DE102006049942A1

DE102006049942A1 - Druckmittler, Drucksensor mit Druckmittler und Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers

Info

Publication number: DE102006049942A1
Application number: DE200610049942
Authority: DE
Inventors: Raimund Becher; Michael Schmidt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: DE102006049942B4; WO2008046768A1

Abstract

Der erfindungsgemäße Druckmittler zum Übertragen eines Mediendrucks umfasst einen metallischen Druckmittlerkörper 2 mit einer medienseitigen Oberfläche, und
eine Trennmembran 4, die unter Ausbildung einer Druckkammer 5 zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper 2 entlang zumindest eines Randes druckdicht mit dem Druckmittlerkörper 2 verbunden ist, wobei
sich von der Druckkammer 5 ein Kanal 6 durch den Druckmittlerkörper 2 erstreckt und die Druckkammer und der Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um einen an der Trennmembran anstehenden Mediendruck zu einem Druckempfänger zu übertragen, wobei zumindest ein Abschnitt des Kanals 6 durch funkenerosives Tieflochbohren hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittler, einen Drucksensor mit einem solchen Druckmittler und ein Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers.
Druckmittler zum Übertragen eines Mediendrucks umfassen gewöhnlich einen Druckmittlerkörper mit einer medienseitigen Oberfläche, und eine Trennmembran, die unter Ausbildung einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper entlang zumindest eines Randes druckdicht mit dem Druckmittlerkörper verbunden ist, wobei sich von der Druckkammer ein Kanal durch den Druckmittlerkörper erstreckt, und die Druckkammer, und der Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um einen an der Trennmembran anstehende Mediendruck zu einem Druckempfänger zu übertragen. Der Druckempfänger kann beispielsweise ein Druckmesszelle, eine weitere Trennmembran, oder eine an den Kanal anschließende Kapillarleitung sein.
Insbesondere in Hochtemperaturanwendungen und in Anwendungen, welche die Ex-d Zulassung erfordern, weisen die Druckmittler nach dem Stand der Technik erhebliche Nachteile auf.
Bei Ex-d-tauglichen Geräten muss der Kanal des Druckmittlers zwischen Druckempfänger und Druckkammer beispielsweise eine Flammendurchschlagsperre enthalten. Um diese zu realisieren darf der Kanalquerschnitt ein bestimmtes lichtes Flächenmaß über eine Länge nicht überschreiten. Eine weitere Motivation für minimierte Kanalquerschnitte ergibt sich aus dem Bestreben die Menge der im Druckmittler eingesetzten Übertragungsflüssigkeit so weit wie möglich zu reduzieren, da die Übertragungsflüssigkeit aufgrund ihres größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu jenem des Druckmittlerkörpers einen temperaturabhängigen Übertragungsfehler bewirkt.
Da hinreichend dünne Bohrungen, über die erforderlichen Kanallängen in Stahl praktisch nicht zu realisieren sind, werden häufig Druckmittler mit Füllkörpern im Kanal verwendet. Beispielsweise wird in einem Kanal mit einem Durchmesser von 2,7 mm Durchmesser ein Füllkörper mit einem Durchmesser von 2,5 mm eingesetzt, so dass bei koaxialer Anordnung ein Ringspalt von 0,1 mm verbleibt. Um Kosten zu minimieren kann die Länge des Kanalabschnitts und des einzusetzenden Füllkörpers, die gemäß der Forderungen an eine Flammendurchschlagssperre nur sehr geringe Fertigungstoleranzen aufweisen dürfen, auf die normgemäße Mindestlänge beschränkt werden. Der restliche Kanalabschnitt kann durch eine Bohrung mit eingesetztem Füllkörper mit größeren Toleranzen realisiert werden. Dieses Prinzip ist beispielsweise in einigen Druckmessumformern der Anmelderin umgesetzt, welche unter der Bezeichnung Cerabar S vertrieben werden.
Wenngleich dieses Prinzip für eine Vielzahl von Einsatzgebieten geeignet ist, sind ihm doch Grenzen gesetzt. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass die Ringspalte im Kanal dem Übertragungsfluid im Verhältnis zum Volumen große metallische Oberflächen zuwenden, welche Quellen von Verunreinigungen für die Übertragungsflüssigkeit sein können. Dies gilt umso mehr, als die Bohrungen der Kanalabschnitte gewöhnlich mit Schneidflüssigkeiten hergestellt werden, und die anschließende Reinigung der Bohrungen nicht immer zu rückstandsfreien Oberflächen führt. Die genannten Verunreinigungen können insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen zu einer Zersetzung der Übertragungsflüssigkeit und einem damit einhergehenden Ausgasen führen, wodurch der Druckmittler unbrauchbar wird.
Weiterhin würde die konsequente Minimierung des Kanalvolumens über eine Reduzierung der Ringspaltbreite das dynamische Übertragungsverhalten des Druckmittlers beeinträchtigen, da letztlich nur ein dünner Film von Übertragungsflüssigkeit zwischen zwei Metallflächen verbleiben würde. Ein anderer Ansatz verfolgt den Aufbau von Druckmittlern durch Einschweißen von Druckmittlern von Kapillarleitungen zwischen Komponenten eines Druckmittlerkörpers. Dieser Ansatz gestattet zwar einerseits minimierte Kanalvolumina unter Vermeidung von Füllkörpern, erfordert aber andererseits eine Vielzahl zu verarbeitender Teile zum Aufbau des Druckmittlers. Zudem können durch das Herstellen der Schweißverbindungen Verunreinigungen in den Komponenten auftreten, welche die bereits erwähnten Zersetzungen der Übertragungsflüssigkeit bewirken können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmittler bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Druckmittler gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch den Druckmessumformer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 10.
Der erfindungsgemäße Druckmittler zum Übertragen eines Mediendrucks umfasst
einen metallischen Druckmittlerkörper mit einer medienseitigen Oberfläche, und
eine Trennmembran, die unter Ausbildung einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper entlang zumindest eines Randes druckdicht mit dem Druckmittlerkörper verbunden ist, wobei
sich von der Druckkammer ein Kanal durch den Druckmittlerkörper erstreckt, und die Druckkammer und der Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt sind, um einen an der Trennmembran anstehenden Mediendruck zu einem Druckempfänger zu übertragen, wobei ferner zumindest ein Abschnitt des Kanals durch funkenerosives Tieflochbohren hergestellt ist.
Bohrungen mittels funkenerosivem Tielflochbohren werden beispielsweise von der Agie GmbH in Schorndorf angeboten. Derzeit beträgt der minimal angebotene Durchmesser etwa 0,23 mm und das Verhältnis zwischen Bohrungslänge und Bohrungsdurchmesser beträgt bis zu 300:1, als bis zu einer Länge von etwa 90 mm bei einem Durchmesser von 0,3 mm.
In einer Weiterbildung der Erfindung erfüllt der Kanal ohne einzusetzende Füllkörper die Anforderungen für eine Ex-d Zulassung, wie sie am Anmeldetag dieser Patentanmeldung definiert sind, d.h., bei vorgegebener Länge des Kanals wird der normgemäße Durchmesser des Kanals nicht überschritten.
Der Kanal weist beispielsweise einen Durchmesser von nicht mehr als 1,0 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,8 mm weiter bevorzugt nicht mehr als 0,5 mm und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,35 mm auf.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Druckmittlerkörper einen Temperaturentkoppler, der sich im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Trennmembran in die von dem Messmedium abgewandte Richtung erstreckt, wobei die Länge des Kanals, die im wesentlichen entlang dieser Richtung verläuft, nicht weniger als 40 mm, vorzugsweise nicht weniger 80 mm, und besonders bevorzugt nicht weniger als 120 mm beträgt. Das Verhältnis zwischen der Länge des Kanals und dem Durchmesser des Kanals beträgt mindestens 80:1, bevorzugt mindestens 120:1 und besonders bevorzugt mindestens 140:1.
Der Druckempfänger kann beispielsweise eine Absolutdruckmesszelle, eine Relativdruckmesszelle, eine Differenzdruckmesszelle, eine weitere Trennmembran, eines an den Druckmittler anschließenden zweiten Druckmittlers oder eine an den Kanal anschließende Kapillarleitung sein.
Der Druckmittlerkörper kann nahtlos aus einem metallischen Werkstück bestehen, oder er kann zwei oder mehr metallische Werkstücke aufweisen, die beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden sind. Sofern nur ein Abschnitt des Kanals mittels funkenerosivem Tieflochbohren gefertigt ist, kann dieser Abschnitt insbesondere mit einem Abschnitt des Kanals zusammenfallen, der durch eines der Werkstücke definiert ist. Selbstverständlich können die Grenzen des Abschnitts auch anders definiert sein. Gleichermaßen kann der gesamte Kanal durch Funkenerosion gefertigt sein.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst einen erfindungsgemäßen Druckmittler und eine mit dem Druckmittler gekoppelte Druckmesszelle zum Wandeln des über den Druckmittler übertragenen Drucks in ein druckabhängiges Signal, insbesondere ein analoges oder digitales elektrisches oder optisches Signal. Die Messzelle kann eine Absolutdruckmesszelle, eine Relativdruckmesszelle oder eine Differenzdruckmesszelle sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers, insbesondere eines oben beschriebenen Druckmittlers, umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Druckmittlerkörpers; Herstellen eines Kanals durch den Druckmittlerkörper; und Fügen einer Trennmembran mit einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers unter Ausbildung einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper, wobei ein Ende des Kanals durch den Druckmittlerkörper in der Druckkammer mündet, wobei ferner beim Herstellen des Kanals durch den Druckmittlerkörper zumindest ein Abschnitt des Kanals durch funkenerosives Tieflochbohren, hergestellt ist.
Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor;
2: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmittler; und
3: einen Längsschnitt durch einen Druckmittler nach dem Stand der Technik.
Der in 1 dargestellte Drucksensor 1 umfasst einen Druckmittler mit einem Druckmittlerkörper 2, der als Drehteil aus Edelstahl gefertigt ist und im Wesentlichen axialsymmetrisch ist. An einer ersten Stirnfläche 3 des Druckmittlerkörpers 2 ist eine Trennmembran 4 entlang ihres Umfangs an der Stirnfläche 3 angeschweißt, wodurch zwischen der Trennmembran und der Stirnfläche eine Druckkammer 5 gebildet ist. Entlang der Achse des Druckmittlers erstreckt sich ein Kanal mit einem Durchmesser von 0,3 mm über eine Länge von etwa 52 mm. Der Kanal ist mittels Funkenerosion in dem Druckmittlerkörper gefertigt.
Diese Art der Fertigung des Kanals ermöglicht, erheblich kleinere Kanaldurchmesser und eine dazu quadratische Reduktion des Kanalvolumens. Damit wird der Temperaturfehler des Druckmittlers deutlich verringert. Gleichermaßen ist das Kontaminationsrisiko der Übertragungsflüssigkeit vermindert, da der Kanal an sich bereits als Flammendurchschlagsperre geeignet ist, und die Kombination von größeren Kanaldurchmessern mit einem einzusetzenden Füllkörper nicht mehr erforderlich ist.
An der zweiten Stirnseite des Druckmittlerkörpers, die der ersten Stirnseite abgewandt ist, ist eine Messzellenkammer 7 vorgesehen, die eine Ausnehmung in der zweiten Stirnseite umfasst. Der Kanal 6 mündet in die Messzellenkammer 7, um eine in der Messzellenkammer angeordnete Druckmesszelle mit dem zu messenden Druck zu beaufschlagen. Im Ausführungsbeispiel umfasst die Druckmesszelle ein piezoresistives Sensorelement. Selbstverständlich kann die Druckmesszelle auch einen kapazitives Sensorelement umfassen, oder ein Sensorelement nach dem Resonatorprinzip. Der Drucksensor ist im Ausführungsbeispiel ein Relativdrucksensor, wobei der Druckmesszelle 7 der Atmosphärendruck über die Referenzleitung 8 zugeführt wird.
Der in 2 dargestellte Druckmittler ist insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet, er umfasst einen Druckmittlerkörper der aus zwei Baugruppen, nämlich einem Membranträgerkörper 12 und einem Temperaturentkopplungskörper 13 durch Verschweißen gebildet ist. An einer medienseitigen Stirnfläche des Membranträgerkörpers ist, wie zuvor beschrieben eine Trennmembran unter Ausbildung einer Druckkammer 14 gebildet, wobei sich von der Druckkammer ein axialer Kanal 15 durch den gesamten Druckmittlerkörper bis zu einer dem Membranträgerkörper 12 abgewandten Stirnfläche 16 des Temperaturentkopplungskörpers 13 erstreckt, an der eine Messzelle anschließen kann. Der Kanal ist mittels Funkenerosion gefertigt, und kann bei einer Länge von nicht weniger als 100 mm Durchmesser zwischen etwa 0,33 mm und etwa 1,0 mm aufweisen. Der Durchmesser kann hier beispielsweise in Abhängigkeit der Viskosität der einzusetzenden Übertragungsflüssigkeit gewählt werden.
Derartige Druckmittler mit Temperaturentkopplungskörpern an sich sind bekannt, sie weisen jedoch Kanäle mit konventionellen Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 4 mm auf. Gegenüber diesen Druckmittlern weist der Kanal dieses Ausführungsbeispiels eine Volumenreduktion zwischen einem Faktor 16 und einem Faktor 144 auf.
Der Stand der Technik enthält selbstverständlich auch Temperaturentkopplungskörper mit geringem Kanaldurchmesser, die durch Aufbauten mit Kapillarleitungen erzielt wurden. Diese Konstruktionen bedingten jedoch eine extrem komplexe Konstruktion, wie in 3 dargestellt ist.
Der Druckmittler 21 gemäß 3 umfasst wiederum einen Membranträgerköper 22, an den ein Temperaturentkopplungskörper 24 anschließt, wobei letzterer eine Vielzahl von Bauteilen umfasst. Diese sind ein Kapillarrohr 25, ein Basiskörper 27, eine Hülse 28, welche das Kapillarrohr umgibt und mechanisch entlastet, sowie ein Messzellenanschlusskörper 26, wobei sich das Kapillarrohr 25 und die Hülse 28 zwischen dem Basiskörper und dem Messzellenanschlusskörper 26 erstrecken. Zudem weist das Kapillarrohr 25 zur Montage in dem Messzellenanschlusskörper 26 einen Anschlusskörper 30 auf. Die genannten Bauelemente sind durch eine Vielzahl von Schweißverbindungen miteinander gefügt.
Es ist evident, dass diese Bauform erheblich aufwändiger und anfälliger ist, als die erfindungsgemäße Ausgestaltung in 2.

Claims

Druckmittler zum Übertragen eines Mediendrucks, umfassend einen metallischen Druckmittlerkörper (2) mit einer medienseitigen Oberfläche, und eine Trennmembran (4), die unter Ausbildung einer Druckkammer (5) zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper (4) entlang zumindest eines Randes druckdicht mit dem Druckmittlerkörper verbunden ist, wobei ein Kanal (6) sich von der Druckkammer (5) durch den Druckmittlerkörper (2) erstreckt, und die Druckkammer und der Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit gefüllt oder befüllbar sind, um einen an der Trennmembran (4) anstehenden Mediendruck zu einem Druckempfänger zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Kanals durch funkenerosives Tieflochbohren hergestellt ist.
Druckmittler nach Anspruch 1, wobei der Kanal ohne einzusetzende Füllkörper die Anforderungen für eine Ex-d Zulassung erfüllt.
Druckmittler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kanal einen Durchmesser von nicht mehr als 1,0 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,8 mm weiter bevorzugt nicht mehr als 0,5 mm und besonders bevorzugt nicht mehr als 0,35 mm aufweist
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckmittlerkörper einen Temperaturentkopplungskörper umfasst, der sich im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Trennmembran in die von dem Messmedium abgewandte Richtung erstreckt, wobei die Länge des Kanals, der im wesentlichen entlang dieser Richtung verläuft, nicht weniger als 40 mm, vorzugsweise nicht weniger 80 mm, und besonders bevorzugt nicht weniger als 120 mm beträgt.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis zwischen der Länge des Kanals und dem Durchmesser des Kanals mindestens 80:1, bevorzugt mindestens 120:1 und besonders bevorzugt mindestens 140:1 beträgt.
Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckempfänger eine Absolutdruckmesszelle, eine Relativdruckmesszelle oder eine Differenzdruckmesszelle ist.
Druckmittler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Druckempfänger eine weitere Trennmembran eines an den Druckmittler anzuschließenden zweiten Druckmittlers oder eine an den Kanal anschließende Kapillarleitung ist.
Druckmittler nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei der Druckmittlerkörper zwei oder mehr metallische Werkstücke aufweist die durch Schweißen miteinander verbunden sind.
Drucksensor, umfassend mindestens einen Druckmittler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine mit dem Druckmittler gekoppelte Druckmesszelle zum Wandeln des über den Druckmittler übertragenen Drucks in ein druckabhängiges Signal.
Drucksensor, nach Anspruch 9, wobei die Messzelle eine Absolutdruckmesszelle, eine Relativdruckmesszelle oder eine Differenzdruckmesszelle ist.
Verfahren zum Herstellen eines Druckmittlers, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Druckmittlerkörpers, Herstellen eines Kanals durch den Druckmittlerkörper, Fügen einer Trennmembran mit einer Oberfläche des Druckmittlerkörpers unter Ausbildung einer Druckkammer zwischen der Trennmembran und dem Druckmittlerkörper, wobei ein Ende des Kanals durch den Druckmittlerkörper in der Druckkammer mündet, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Kanals durch funkenerosives Tieflochbohren, hergestellt ist.