, von dem Füllkörper (
20 ) durchdrungen wird. - Druckaufnehmer nach Anspruch 2, wobei der Füllkörper (
20 ) in der Ebene der Schweißnaht eine umlaufende Ausnehmung (22 ) aufweist. - Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messwerkkörper und der Druckmittlerkörper eine im wesentlichen axialsymmetrische Struktur aufweisen.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wand der Druckkammer eine umlaufende Mantelfläche umfasst deren Kontur in axialen Längsschnitten eine konkave Krümmung aufweist, um Kerbspannungen bei hohen Drücken in der Druckkammer zu vermindern.
- Druckaufnehmer nach Anspruch 5, wobei der Füllkörper eine Mantelfläche mit einer konvexen Kontur aufweist, welche im wesentlichen parallel zur konkaven Kontur der Mantelfläche der Druckkammerwand verläuft.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Stirnfläche in einem zentralen Bereich einen axialen Vorsprung aufweist, wobei die Trennmembran an dem auf dem Vorsprung (
18 ) liegenden zentralen Bereich der ersten Stirnfläche befestigt ist, und wobei der Füllkörper eine Ausnehmung (24 ) aufweist, in welche der axiale Vorsprung hineinragt. - Druckaufnehmer nach Anspruch 7, wobei der axiale Vorsprung die Ebene der Schweißnaht schneidet.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper die Druckkammer in einer solchen Weise ausfüllt, dass die Trennmembran beim Erstellen der Schweißnaht, durch den Füllkörper von der Schweißnaht abgeschirmt ist.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper mindestens eine Passage für eine Übertragungsflüssigkeit aufweist.
- Druckaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die Passage, eine durchgehende Bohrung durch den Füllkörper umfasst.
- Druckaufnehmer nach Anspruch 10, wobei die Passage eine Nut in der Oberfläche des Füllkörpers umfasst.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95% des freien Volumens der Druckkammer ausfüllt.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin Abstandhalter vorgesehen sind, welche einen minimalen Abstand zwischen der Oberfläche des Füllkörpers den angrenzenden Oberflächen der Druckkammer definieren.
- Druckaufnehmer nach Anspruch 14, wobei die Abstandhalter Vorsprünge an der Oberfläche des Füllkörpers und/oder den angrenzenden Oberflächen der Druckkammer umfassen.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper durch die Schweißnaht zumindest punktuell mit der Wand der Druckkammer fest verbunden ist.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper den gleichen Werkstoff aufweist wie der Druckmittlerkörper und der Messwerkkörper.
- Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper einen anderen Werkstoff aufweist als der Druckmittlerkörper und der Messwerkkörper, wobei der Werkstoff des Füllkörpers einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff des Druckmittlerkörpers und des Messwerkkörpers, so dass das freie Restvolumen der Druckkammer auf diese Weise eine stärkere temperaturabhängige Volumenausdehnung aufweist als dies bei gleichen Werkstoffen der Fall wäre, um damit einen größeren Anteil von der temperaturabhängigen Volumenausdehnung der Übertragungsflüssigkeit zu kompensieren.
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