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Die
Erfindung betrifft eine Membran für einen Druckmittler, insbesondere
für Membranen
zur Verwendung mit einem Membranbett, bestehend aus einem geformten
Metallkörper
mit einem konzentrisch angeordneten äußeren Randbereich, welcher
zumindest teilweise zur Befestigung der Membran mit einem Membranbett
und/oder Membranbettkörper
vorgesehen ist und eine ringförmige
Befestigungsfläche aufweist.
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Gattungsgemäße Membranen
werden für Druckmittler
eingesetzt, und zwar immer dann, wenn ein Druckmessgerät benötigt wird
und das Gerät selbst
mit dem Messstoff nicht in Berührung
kommen darf. Beispielweise kann der Messstoff hoch korrosiv sein
und im Falle eines direkten Kontaktes das Gerät beschädigen oder der Messstoff kann
hoch viskos sein, sodass die Genauigkeit des Druckmessgerätes beeinträchtigt ist.
Ebenso besteht die Möglichkeit, dass
der Messstoff zur Kristallisation oder zur Polymerisation neigt
und dadurch die Anschlussleitungen zum Messgerät verstopft. Aus den vorgenannten Gründen werden
daher sogenannte Druckmittler eingesetzt, die mit Hilfe einer Membran
eine Trennung zwischen dem Messstoff und dem eigentlichen Druckmessgerät vornehmen.
Hierzu besitzt der Druckmittler einen Druckraum, in dem eine Füllflüssigkeit
in einem vorgegebenen Volumen als Druckübertragungsmedium eingesetzt
wird. Über
einen Zuleitungskanal ist diese Füllflüssigkeit mit dem eigentlichen
Messwerk verbunden, während
die Membran die Funktion des Abdichtens und der Übertragung der auftretenden
Druckunterschiede gegenüber
dem Messstoff ermöglicht.
Zu diesem Zweck wird die Membran gegenüber einem Membranbett, welches in
einem Membranbettkörper
ausgebildet ist, positioniert und randseitig mit dem Membranbettkörper verbunden.
Im einfachsten Fall besteht die Membran aus einer flachen Scheibe,
jedoch werden bevorzugt Membranen mit einer ausgewählten Struktur
verwendet.
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Die
Form der Membran bestimmt hierbei den Verlauf der Kennlinie. Wünschenswert
ist es in jedem Fall nach Einstellung der Membran einen möglichst
linearen Verlauf der Kennlinie zu erhalten, sodass auftretende Druckänderungen
ohne nachteilige Beeinflussungen des Messwertes auf das Messwerk übertragen
werden können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kennlinie
und das Steuerverhalten einer Membran für einen Druckmittler zu verbessern.
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Erfindungsgemäß ist zur
Lösung
der Aufgabe vorgesehen, dass der unmittelbar an die Befestigungsfläche angrenzende
Randbereich der Membran gegenüber
dem Membranbett beziehungsweise Membranbettkörper beabstandet verläuft. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Um
die Flexibilität
der Membran zu erhöhen und
somit das Steuerverhalten zu verbessern, wird in konsequenter Weise
darauf geachtet, dass die Membran gegenüber dem Membranbettkörper, beabstandet
verläuft.
Das heißt,
es wird darauf geachtet, dass ein Abstand zwischen Membranbett und
Membranbettkörper
bis zum Befestigungspunkt, in der Regel eine konzentrische Schweißnaht, eingehalten
wird. Durch diese Maßnahme
wird insbesondere sichergestellt, dass die Membran gegenüber dem
Membranbett frei schwingen kann und auch nicht durch seitliche Anlagepunkte
oder Anlageflächen,
die durch den Membranbettkörper
gegebenenfalls vorhanden sind, in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt ist.
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Hierbei
besteht die Möglichkeit,
dass die Befestigungsfläche
unmittelbar am Rand des Membranbettes angeordnet ist oder dass die
Befestigungsfläche
radial nach außen
versetzt angeordnet ist, wobei gleichzeitig darauf geachtet wird,
dass auch in diesem Fall die gesamte Membran gegenüber dem Membranbett
beziehungsweise Membranbettkörper beabstandet
bis zur Befestigungsfläche
verläuft.
Aus diesem Grunde ist der erforderliche Luftspalt über das
Membranbett hinaus bis zur Befestigungsfläche ausgebildet und bringt
den Vorteil mit sich, dass die Membran an keiner Stelle am Membranbett
beziehungsweise Membranbettkörper
anliegt und nur durch die Schweißnaht verbunden ist, sodass
in beiden Hubrichtungen der größtmögliche gleichgroße steuerbare
Membrandurchmesser zur Verfügung steht.
Durch diese spezielle Ausgestaltung der Membran gegenüber dem
Membranbett ist sichergestellt, dass die inneren, strukturierten
Membranbereiche schon bei kleinsten Druckänderungen wie eine Kolbenfläche arbeiten
und ein sehr lineares Verhalten der Membran gewährleisten. Besonders vorteilhaft ist
bei dieser Ausgestaltung, dass die Befestigungsfläche in Verbindung
mit dem beabstandeten Randbereich der Membran ein Gelenkpunkt bildet,
sodass die gesamte Membranfläche
zur Übertragung
des Druckes zur Verfügung
steht.
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Der
Randbereich der Membran kann hierbei eben, gekrümmt oder gegebenenfalls gewellt
ausgebildet sein, wobei es im Wesentlichen auf die Größe, dass
heißt
den Durchmesser der Membran ankommt, welche Form für den Randbereich
der Membran vorgesehen wird. Bei kleineren Membranen kann der Randbereich
der Membran und das Membranbett spitzwinklig aufeinander zulaufend
ausgebildet sein, wobei zwischen dem spitzwinkligen Randbereich
der Membran und dem Membranbett und/oder dem Membranbettkörper ein
Luftspalt von 0,1 bis 0,5, vorzugsweise 0,2 mm, ausgebildet sein sollte.
Um den Luftspalt zu erzielen ist hierbei vorgesehen, dass die Membran
eine kegelstumpfartige Mantelfläche
im Randbereich aufweist. Soweit größere Membrandurchmesser zum
Einsatz kommen, kann diese Mantelfläche zusätzlich mit Stabilisierungswellen
versehen sein, welche in der Regel eingeprägt werden. Bei kleineren Membranen
kann demgegenüber
der Randbereich aus einer geraden leicht geneigten Fläche bestehen,
wobei alternativ auch die Möglichkeit
eine flache doppelte Wellenform einzusetzen, gegeben ist. Soweit
die Befestigungsfläche
radial nach außen
verlegt wurde und somit zum Membranbett beabstandet verläuft, kann
zusätzlich
vorgesehen sein, dass das Membranbett angrenzend zur Befestigungsfläche eine
Vertiefung, vorzugsweise eine abgeschrägte Randfläche, aufweist. Auch durch diese
Maßnahme
ist sichergestellt, dass das Steuerverhalten der Membran nachhaltig verbessert
wird.
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Um
die Vorteile der erfindungsgemäßen Membran
zu erlangen muss ein anderes Prägeverhalten
angewendet werden als dies bisher verwendet wird. Hierbei wird ganz
bewusst die Membran zunächst
bis zur Schweißnaht
also bis zum größtmöglich nutzbaren
Membrandurchmesser in Form geprägt.
Dazu wird das Prägefutter
so gestaltet, dass dieses beim Aufsetzten auf den Druckmittler die
gesamte Membran und Schweißnaht
nicht berührt. Beim
Prägevorgang
wird nun die gesamte Membran bis zur Schweißnaht, mittels Druckluft von
cirka 100 bar, vom Druckmittlerkörper
abgehoben und ins Prägefutter
eingedrückt
und somit geformt. Dabei entsteht bis zur Schweißnaht zwischen der Membran und
dem Druckmittler ein spitzzulaufender Spalt, der in der Spaltspitze
cirka 0,2 mm beträgt.
Die Ausbildung des Spaltes ergibt sich insbesondere deshalb, weil
die Membran einen ebenen Randbereich aufweist. Dieser spitzzulaufende
Spalt kann sehr gut und schnell evakuiert und befüllt werden,
sodass sich hieraus ein wesentlicher Vorteil zu bisherigen Membranformen
ergibt. Bevor der befüllte
Druckmittler mit dem Messsystem verschlossen wird, erfolgt durch die
Einstellung des Drucks im Messsystem die Festlegung der Arbeitsposition.
Die genaue Position der Membran kann mittels integrierter Messuhr
erkannt werden. Um das benötigte
ideale Steuervolumen je nach Messsystem und Temperaturverhalten
zu erzeugen, muss die Membran mit einem variablen Druck angesteuert
werden. Der benötigte
Druckwert kann anschließend
aus der entsprechenden Membrankennlinie entnommen werden.
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Nach
dem Ende der Befüllung
steht die Membran zurückgesetzt
im Membranbett und kann somit beispielweise beim Transport oder
beim Händeln
des Druckmittlers nicht beschädigt
werden. Der wesentliche Vorteil einer solch geformten und positionierten
Membran besteht darin, dass die Membran an keiner Stelle am Druckmittler
anliegt und nur durch die Schweißnaht verbunden ist, wobei
in beiden Steuerhubrichtungen ein größtmöglicher, gleichgroßer und
steuerbarer Membrandurchmesser zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass die Membran beim Befüllen in den Kessel des Membranbetts
gedrückt
wird und diese das Bestreben besitzt wieder in ihre Ausgangsstellung
zurückzugehen.
Somit wird die Wirkkraft der Membran immer nur in eine Richtung
erzeugt und führt
ebenfalls zu einem verbesserten linearen Verhalten.
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Die
Gestaltung der Membran führt
ferner zum Ausgleich auftretender Zu- und Druckspannungen in der
Membranebene, sodass die Linearität der Membrankennlinie beibehalten
wird und große Ölvolumen
durch die Membran bewegt werden können, ohne dass Eigenspannungen
der Membran den Messwert verfälschen.
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Um
die beschriebenen Vorteile bestmöglichst
zu nutzen, muss die größte Aufmerksamkeit
auf den äußeren Randbereich
der Membran gelegt werden. Diese äußere kegelstumpfartige Mantelfläche muss
sehr instabil gefertigt werden, damit die entsprechende Flexibilität gewährleistet
ist. Zusätzlich wirkt
diese Mantelfläche
wie ein Kniehebel und hebt den inneren gewellten Membranbereich
schon bei kleinsten Druckänderungen
wie eine Kolbenfläche an,
sodass durch diese Maßnahme
eine Linearitätsverbesserung
erzielt wird. Bei ersten Versuchen hat sich herausgestellt, das
bei kleinen Membrandurchmessern eine leicht geneigte gerade Fläche völlig ausreichend
ist um diese besonderen Vorteile zu erzielen. Bei größeren Membrandurchmessern
können in
diesem Bereich zusätzlich
kleine Stabilisierungswellen eingesetzt werden. Ebenso ist es denkbar doppelte
flache Wellenformen zu verwenden.
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Die
Erfindung wird im Weiteren anhand der Figuren näher erläutert.
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Es
zeigt
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1 in
einer geschnittenen Seitenansicht ein Membranbettkörper mit
Membranbett und der darüber
angeordneten Membran sowie eine Ausschnittvergrößerung des Randbereiches, in
einer Arbeitsposition,
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2 in
einer geschnittenen Seitenansicht die aus 1 bekannte
Membran nach der Prägung,
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3 in
einer geschnittenen Teilansicht den Randbereich der Membran und
des Membranbettkörpers,
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4 in
einer geschnittenen Seitenansicht eine andere alternative Ausführungsform
der Membran und
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5 eine
weitere Ausführungsform
der Membran gemäß 3.
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1 zeigt
in einer geschnittenen Seitenansicht einen Membranbettkörper 1,
welcher ein Membranbett 2 sowie einen Druckmittelkanal 3 aufweist. Oberhalb
des Membranbetts 2 ist die Membran 4 angeordnet
und im seitlichen Randbereich 5, 6 mit dem Membranbettkörper 1 verbunden,
vorzugsweise verscheißt.
Der Druckmittelkanal 3 ist zentrisch angeordnet und führt einenends
zu einem nicht dargestellten Messwerk und anderenends in eine Druckkammer 7,
die durch das Membranbett 2 und die Membran 4 vorgegeben
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
zeigt das Membranbett 2 eine wellenförmige Struktur 8 mit
einer zentrische Fläche 9,
die eben ausgebildet ist. Die Struktur 8 kann beliebig
gewählt werden
und ist auf die dargestellte Wellenform nicht beschränkt. Die
Membran 4 ist korrespondierend zu dem Membranbett 2 ausgebildet,
sodass die Hubbewegung der Membran 4 über eine größtmögliche Hubhöhe ohne Behinderung bei einer
Druckänderung
bewegbar ist. Zum Verschließen
des Druckraums 7 ist die Membran 4 mit dem Membranbettkörper 1 randseitig
verschweißt,
wobei im vorliegenden Fall erfindungsgemäß zwischen der Membran 4 und dem
Membranbettkörper 1,
beziehungsweise dem seitlichen Randbereich ein spitz zulaufender
Spalt 10 ausgebildet ist. Durch den Spalt 10 kann
der gesamte Membranbettkörper
frei hängend
elastisch bewegt werden, sodass die Kennlinie durch eine vorherige Anlage
der Membran 4 an das Membranbett 2 beziehungsweise
dem seitlichen Randbereich des Membranbettkörpers 1 nicht beeinträchtigt wird.
In einer vergrößerten Teilansicht
A ist der Randbereich dargestellt und deutlich erkennbar ist der
spitz zulaufende Spalt 10, welcher sich zwischen dem Membranbettkörper 1 und
der Membran 4 befindet. In der Regel werden hierbei runde
Membranen 4 eingesetzt, sodass eine ebenfalls kreisringförmig ausgebildete Schweißnaht endseitig
vorliegt, um den Druckraum 7 hermetisch abzuschließen. Aus
diesem ersten Ausführungsbeispiel
ist erkennbar, dass der seitliche Randbereich 11 des Membranbettkörpers 1 eine
kegelstumpfartige Mantelfläche 12 bildet.
Ebenso besitzt die Membran 4 randseitig eine kegelstumpfartige
Mantelfläche 13.
Zwischen der Mantelfläche 13, Membran 4 und
der Mantelfläche 12 des
Membranbettkörpers 1 befindet
sich der erfindungsgemäße Luftspalt 10.
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2 zeigt
in einer geschnittenen Seitenansicht den bereits aus 1 bekannten
Membranbettkörper 1 mit
Druckmittelkanal 3 und dem Membranbett 2. Oberhalb
des Membranbettes 2 ist die Membran 4 angeordnet,
wobei in dieser Darstellung die Membran 4 einen größeren Abstand
zum Membranbett 2 aufweist. Der Abstand der Membran kann
bei einer vorgegebenen Temperatur und einem vorbestimmten Druck,
so eingestellt werden, dass die Membran im optimalen linearen Bereich
arbeitet, wobei nach Einstellung der Membran 4 der Druckraum 7 hermetisch
verschlossen wird. Aus dieser Position der Membran 4 ist
sehr deutlich erkennbar, dass der Luftspalt 10 gegenüber der
Ausführung
gemäß 1 vergrößert ist
und aus der Teilansicht A ist insbesondere erkennbar, dass die Membran 4 nicht
nur einen Luftspalt 10 zwischen dem Membranbett 2 beziehungsweise
der äußeren Mantelfläche 12 aufweist, sondern
darüber
hinaus auch noch ein Luftspalt 10a bis zur Schweißnaht 15 ausgebildet
ist, und zwar in einem Bereich, der bereits dem Membranbettkörper 1 zugeordnet
werden kann.
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3 zeigt
in einer geschnittenen und vergrößerten Seitenansicht
nochmals die Ausführungsformen
gemäß 2 mit
dem Membranbettkörper 1, dem
Membranbett 2 und der gegenüber dem Membranbett 2 angehobenen
Membran 4. Auch aus dieser Ansicht ist sehr deutlich der
Luftspalt 10 beziehungsweise 10a ersichtlich,
der zwischen der Membran 4 und der Mantelfläche 12 des
Membranbettkörpers 1 beziehungsweise
der Mantelfläche 13 der
Membran 4 ausgebildet ist. Auch aus dieser Zeichnung ist
erkennbar, dass der Luftspalt 10 beziehungsweise 10a sich
bis zum Befestigungspunkt, dass heißt der konzentrisch angeordneten
Schweißnaht 15 der
Membran 4 mit dem Membranbettkörper 1 ausgebildet
ist.
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4 zeigt
ebenfalls in einer vergrößerten geschnittenen
Seitenansicht den Membranbettkörper 1 mit
Membranbett 2 und einer weiteren Ausführungsform einer Membran 20,
die im Randbereich ebenfalls eine kegelstumpfartige Mantelfläche 21 aufweist,
sodass ein Luftspalt 10 beziehungsweise 10a ausgebildet
ist, jedoch besitzt die Mantelfläche 21 zusätzliche
Stabilisierungswellen 22, die in Richtung Membranbettkörper 1 ausgerichtet
sind. Diese Ausgestaltung der Membran 20 wird vorzugsweise bei
Membranen 20 mit einem größeren Durchmesser verwendet.
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5 zeigt
in einer vergrößerten und
geschnittenen Seitenansicht eine alternative Ausführungsform
einer Membran 30 die gegenüber dem Membranbett 2 eines
Membranbettkörpers 1 angeordnet
ist. Auch bei dieser Ausführungsvariante
entsteht ein Spalt 10 beziehungsweise 10a durch
die kegelstumpfartige Mantelfläche 12 des
Membranbetts 2 und der Membran 30. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist der Randbereich 31 jedoch leicht gewellt ausgeführt und
stellt eine weitere Alternative zur Ausgestaltung gemäß 4 dar.
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- 1
- Membranbettkörper
- 2
- Membranbett
- 3
- Druckmittelkanal
- 4
- Membran
- 5
- Randbereich
- 6
- Randbereich
- 7
- Druckkammer
- 8
- Struktur
- 9
- Fläche
- 10
- Luftspalt
- 10a
- Luftspalt
- 11
- Randbereich
- 12
- Mantelfläche
- 13
- Mantelfläche
- 15
- Schweißnaht
- 20
- Membran
- 21
- Mantelfläche
- 22
- Stabilisierungswelle
- 30
- Membran
- 31
- Randbereich